可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统

技术领域

本发明涉及生物学的监测装置，主要涉及一种可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统。

背景技术

细胞失重模拟效应回转装置是在地面开展失重环境下细胞培养研究的重要基础平台，然而，现有的失重模拟效应回转装置均不具备实时在线监测细胞生长状态的功能，无法捕捉到回转过程中的细胞变化，因而可能丢失重要的隐藏信息。常规的细胞增殖检测手段，如显微镜成像、荧光标记检测、流式细胞术等，或难以实现定量检测，或需要对细胞进行特殊处理，或需要取出细胞终止培养，均无法实现回转过程中的细胞生长实时监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，包括：回转装置本体，用于实现条件可控的细胞持续回转；带有阻抗敏感电极的细胞培养容器，用于为细胞贴壁生长提供载体并传感细胞培养过程中的阻抗变化，所述带有阻抗敏感电极的细胞培养容器设置于回转装置本体内；用于实现细胞阻抗信号的检测、处理与分析的外围检测分析模块，与回转装置本体、细胞培养容器的阻抗敏感电极分别连接。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，所述细胞培养容器包括容纳细胞的全密闭的细胞培养池，所述细胞培养池的底部布置有若干个阻抗敏感电极，阻抗敏感电极与引脚焊盘连接，引脚焊盘与外围检测分析模块的阻抗读取电路连接。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，阻抗敏感电极形状是叉指、环形或圆形。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，阻抗敏感电极直接加工于细胞培养池底面内壁或在玻璃基底上制备后嵌入培养容器底面。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，阻抗敏感电极连接引脚焊盘，引脚焊盘通过焊接或夹持方式引出导线，导线经回转培养装置本体连接到外围检测分析模块的阻抗读取电路上。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，所述的回转装置本体包括支撑端、回转传动结构、转轴连接板块、回转条件控制模块，所述支撑端分立于转轴连接板块的两侧，其上有支撑孔，所述转轴连接板块通过所述支撑端的支撑孔可旋转的安装于所述支撑端上，回转条件控制模块包括安装于支撑端上的电机以及控制组件，所述电机的输出轴与所述转轴连接板块连接，转轴连接板块上安装细胞培养容器，以使细胞培养容器与转轴连接板块同速回转，回转条件控制模块的控制组件用于对转轴连接板块的旋转参数进行设置和调节，回转传动结构包括通过所述支撑孔可旋转地安装于所述支撑端的电连接器，所述电连接器的前端引线与细胞培养容器的引脚焊盘连接，电连接器的后端引线与外围检测分析模块连接。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，外围检测分析模块包括阻抗检测设备和上位机，阻抗检测设备与上位机连接，阻抗检测设备与所述电连接器连接，用于采集细胞阻抗变化，上位机用于处理阻抗检测设备的数据并在上位机的屏幕输出分析结果。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，外围检测分析模块还包括分时顺序选通模块，分时顺序选通模块连接于所述电连接器与阻抗检测设备之间，用于分时顺序选通检测一个或多个阻抗敏感电极的电流或电压。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，阻抗检测设备是商用电阻抗仪、电化学工作站或自主搭建的阻抗采集分析模块，用于对同一轮次中每个电极检测到的电流电压值进行运算处理，根据需求输出对应细胞平均状态或局部区域状态的阻抗-时间曲线。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，阻抗检测设备是自主搭建的阻抗采集分析模块，自主搭建的阻抗采集分析模块包括数据采集芯片、数字锁相放大器、显示屏，数据采集芯片与所述分时顺序选通模块连接。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统面向航天医学实验领域，可实时、无标、高灵敏度地监控细胞生长状态，为地面模拟失重细胞培养实验的客观、准确研究提供监测技术保障。同时，本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，也可用于生物技术、医疗诊断等领域中基于回转器的细胞培养工业及实验研究中的实时细胞生长监控。

附图说明

图1为本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统的细胞培养容器的结构示意图；

图2为本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统的回转装置本体的结构示意图；

图3为本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，包括：带有阻抗敏感电极的细胞培养容器1，用于为细胞贴壁生长提供载体并传感细胞培养过程中的阻抗变化；回转装置本体，用于实现条件可控的细胞持续回转，所述带有阻抗敏感电极的细胞培养容器设置于回转装置本体内；用于实现细胞阻抗信号的检测、处理与分析的外围检测分析模块，与回转装置本体、细胞培养容器的阻抗敏感电极分别连接。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，所述细胞培养容器包括容纳细胞的全密闭的细胞培养池，所述的细胞培养容器1的底部内壁布置有若干个相同或不同的阻抗敏感电极11，阻抗敏感电极与引脚焊盘12连接，引脚焊盘与外围检测分析模块的阻抗读取电路连接。

所述细胞培养容器包括容纳细胞的密闭的细胞培养池，所述细胞培养池的底部布置有若干个阻抗敏感电极，阻抗敏感电极与引脚焊盘连接，引脚焊盘与外围检测分析模块的阻抗读取电路连接。

细胞培养容器是全密闭的，故可用于任何姿态(如静止平放、静止倾斜、持续回转)下的细胞培养。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，阻抗敏感电极形状是叉指、环形或圆形。阻抗敏感电极形状是叉指、环形、圆形或其它检测灵敏度/分辨率满足测试要求的特殊形状。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，阻抗敏感电极直接加工于细胞培养池底面内壁或在玻璃基底上制备后嵌入培养容器底面。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，阻抗敏感电极连接引脚焊盘，引脚焊盘通过焊接或夹持方式引出导线，导线经回转培养装置本体连接到外围检测分析模块的阻抗读取电路上。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，所述的回转装置本体包括支撑端21、回转传动结构、转轴连接板块23、回转条件控制模块24，所述支撑端分立于转轴连接板块的两侧，其上有支撑孔，所述转轴连接板块通过所述支撑端的支撑孔可旋转的安装于所述支撑端上，回转条件控制模块包括安装于支撑端上的电机以及控制组件，所述电机的输出轴与所述转轴连接板块连接，转轴连接板块上安装细胞培养容器，以使细胞培养容器与转轴连接板块同速回转，回转条件控制模块的控制组件用于对转轴连接板块的旋转参数进行设置和调节，回转传动结构包括通过所述支撑孔可旋转地安装于所述支撑端的电连接器25，所述电连接器的前端引线与细胞培养容器的引脚焊盘连接，电连接器的后端引线与外围检测分析模块连接。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，外围检测分析模块包括阻抗检测设备32和上位机33，阻抗检测设备与上位机连接，阻抗检测设备与所述电连接器连接，用于采集细胞阻抗变化，上位机用于处理阻抗检测设备的数据并在上位机的屏幕输出分析结果。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，外围检测分析模块还包括分时顺序选通模块，分时顺序选通模块连接于所述电连接器与阻抗检测设备之间，用于分时顺序选通检测一个或多个阻抗敏感电极的电流或电压。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，阻抗检测设备是商用电阻抗仪、电化学工作站或自主搭建的阻抗采集分析模块，用于对同一轮次中每个电极检测到的电流电压值进行运算处理，根据需求输出对应细胞平均状态或局部区域状态的阻抗-时间曲线。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统，其中，阻抗检测设备是自主搭建的阻抗采集分析模块，自主搭建的阻抗采集分析模块包括数据采集芯片、数字锁相放大器、显示屏，数据采集芯片与所述分时顺序选通模块连接。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统可应用于医学、生命科学和细胞生物学等研究领域，集成了基于电阻抗谱法的检测系统、具备可实时在线监测细胞状态的功能。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统可实现无标记、非侵入、不影响细胞正常生长的在线检测和持续监测。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统主要包括带有阻抗敏感电极的细胞培养容器、回转装置本体和外围检测分析模块三部分。

带有阻抗敏感电极的细胞培养容器为细胞贴壁生长提供载体并传感细胞培养过程中的阻抗变化，回转装置本体实现条件可控的细胞持续回转，外围检测分析模块实现细胞阻抗信号的检测、处理与分析。

所述的细胞培养容器底部内壁按需布置若干个相同或不同的阻抗敏感电极，电极形状可以是叉指、环形、圆形或其它优化形状，电极可直接加工于培养容器底面内壁或在玻璃等易加工基底上制备电极后嵌入培养容器底面，电极带有引脚焊盘，可通过焊接、夹持等方式从引脚焊盘上引出导线，经回转培养装置本体、连接到外围检测分析模块的阻抗读取电路。

所述回转装置本体包括支撑端、回转传动结构、转轴连接板块、回转条件控制模块等。所述的支撑端支撑孔内安装有回转传动结构，其中含有电连接器，可实现回转状态下电信号的可靠传输。所述的转轴连接板块可以是悬臂式或两端支撑式，连接板块上安装细胞培养容器。所述电连接器的前端引线可与细胞培养容器引脚焊盘上的引出导线相连、或直接焊接到引脚焊盘上。所述回转条件控制模块的控制电路可对转速等参数进行设置和调节。

所述外围检测分析模块可通过两种方式实现，一种方式的主要组成包括商用阻抗分析仪、电化学工作站或其它阻抗检测设备和上位机，通过阻抗分析仪采集细胞阻抗变化，数据传输到上位机后通过MATLAB、LabVIEW等软件处理，在上位机屏幕输出分析结果。另一种方式通过数据采集芯片、数字锁相放大器等数据分析模块、显示屏等部组件的搭建，形成集成化的数据检测、分析、显示模块。

采用上述技术方案后，可实时在线监测生长状态的细胞失重模拟效应回转装置系统具备如下显著特征：

在密闭细胞培养容器中集成了阻抗检测电极，可无标记、定量、实时监测地面模拟失重回转状态下的细胞生长状态，突破了前期细胞回转培养过程中无法实时监测生长情况的局限；

通过在细胞培养板地面安置多个电极，根据关注点选择取平均值或局部关注，可在获取培养容器中的细胞生长情况时兼顾客观性与精确性；

通过单独分析每个电极上的细胞阻抗变化、监测细胞在不同区域的生长情况，可及时发现模拟失重培养时细胞的生长异常、为是否需要施加人工干预提供重要的依据和参考。

本发明的可实时在线监测细胞生长状态的失重模拟效应回转装置系统的具体应用实施例如下：

带有阻抗敏感电极的细胞培养容器由溅射了金叉指电极的玻璃基底和细胞培养池主体键合而成，玻璃基底上布置1个或多个金叉指电极(本实施例布置了3个)，每个金电极主要参数为：16对叉指电极，每对叉指电极宽度及间隔均为100μm，叉指长5mm，金层厚200nm，焊盘尺寸2mm×2.5mm；细胞培养池主体(即细胞培养容器)由聚二甲基硅氧烷(PDMS)浇筑成型，壁厚1mm，与玻璃基底接触面的内边缘不覆盖叉指电极对、外边缘不覆盖电极引脚焊盘。通过电连接器(导电滑环)将金电极测到的信号传导至阻抗检测设备，导电滑环路数与叉指电极个数相对应，每个叉指电极的2个焊盘上分别焊接导电滑环的2个通路。阻抗检测设备可以是商用电阻抗仪、电化学工作站或自主搭建阻抗采集分析模块，其根据金叉指电极传导的电流或电压信号，计算出电极上粘附的细胞对应的阻抗值。相关数据经上位机数据处理算法处理后，可获得细胞培养容器基底上不同位置处的细胞增殖情况、或通过取平均值得到细胞培养容器基底上的平均细胞增殖情况。因导电滑环在失重模拟效应回转状态下仍可传输信号，故通过该方法，可对细胞模拟失重效应下的生长状态进行实时在线检测。

工作过程如下：将待接种细胞及灭菌后的密闭细胞培养容器置于超净工作台中，用1ml无菌注射器扎入密闭细胞培养容器的培养池主体与基底键合部份侧壁、并去掉注射器主体，另一个1ml无菌注射器吸取待接种细胞培养悬液通过培养池侧壁注入密闭细胞培养容器，直至池中无气泡后拔下两个1ml注射器；将电连接器靠近转轴连接板块一端引线焊接到叉指电极焊盘后，固定细胞培养容器于回转装置主体的转轴连接板块上；将电连接器另一端引线连接到阻抗检测仪鳄鱼夹，阻抗检测仪数据传输线连接到上位机，根据细胞生长阶段及关注的重点，启动阻抗检测仪工作软件，于固定时间间隔(如30-60min)采集细胞阻抗值，并用上位机对该数值进行实时处理分析。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。