一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置及培养方法

技术领域

本发明属于细胞培养、监测技术领域，涉及一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置，还涉及一种细胞的培养监测方法。

背景技术

对细胞生长状态的监测是生命医学研究、药品研发以及病毒病理研究中重要的手段。目前，大多采用在无菌室中制作细胞培养样本，放入培养皿中，并通过二氧化碳培养箱对细胞进行培养。需要监测时，将培养皿取出并放置在显微镜下观察记录。该装置需要大量人工参与，无法做到智能化、自动化、微量处理等。亦有与显微镜集成一体的微培养系统，但其设备复杂，价格昂贵，观察视野小，仍未解决自动化、智能化的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置，结合无透镜成像技术与微流控技术，在细胞培养过程中实现实时监测。

本发明的另一目的是提供一种细胞的培养监测方法，实时调整细胞培养参数，保证细胞培养环境的稳定性。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置，包括底座，底座上扣置有微培养箱箱体，底座上表面作为微培养箱箱体内的下底面，微培养箱箱体顶部设置有光源机构和紫外灯，微培养箱箱体内壁上设置有环境监测模块，微培养箱箱体侧壁上下设置有加热模块和制冷模块，微培养箱箱体侧壁开设有小孔，小孔处设置有小孔连通器，小孔连通器中具有导孔连通微培养箱箱体的内部和外部，底座上表面中央设置有图像传感器，图像传感器依次串连有数据采集器、数据处理模块和微培养箱控制器，底座上表面靠近边缘处设置有蒸发池，底座也设置有加热模块和制冷模块，底座上表面设置有微流控芯片，图像传感器位于微流控芯片正下方，环境监测模块、加热模块、制冷模块、光源机构和紫外灯均分别与微培养箱控制器连接。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

微流控芯片设置有梭形通道，梭形通道一端为入口，另一端为出口。

光源机构包括LED灯，LED灯外部设置有罩壳，罩壳底部开设有微孔，微孔位于LED灯正下方，微孔位于微流控芯片正上方。

紫外灯设置有多个，多个紫外灯均匀设置在微培养箱箱体顶部四角处。

微培养箱箱体两相对侧壁上均开设有多个小孔，每个小孔处均设置有小孔连通器。

数据处理模块中设置有ASIC芯片或FPGA芯片，ASIC芯片或FPGA芯片连接有显示屏。

微培养箱控制器中设置有ASIC芯片或FPGA芯片，ASIC芯片或FPGA芯片连接有显示屏。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种细胞的培养监测方法，应用本发明的实时监测细胞生长状态的细胞培养装置进行培养监测，具体按照以下步骤实施：

步骤1：将微流控芯片放置在底座，并与底座上表面紧密贴合，调节图像传感器与微流控芯片的距离，使图像传感器能够采集图像，并将微流控芯片的入口和出口分别通过导管连接到小孔连通器上；

步骤2：采用导管通过小孔连通器连接到蒸发池中，将微培养箱箱体扣置在底座上，通过微培养箱控制器打开紫外灯，对微培养箱箱体内部、微流控芯片进行UV光照灭菌；

步骤3：采用推进装置和导管通过微培养箱箱体一侧壁上的小孔连通器向微培养箱箱体内部通入细胞培养所需的水汽和气体，废液、废气采用导管通过微培养箱箱体另一侧壁上的小孔连通器排出，并在微培养箱控制器上通过其显示屏设置环境参数并运行，通过微培养箱控制器控制加热模块、制冷模块、与导管连接的推进装置维持微培养箱箱体内部环境稳定至设定值；

步骤4：将接入样品溶液的导管接入推进装置上，将准备好的样品溶液推入微流控芯片，通过微培养箱控制器打开光源机构，通过微培养箱控制器控制图像传感器，设置采集图像的时间间隔，采集区域，并设置数据采集器、数据处理模块中的算法对采集的图像处理，获取细胞的生长状态信息；

步骤5：运行细胞培养装置，每隔一段时间自动采集一张图像并做处理，将原图像、处理结果都保存在数据处理模块，并由其显示屏显示，实现细胞的实时培养监测。

本发明的有益效果是：

本发明一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置，结构简单，使用方便；利用微流控芯片等细胞培养器皿进行微量培养，通过持续通入培养液带走细胞生长代谢产物，持续提供营养物质，而不影响培养环境的无菌条件；利用无透镜成像技术，实时监测细胞的生长过程，完成细胞生长密度、生长速度、生长状态、药物反应、物理化学刺激反应等监测；培养监测过程无需人员干涉、无需将培养的微流控芯片拿出，实现自动化监测；并且可以根据特定的培养监测需要自定义对细胞图像进行处理，获取细胞的生长状态信息。

本发明一种细胞的培养监测方法，能够自动控制微培养箱温度、湿度、通入气体浓度等环境参数，在细胞培养过程中能够根据设置自动定时采集细胞图像并进行处理分析监测，人工参与极少，监测时效性、准确性高。

附图说明

图1为本发明一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置的结构示意图；

图2为本发明一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置的剖面图；

图3为本发明一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置的俯视图；

图4为本发明一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置中底座的结构示意图；

图5为本发明一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置中底座的仰视图；

图6为本发明一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置中微流控芯片的俯视图；

图7是本发明一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置中微培养箱控制器部分的第一种结构示意图；

图8是本发明一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置中微培养箱控制器部分的第二种结构示意图；

图9是本发明一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置中微培养箱控制器部分的第三种结构示意图；

图10是本发明一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置中微培养箱控制器部分的第四种结构示意图。

图中，1.微培养箱箱体，2.底座，3.光源机构，4.加热模块，5.制冷模块，6.紫外灯，7.小孔，8.微流控芯片，9.蒸发池，10.环境监测模块，11.LED灯，12.微孔，14.小孔连通器，15.导孔，16.图像传感器，17.微流控芯片入口，18.微流控芯片出口，19.梭形通道，20.数据采集器，21.微培养箱控制器，22.数据处理模块，23.数据传输接口，24.推进装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种实时监测细胞生长状态的细胞培养装置，包括底座2，底座2上扣置有微培养箱箱体1，微培养箱箱体1为导热材料，为无透镜成像提供暗室环境，底座2上表面作为微培养箱箱体1内的下底面，微培养箱箱体1顶部设置有光源机构3和紫外灯6，微培养箱箱体1内壁上设置有环境监测模块10，微培养箱箱体1的每一面侧壁均上下设置有加热模块4和制冷模块5，相邻面侧壁的加热模块4和制冷模块5上下位置相反，微培养箱箱体1两相对侧壁上均开设有多个小孔7，每个小孔7处均设置有小孔连通器14，小孔连通器14中具有导孔15连通微培养箱箱体1的内部和外部，底座2上表面中央设置有图像传感器16，图像传感器16依次连接有数据采集器20、数据处理模块22和微培养箱控制器21，底座2上表面靠近边缘处设置有蒸发池9，底座2也设置有加热模块4和制冷模块5，底座2上表面设置有微流控芯片8，图像传感器16位于微流控芯片8正下方，微流控芯片8设置有梭形通道19，梭形通道19一端为入口17，另一端为出口18，环境监测模块10、加热模块4、制冷模块5、光源机构3和紫外灯6均分别与微培养箱控制器21连接。光源机构3用于提供无透镜成像中所需要的具有空间相干性的点光源，光源机构3包括LED灯11，LED灯11外部设置有罩壳，罩壳底部开设有微孔12，微孔12位于LED灯11正下方，微孔12位于微流控芯片8正上方。紫外灯6用于对微培养箱箱体1中的环境进行UV光照杀菌，设置有四个，四个紫外灯分别设置在微培养箱箱体1顶部四角处。

数据采集器20中设置有ASIC芯片或FPGA芯片。

数据处理模块22中设置有ASIC芯片或FPGA芯片，ASIC芯片或FPGA芯片连接有显示屏。

微培养箱控制器21中设置有ASIC芯片或FPGA芯片，ASIC芯片或FPGA芯片连接有显示屏。

加热模块4、制冷模块5、蒸发池9的共同作用是：维持微培养箱箱体1中的温度，维持微流控芯片8与微培养箱底座2的接触温度，蒸发蒸发池9中水维持微培养箱中的湿度。

小孔7、小孔连通器14、导孔15的共同作用是：通入水汽、二氧化碳气体、样品溶液、培养液、药品试剂等，输出废液、废气等，通入无菌纯水至蒸发池9中，维持微培养箱湿度。

环境监测模块10的作用是：监测微培养箱箱体1中的温度、湿度、二氧化碳浓度等环境参数，并将数据传输到微培养箱控制器21。

图像传感器16、数据采集器20、微培养箱控制器21、数据处理模块22的结构形式包括以下四种：如图7所示为第一种，数据处理模块22与微培养箱控制器21连接，微培养箱底座2中图像传感器16与数据采集器20连接，数据处理模块22通过数据传输接口23与PC连接；如图8所示为第二种，微培养箱控制器21设置在数据处理模块22中；如图9所示为第三种，内包含有数据采集器20和微培养箱控制器21均设置在数据处理模块22中；如图10所示为第四种，数据采集器20设置在数据处理模块22中。

本发明一种细胞的培养监测方法，应用本发明的实时监测细胞生长状态的细胞培养装置进行培养监测，具体按照以下步骤实施：

步骤1：将微流控芯片8放置在底座2，并与底座2上表面紧密贴合，调节图像传感器16与微流控芯片8的距离，使图像传感器16能够采集图像，并将微流控芯片8的入口17和出口18分别通过导管连接到小孔连通器14上；

步骤2：采用导管通过小孔连通器14连接到蒸发池9中，将微培养箱箱体1扣置在底座2上，通过微培养箱控制器21打开紫外灯6，对微培养箱箱体1内部、微流控芯片8进行UV光照灭菌；

步骤3：采用推进装置24和导管通过微培养箱箱体1一侧壁上的小孔连通器14向微培养箱箱体1内部通入细胞培养所需的水汽和气体，废液、废气采用导管通过微培养箱箱体1另一侧壁上的小孔连通器14排出，并在微培养箱控制器21上通过其显示屏设置环境参数并运行，通过微培养箱控制器21控制加热模块4、制冷模块5、与导管连接的推进装置24维持微培养箱箱体1内部环境稳定至设定值；

步骤4：将接入样品溶液的导管接入推进装置24上，将准备好的样品溶液推入微流控芯片8，通过微培养箱控制器21打开光源机构3，通过微培养箱控制器21控制图像传感器16，设置采集图像的时间间隔，采集区域，并设置数据采集器20、数据处理模块22中的算法对采集的图像处理，获取细胞的生长状态信息，如对所采集的图像进行传输、图像分割、计数、细胞生长状态判断等；

步骤5：运行细胞培养装置，每隔一段时间自动采集一张图像并做处理，将原图像、处理结果都保存在数据处理模块22，并由其显示屏显示，也可以通过数据处理模块22的数据传输接口23将原图像、处理结果等导入PC进一步处理，实现细胞的实时培养监测。