本發(fā)明涉及細胞生物學(xué)、組織工程與生物材料及生物技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于細胞三維培養(yǎng)的自動化發(fā)生裝置。

背景技術(shù)：

眾所周知細胞三維培養(yǎng)技術(shù)相對于傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)存在著諸多的優(yōu)勢，研究人員從代謝組學(xué)、蛋白表達、核酸水平上都證實了這一結(jié)論，但在組織工程、生物材料及細胞生物學(xué)等生物技術(shù)領(lǐng)域，常使用細胞的三維培養(yǎng)技術(shù)，而生物學(xué)研究人員常由于缺乏生物材料方面的知識仍采用傳統(tǒng)的二維細胞培養(yǎng)模型進行研究，或者借助于市場上的水凝膠等簡單的三維細胞培養(yǎng)產(chǎn)品進行，不僅價格昂貴還存在諸多弊端。

因此組織工程和生物材料研究者采用價格便宜生物相容性較好具有諸多優(yōu)勢的海藻酸鹽基水凝膠進行三維培養(yǎng)，但往往缺乏專業(yè)的工具，三維培養(yǎng)支架的尺度過大造成三維支架中心的細胞和支架邊沿的細胞由于傳質(zhì)不均勻因素造成研究模型的不科學(xué)。

發(fā)現(xiàn)問題后先進的研究團隊開始自行搭建三維培養(yǎng)發(fā)生裝置，但往往由于缺乏專業(yè)知識，裝置的搭建采用半自動開放式拼湊，費時費力，而且涉及高壓電源，具有一定的危險性。因此有必要研發(fā)一種安全的自動化的三維培養(yǎng)發(fā)生裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優(yōu)點。

本發(fā)明還有一個目的是提供一種安全可靠、高效便捷、可滿足不同領(lǐng)域研究人員的細胞三維培養(yǎng)自動發(fā)生裝置。

為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種細胞三維培養(yǎng)自動化發(fā)生裝置，包括：

機殼，其內(nèi)隔離設(shè)置有工作室和貯藏室，所述機殼上端設(shè)置有觸控屏，所述貯藏室中設(shè)置有可編程的高壓電源；

負極板，其設(shè)置在所述工作室的底部，承載鹽溶液的培養(yǎng)皿放置在所述負極板上；

第一機械臂，其縱向設(shè)置在所述工作室的側(cè)壁上，所述第一機械臂的活動端上絕緣設(shè)置有針卡，所述針卡中安裝有注射針頭；以及

第二機械臂，其橫向設(shè)置在所述工作室上端的所述貯藏室中，所述第二機械臂前側(cè)設(shè)置有卡槽板，所述卡槽板上設(shè)置有承載有生物材料和細胞的注射器，所述注射器的推進端與所述第二機械臂的活動端接觸，所述注射器通過導(dǎo)管與所述注射針頭連接；

其中，所述針卡與所述高壓電源導(dǎo)電連接，所述第一機械臂、第二機械臂以及高壓電源受所述觸控屏控制。

優(yōu)選的，所述貯藏室內(nèi)設(shè)置有開關(guān)電源、單片機以及電機驅(qū)動器，所述觸控屏、電機驅(qū)動器、第一機械臂、第二機械臂以及高壓電源分別與所述單片機連接，所述開關(guān)電源分別與所述電機驅(qū)動器、單片機、觸控屏連接。

優(yōu)選的，所述機殼上端設(shè)置有斜面，所述觸控屏設(shè)置在所述斜面上，所述機殼的前門由透明絕緣材料制成，所述前門的內(nèi)側(cè)壁上橫向設(shè)置一導(dǎo)電的支持板，當(dāng)前門關(guān)閉后，所述支持板位于所述負極板上端，所述支持板上表面帶有不同尺寸的培養(yǎng)皿凹槽，所述培養(yǎng)皿放置在所述支持板上。

優(yōu)選的，所述負極板通過一絕緣板設(shè)置在所述工作室底部，所述負極板與地線連接。

優(yōu)選的，所述工作室上端設(shè)置有紫外殺菌燈，所述紫外殺菌燈分別與所述開關(guān)電源和單片機連接。

優(yōu)選的，所述第一機械臂包括：

第一導(dǎo)軌支架，其縱向設(shè)置在所述工作室側(cè)壁上，所述第一導(dǎo)軌支架上縱向設(shè)置有第一螺桿；

第一電機，其設(shè)置在所述第一導(dǎo)軌支架的上端，所述第一電機與所述電機驅(qū)動器電連接，所述第一電機的輸出軸與所述第一螺桿連接；以及

懸臂支架，其螺紋套設(shè)在所述第一螺桿上，所述懸臂支架通過第一滑塊設(shè)置在所述第一導(dǎo)軌支架的導(dǎo)軌上。

優(yōu)選的，所述針卡通過一絕緣片橫向連接在所述懸臂支架上，所述針卡上設(shè)置有一旋緊機構(gòu)，所述注射針頭通過所述旋緊機構(gòu)固定在所述針卡上。

優(yōu)選的，所述第二機械臂包括：

第二導(dǎo)軌支架，其橫向設(shè)置在所述第一機械臂上端，所述第二導(dǎo)軌支架上橫向設(shè)置有第二螺桿；

第二電機，其設(shè)置在所述第二導(dǎo)軌支架一側(cè)，所述第二電機與所述電機驅(qū)動器電連接，所述第二電機的輸出軸與所述第二螺桿連接；以及

推動板，其螺紋套設(shè)在所述第二螺桿上，所述推動板通過第二滑塊設(shè)置在所述第二導(dǎo)軌支架的導(dǎo)軌上。

優(yōu)選的，所述卡槽板上橫向開設(shè)有一弧形凹槽，所述弧形凹槽的一端縱向設(shè)置有一卡槽，所述注射器針筒設(shè)置在所述弧形凹槽內(nèi)，所述注射器的針筒座卡設(shè)在所述卡槽中，所述注射器的活塞柄抵靠在所述推動板上。

優(yōu)選的，所述弧形凹槽外側(cè)的卡槽板上旋轉(zhuǎn)設(shè)置有一用于將所述針筒固定在所述弧形凹槽內(nèi)的撥片。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：

本發(fā)明提供的用于細胞三維培養(yǎng)自動化發(fā)生裝置，通過單片機控制高壓電源電壓和步進電機實現(xiàn)對高壓靜電場的控制進而控制三維培養(yǎng)生物材料尺度，通過將工作室封閉在隔離空間內(nèi)并在實驗進行前進行程序控制的紫外殺菌進一步確保實驗過程的無菌程度，通過單片機控制步進電機以設(shè)定的速度進行推進，實驗前只需將裝有生物材料和細胞混合液的注射器放置并固定、設(shè)定實驗參數(shù)就可以自動化完成三維培養(yǎng)發(fā)生，實現(xiàn)了自動化培養(yǎng)過程，避免三維培養(yǎng)支架的尺度過大造成三維支架中心的細胞和支架邊沿的細胞由于傳質(zhì)不均勻因素造成研究模型的不科學(xué)，整個實驗過程安全可靠、高效便捷，可滿足不同領(lǐng)域研究人員三維培養(yǎng)的需求，符合生物材料學(xué)和細胞生物學(xué)的發(fā)展方向。

本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述用于細胞三維培養(yǎng)自動發(fā)生裝置的外部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所述用于細胞三維培養(yǎng)自動發(fā)生裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明所述用于細胞三維培養(yǎng)自動發(fā)生裝置的三維培養(yǎng)發(fā)生工作室的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明所述用于細胞三維培養(yǎng)自動發(fā)生裝置的針頭升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明所述用于細胞三維培養(yǎng)自動發(fā)生裝置的注射器推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明所述用于細胞三維培養(yǎng)自動發(fā)生裝置的負極分層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：01觸控屏；02第二電機；03第一導(dǎo)軌支架；04培養(yǎng)皿；05底座腳；06高壓電源；07開關(guān)電源；08單片機；09紫外殺菌燈；10電機驅(qū)動器；11電源開關(guān)；12撥片；13懸臂支架；14支持板；15絕緣板；16注射針頭；17卡槽板；18推動板；19儀器上蓋板；20第一導(dǎo)軌；21第一螺桿；22絕緣片；23注射針頭固定栓；24針卡；25負極板；26側(cè)壁板；27拉手；28透明前門；29第一電機；30第二導(dǎo)軌支架；31第二導(dǎo)軌；32第二螺桿。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。

實施例一

如圖1-6所示，本發(fā)明提供一種細胞三維培養(yǎng)自動化發(fā)生裝置，包括內(nèi)部隔離設(shè)置有工作室和貯藏室的機殼，機殼由儀器上蓋板19、側(cè)壁板26、后面板、底板以及前門28構(gòu)成，底板下端通過底座腳05支撐，前門上設(shè)置有拉手27，所述儀器上蓋板19設(shè)置有斜面，具體的，儀器上蓋板19成折線狀，所帶斜面處帶有觸摸屏01放置的槽，方便觸摸顯示屏放置，復(fù)合人體工程學(xué)，觸控屏01設(shè)置在斜面上的槽中，方便觀察操作，機殼的前門28由透明絕緣材料制成，以加強絕緣強度，同時方面操作人員觀察到工作室內(nèi)的實驗情況。

工作室內(nèi)設(shè)置有用于調(diào)節(jié)注射針頭16高度的第一機械臂，工作室上端的貯藏室內(nèi)設(shè)置有用于控制注射器推進速度、位移的第二機械臂，工作室底部設(shè)置有放置培養(yǎng)皿04的負極板25。

貯藏室內(nèi)設(shè)置有開關(guān)電源07、單片機08、電機驅(qū)動器10以及可編程的高壓電源06，觸控屏01、電機驅(qū)動器10、第一機械臂、第二機械臂以及高壓電源06分別與單片機08連接，開關(guān)電源07分別與電機驅(qū)動器10、單片機08、觸控屏01連接，提供電源，機殼前側(cè)設(shè)置有與開關(guān)電源07的電源開關(guān)11，操作時，打開電源開關(guān)11，裝置上電，在觸控屏01上分別對電機驅(qū)動器10、第一機械臂、第二機械臂以及高壓電源06進行控制，以實現(xiàn)自動化操作，為操作者提供便捷。

第一機械臂縱向設(shè)置在側(cè)壁板26內(nèi)側(cè)壁上，第一機械臂包括：第一導(dǎo)軌支架03、第一電機29、懸臂支架13，第一導(dǎo)軌支架03縱向設(shè)置在工作室側(cè)壁上，第一導(dǎo)軌支架03上縱向設(shè)置有第一導(dǎo)軌20和第一螺桿21，第一電機29設(shè)置在第一導(dǎo)軌支架03的上端，第一電機29與電機驅(qū)動器10電連接，單片機08通過電機驅(qū)動器10來控制第一電機29的運行狀態(tài)，第一電機29為步進電機，第一電機29的輸出軸與第一螺桿21連接；懸臂支架13螺紋套設(shè)在第一螺桿21上，懸臂支架13通過第一滑塊設(shè)置在第一導(dǎo)軌20，第一電機29驅(qū)動懸臂支架13在第一導(dǎo)軌20上縱向移動。懸臂支架13上橫向連接有一絕緣片22，絕緣片22末端設(shè)置有針卡24，針卡24上設(shè)置有一注射針頭固定栓23，針卡24中縱向設(shè)置有一鋼制的注射針頭16，注射針頭16通過注射針頭固定栓23固定在針卡24中，針卡24與高壓電源06導(dǎo)電連接，為針卡24及注射針頭16提供高電壓，第一電機29控制注射針頭16與負極板25之間的距離。

第二機械臂橫向設(shè)置在工作室上端的貯藏室中，第二機械臂前側(cè)設(shè)置有卡槽板17，卡槽板17上設(shè)置有承載有生物材料和細胞的注射器，注射器的推進端與第二機械臂的活動端接觸，注射器通過導(dǎo)管與注射針頭連接，第二機械臂將注射器中的細胞推送到帶有高壓的注射針頭16中，進而滴入到培養(yǎng)皿04中進行細胞的三維培養(yǎng)。

第二機械臂包括：第二導(dǎo)軌支架30、第二電機02、推動板18，第二導(dǎo)軌支架30橫向設(shè)置在第一機械臂上端的貯藏室中，第二導(dǎo)軌支架30上橫向設(shè)置有第二導(dǎo)軌31和第二螺桿32；第二電機02設(shè)置在第二導(dǎo)軌支架30一側(cè)，第二電機02與電機驅(qū)動器10電連接，第二電機02為步進電機，單片機08通過電機驅(qū)動器10來控制第二電機02的運行狀態(tài)，第二電機02的輸出軸與第二螺桿32連接；推動板18螺紋套設(shè)在第二螺桿32上，推動板18通過第二滑塊設(shè)置在第二導(dǎo)軌31，第二電機02驅(qū)動推動板18在第二導(dǎo)軌31上左右移動。

卡槽板17上橫向開設(shè)有一弧形凹槽，弧形凹槽的一端縱向設(shè)置有一卡槽，注射器的針筒設(shè)置在弧形凹槽內(nèi)，注射器的針筒座卡設(shè)在所述卡槽中，限制針筒的左右移動，弧形凹槽應(yīng)用于不同型號的針筒，將針筒放置在弧形凹槽中，限制針筒的上下移動，同時在弧形凹槽外側(cè)的卡槽板17上旋轉(zhuǎn)設(shè)置有一用于將針筒固定在弧形凹槽內(nèi)的撥片12，撥片將注射器主體位置固定，撥片后方采用彈簧具有一定的前后移動性，方便不同規(guī)格的注射器放置固定。當(dāng)裝載有生物材料和細胞的注射器針筒放置在弧形凹槽，且把針筒座卡設(shè)在所述卡槽中后，旋轉(zhuǎn)撥片12，將針筒位置鎖定在卡槽板17上，所述注射器的活塞柄抵靠在所述推動板18上，推動板18推動活塞柄移動，以控制注射器的推進速度、位移。

工作時，將承載鹽溶液的培養(yǎng)皿放置在負極板上，注射器通過導(dǎo)管與注射針頭連通，關(guān)閉前門，在觸控屏上設(shè)定實驗的參數(shù)值，具體設(shè)置第二電機的推進速度，運行距離，高壓電源的電壓值，設(shè)置第一電機的初始位置，單片機根據(jù)設(shè)定的參數(shù)值自動調(diào)整高壓電源的電壓值、注射針頭的高度值、注射器的推進速度和位移，然后啟動，第一電機根據(jù)設(shè)定的參數(shù)值以及高壓電源的電壓值，自動調(diào)整懸臂支架連帶注射針頭的上下高度，具體控制注射針頭下端距離負極板的高度以及控制注射針頭下端距離培養(yǎng)皿中鹽溶液液面的高度，協(xié)同控制注射針頭到負極板之間的靜電場場強，可選擇不用尺寸精度的注射器和注射針頭，配合電場的控制來實現(xiàn)不同尺寸三維培養(yǎng)微囊的尺寸及產(chǎn)生速度，同時，第二電機根據(jù)設(shè)定的參數(shù)值以及高壓電源的電壓值，自動調(diào)整承載有生物材料和細胞混合液注射器的推進速度、位移，使得形成的細胞三維支架尺寸滿足需求，避免了現(xiàn)有半自動或手動細胞三維培養(yǎng)裝置培養(yǎng)的三維培養(yǎng)支架的尺度過大造成三維支架中心的細胞和支架邊沿的細胞由于傳質(zhì)不均勻因素造成研究模型的不科學(xué)。本發(fā)明提供的用于細胞三維培養(yǎng)自動發(fā)生裝置，安全可靠、高效便捷，可滿足不同細胞與不同生物材料組合進行微米級三維培養(yǎng)發(fā)生需求，符合生物材料學(xué)和細胞生物學(xué)的發(fā)展方向。

實施例二

在實施例一的基礎(chǔ)上，如圖6所示，在前門的內(nèi)側(cè)壁上橫向設(shè)置一導(dǎo)電的支持板14，當(dāng)前門關(guān)閉后，支持板14正好位于負極板25上端，支持板14上表面帶有不同尺寸的培養(yǎng)皿凹槽，培養(yǎng)皿放置在支持板上，通過開關(guān)門實現(xiàn)培養(yǎng)皿的放置和取出，支持板帶有不同規(guī)格培養(yǎng)皿凹槽，保證培養(yǎng)皿不會滑落。負極板14通過一絕緣板15設(shè)置在工作室底部，以加強絕緣強度，同時負極板25與地線連接，增加安全性。

實施例三

在實施例一的基礎(chǔ)上，如圖2所示，工作室上端設(shè)置有紫外殺菌燈09，紫外殺菌燈分別與開關(guān)電源和單片機連接，開機時，紫外殺菌燈自動進入殺菌程序，減少工作室內(nèi)的污染源，殺菌程序自動結(jié)束，機器進入待工作狀態(tài)，通過控制觸控屏進行自動化的細胞三維培養(yǎng)過程。

細胞三維培養(yǎng)自動化發(fā)生裝置包括：機殼，其內(nèi)部呈中空狀；紫外殺菌燈，置于操作空間內(nèi)，開機后，紫外殺菌燈自動進入殺菌程序，自動結(jié)束，機器進入待工作狀態(tài)；步進電機，本產(chǎn)品設(shè)有兩個步進電機，上方水平放置的第二電機通過編程控制注射器注入速度，豎直放置的第二電機可以調(diào)節(jié)高壓注射針頭懸臂的高度；單片機，寫有控制軟件，可通過觸摸顯示屏輸入高壓電源電壓，步進電機運動位移及速度，協(xié)同形成高壓靜電場，可以控制注射器推進速度，位移。三維培養(yǎng)基于海藻酸鹽基水凝膠進行，復(fù)合的材料包括透明質(zhì)酸，膠原、明膠、殼聚糖、多肽、抗體等。三維培養(yǎng)自動發(fā)生裝置基于高壓靜電場、表面張力和注射泵推動作用下完成微米級水凝膠微球的制備，生物材料和細胞的混合液置于注射器中，并通過步進電機程序控制推進，加到高壓靜電場中進行。

細胞三維培養(yǎng)自動化發(fā)生裝置配有隔離工作室，工作室實驗情況可通過裝置透明前門進行觀察，工作室有自動殺菌功能，盡可能的保證實驗區(qū)的潔凈。

三維培養(yǎng)自動化發(fā)生裝置基于STM32F407系列芯片實現(xiàn)了硬件平臺的嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計，主要包括硬件的電氣控制和交互式的圖形用戶界面兩部分。本產(chǎn)品涉及到的硬件主要有紫外線殺菌燈、步進電機、高壓電源和電容式觸摸液晶顯示屏，通過程序可以控制高壓電源電壓，紫外燈，步進電機協(xié)同進行操作。在設(shè)備啟動的初始設(shè)定時間內(nèi)，會自動開啟和關(guān)閉紫外線燈進行殺菌；在電機的控制方面，通過PWM脈寬調(diào)制來產(chǎn)生步進電機的脈沖信號，控制其脈沖信號的頻率和個數(shù)來精確控制電機的轉(zhuǎn)速和位移；為了抑制共模干擾的影響，高壓電源的通訊方式則采用了能夠平衡發(fā)送和差分接收的RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)，保證了輸出高壓的穩(wěn)定性；在軟件的用戶界面方面，為了實現(xiàn)用戶對于電機的轉(zhuǎn)速、位移以及高壓輸出的控制和讀取，設(shè)計了人性化的交互式用戶界面，用戶可以通過觸摸式液晶顯示屏方便快捷地對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，并能夠?qū)蛻舻脑O(shè)置實時進行響應(yīng)，因此本產(chǎn)品具有較好的實時性。

由上所述，本發(fā)明提供的用于細胞三維培養(yǎng)自動化發(fā)生裝置，通過單片機控制高壓電源電壓和步進電機實現(xiàn)對高壓靜電場的控制進而控制三維培養(yǎng)生物材料尺度，通過將工作室封閉在隔離空間內(nèi)并在實驗進行前進行程序控制的紫外殺菌進一步確保實驗過程的無菌程度，通過單片機控制步進電機以設(shè)定的速度進行推進，實驗前只需將裝有生物材料和細胞混合液的注射器放置并固定、設(shè)定實驗參數(shù)就可以自動化完成三維培養(yǎng)發(fā)生，實現(xiàn)了自動化培養(yǎng)過程，避免三維培養(yǎng)支架的尺度過大造成三維支架中心的細胞和支架邊沿的細胞由于傳質(zhì)不均勻因素造成研究模型的不科學(xué)，整個實驗過程安全可靠、高效便捷，可滿足不同領(lǐng)域研究人員三維培養(yǎng)的需求，符合生物材料學(xué)和細胞生物學(xué)的發(fā)展方向。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。