一种分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置论文和设计-刘冲

全文摘要

本实用新型提供了一种分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置，主要由三个箱体组成，分别是载泵箱、控制箱和培养箱。其中，载泵箱通过可拆卸保温管与培养箱连接，实现培养液进给；控制箱通过压线式插头与培养箱连接，实现环境控制。承载机构为箱体提供支撑结构和保温环境。所述的分体式设计可有效缩小培养箱体积，利于对其进行内部环境的精确控制，便于培养箱与各型号显微观测单元集成。同时，所述的分体式设计可有效避免电控装置处于高湿度等恶劣工作环境中，保证长期动态稳定的培养液进给。该辅助装置为实现基于微流控芯片的细胞动态培养提供了一个新的技术平台，适用于多种尺寸型号的微流控芯片细胞动态培养。

主设计要求

1.一种分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置，其特征在于，所述的分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置包括载泵箱(1)、控制箱(2)、培养箱(3)、显微成像系统(4)、恒流注射泵(5)、紫外消毒柜灯(6)、保温管(7)、热缩管(8)、压线式接头(9)、ITO玻璃(10)和空气过滤器(11)；所述的载泵箱(1)通过可拆卸保温管(7)与培养箱(3)连接，实现培养液进给；载泵箱(1)上面设置有控制箱(2)，控制箱(2)通过热缩管(8)和压线式插头9与培养箱(3)连接，实现环境控制；所述的载泵箱(1)内装有恒流注射泵(5)，恒流注射泵(5)通过推动其上盛有培养液的注射器为微流控芯片提供动态稳定的培养液进给，注射器上裹有硅橡胶加热器，为培养液进行预热，避免于培养箱(3)之间产生温差而形成气泡；所述的载泵箱(1)在顶部装有紫外消毒柜灯(6)，紫外消毒柜灯(6)利用其紫外灭菌功能，保证恒流注射泵(5)上的培养液处于无菌环境；所述的控制箱(2)包括电源、单片机、温湿度显示屏、继电器以及蜂鸣报警器，单片机是控制箱(2)的核心组件，由其接受温湿度传感器反馈的数据，并给出温湿度执行器的控制命令；所述的培养箱(3)为细胞培养提供其所需的环境，温度恒定37℃，温度误差控制在0.5℃以内，相对湿度为95％；培养箱内装有微流控芯片、温湿度传感器和温湿度执行器；所述的显微成像系统(4)由倒置显微镜及其相应的CCD组件构成，将培养箱(3)置于倒置显微镜上，实现对所培养细胞的长时间在线观测；所述的ITO玻璃(10)为采用光刻工艺在其表面形成条状电阻阵列，用导电胶带将条状电阻阵列并联作为培养箱(3)内的温湿度执行器，因ITO玻璃(10)具有良好的透光性，将微流控芯片置于ITO玻璃(10)上既可为其内的细胞提供温度需求，又能方便对其内的细胞进行观察记录；所述的空气过滤器(11)位于培养箱(3)的抽拉式顶盖上，用于过滤空气中的杂质，并进行气体交换，避免培养箱(3)内形成厌氧环境。

设计方案

1.一种分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置，其特征在于，所述的分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置包括载泵箱(1)、控制箱(2)、培养箱(3)、显微成像系统(4)、恒流注射泵(5)、紫外消毒柜灯(6)、保温管(7)、热缩管(8)、压线式接头(9)、ITO玻璃(10)和空气过滤器(11)；

所述的载泵箱(1)通过可拆卸保温管(7)与培养箱(3)连接，实现培养液进给；载泵箱(1)上面设置有控制箱(2)，控制箱(2)通过热缩管(8)和压线式插头9与培养箱(3)连接，实现环境控制；所述的载泵箱(1)内装有恒流注射泵(5)，恒流注射泵(5)通过推动其上盛有培养液的注射器为微流控芯片提供动态稳定的培养液进给，注射器上裹有硅橡胶加热器，为培养液进行预热，避免于培养箱(3)之间产生温差而形成气泡；所述的载泵箱(1)在顶部装有紫外消毒柜灯(6)，紫外消毒柜灯(6)利用其紫外灭菌功能，保证恒流注射泵(5)上的培养液处于无菌环境；

所述的控制箱(2)包括电源、单片机、温湿度显示屏、继电器以及蜂鸣报警器，单片机是控制箱(2)的核心组件，由其接受温湿度传感器反馈的数据，并给出温湿度执行器的控制命令；

所述的培养箱(3)为细胞培养提供其所需的环境，温度恒定37℃，温度误差控制在0.5℃以内，相对湿度为95％；培养箱内装有微流控芯片、温湿度传感器和温湿度执行器；

所述的显微成像系统(4)由倒置显微镜及其相应的CCD组件构成，将培养箱(3)置于倒置显微镜上，实现对所培养细胞的长时间在线观测；

所述的ITO玻璃(10)为采用光刻工艺在其表面形成条状电阻阵列，用导电胶带将条状电阻阵列并联作为培养箱(3)内的温湿度执行器，因ITO玻璃(10)具有良好的透光性，将微流控芯片置于ITO玻璃(10)上既可为其内的细胞提供温度需求，又能方便对其内的细胞进行观察记录；

所述的空气过滤器(11)位于培养箱(3)的抽拉式顶盖上，用于过滤空气中的杂质，并进行气体交换，避免培养箱(3)内形成厌氧环境。

2.根据权利要求1所述的分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置，其特征在于，所述的载泵箱(1)、控制箱(2)和培养箱(3)外部包裹有承载机构，承载机构由可阻挡紫外线的硬质透明塑料和保温膜组成，提供支撑结构和保温环境，有效防止紫外光线泄露，减轻箱体重量。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于微流控芯片及其细胞培养、生物医学等应用技术领域，尤其涉及一种分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置。

背景技术

细胞体外培养是细胞研究的前提，其对于认识生物体、揭示生命活动、药物筛选、诊断疾病等具有重要意义。传统的细胞培养技术是将细胞置于培养皿、培养瓶或培养板等器具中，并将这些器具置于二氧化碳恒温培养箱中进行培养，这种方法很难精确控制细胞的生存环境，与细胞在体微环境相差较大。近年来，随着微流控技术的发展，为细胞体外培养带来了新的思路及实验平台，其通道尺寸与细胞的尺寸在同一量级上，再配合微泵、微阀使用，可以在空间和时间上实现对流体的精确控制，既能有效模拟细胞在体微环境，又能节省细胞和试剂的消耗，已被广泛用于环境化学、生物医学、生命科学、医药学等领域。

目前，已有的基于微流控芯片的细胞培养仍存在一定局限性。其芯片主体仍需要置于二氧化碳恒温培养箱中培养，而为实现细胞动态培养所需外接的恒流注射泵由于体积以及工作湿度环境的限制，只能将其置于培养箱外部通过硅胶软管与芯片主体相连。在这种情况下，一方面恒流注射泵上的培养液所处环境并非无菌环境，易污染；另一方面培养液处于室温中，与培养箱内会产生温差，易产生气泡，这些都会影响细胞的生长状态。此外，由于芯片主体仍在培养箱中，每次观察时，需将芯片取出置于显微镜上，这会使染菌的概率极大增加，频繁的人工操作也增加了实验可重复性的难度。现有的基于微流控芯片的自动化培养装置大多体积庞大、价格昂贵；而高度集成的微流控芯片往往通用性差，且多为一次性用品，导致实验成本过高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述局限性，设计了一种分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置，其功能单元包括承载机构、培养液进给单元、系统环境控制单元、细胞培养单元和实时观测单元。该装置采用分体式设计，由三个箱体组成，分别是载泵箱、控制箱和培养箱。既保证了微量注射部分处于无菌环境且为其配置了预热装置，避免了温差的产生；又便于培养箱与各型号显微观测单元集成实现实时观测功能，不需要频繁的人工接触芯片，可有效降低污染几率。

本实用新型的技术方案：

一种分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置，包括载泵箱1、控制箱2、培养箱3、显微成像系统4、恒流注射泵5、紫外消毒柜灯6、保温管7、热缩管8、压线式接头9、ITO玻璃10和空气过滤器11；

所述的载泵箱1通过可拆卸保温管7与培养箱3连接，实现培养液进给；载泵箱1上面设置有控制箱2，控制箱2通过热缩管8和压线式插头9与培养箱3连接，实现环境控制；所述的载泵箱1内装有恒流注射泵5，恒流注射泵5通过推动其上盛有培养液的注射器为微流控芯片提供动态稳定的培养液进给，注射器上裹有硅橡胶加热器，为培养液进行预热，避免于培养箱3之间产生温差，从而形成气泡；所述的载泵箱1在顶部装有紫外消毒柜灯6，紫外消毒柜灯6利用其紫外灭菌功能，保证恒流注射泵5上的培养液处于无菌环境；

所述的控制箱2包括电源、单片机、温湿度显示屏、继电器以及蜂鸣报警器，单片机是控制箱2的核心组件，由其接受温湿度传感器反馈的数据，并给出温湿度执行器的控制命令；

所述的培养箱3为细胞培养提供其所需的环境，温度恒定37℃，温度误差控制在0.5℃以内，相对湿度为95％；培养箱内装有微流控芯片、温湿度传感器和温湿度执行器；

所述的显微成像系统4由倒置显微镜及其相应的CCD组件构成，将培养箱3置于倒置显微镜上，实现对所培养细胞的长时间在线观测；

所述的ITO玻璃10为采用光刻工艺在其表面形成条状电阻阵列，用导电胶带将条状电阻阵列并联作为培养箱3内的温湿度执行器，因ITO玻璃10具有良好的透光性，将微流控芯片置于ITO玻璃10上既可为其内的细胞提供温度需求，又能方便对其内的细胞进行观察记录；

所述的空气过滤器11位于培养箱3的抽拉式顶盖上，用于过滤空气中的杂质，并进行一定的气体交换，避免培养箱3内形成厌氧环境；

所述的载泵箱、控制箱和培养箱外部包裹有承载机构，承载机构由可阻挡紫外线的硬质透明塑料和保温膜组成，提供支撑结构和保温环境，有效防止紫外光线泄露，减轻箱体重量。

本实用新型的有益效果：本实用新型的分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置可有效缩小培养箱体积，利于对其进行内部环境的精确控制，便于培养箱与各型号显微观测单元集成。同时，所述的分体式设计可有效避免电控装置处于高湿度等恶劣工作环境中，保证长期动态稳定的培养液进给。该辅助装置为实现基于微流控芯片的细胞动态培养提供了一个新的技术平台，适用于多种尺寸型号的微流控芯片细胞动态培养。

附图说明

图1是本实用新型中培养辅助装置的结构示意图。

图中：1载泵箱；2控制箱；3培养箱；4显微成像系统；5恒流注射泵；6紫外消毒柜灯；7保温管；8热缩管；9压线式接头；10ITO玻璃；11空气过滤器。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，一种分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置，包括载泵箱1、控制箱2、培养箱3、显微成像系统4、恒流注射泵5、紫外消毒柜灯6、保温管7、热缩管8、压线式接头9、ITO玻璃10和空气过滤器11；

所述的载泵箱1的主要作用是为细胞培养提供动态稳定的培养液进给，既要保证培养液处于无菌环境，避免细胞污染，又要对培养液进行加热保温，降低因内外温差存在而产生气泡的几率。箱体的结构尺寸主要由恒流注射泵5的体积决定，根据实验室常用的两种注射泵类型NE-1000和LSP04-1A，其体积大小分别为：长30cm，宽15cm，高15cm(30cm×15cm×15cm)和长35cm，宽20cm，高15cm(35cm×25cm×15cm)。再考虑方便操作，预留出一定操作空间，本实施例中，其具体尺寸为：长45cm，宽30cm，高30cm(45cm×30cm×30cm)。

所述的控制箱2主要作用是接受温湿度传感器反馈的数据，并给出温湿度执行器的控制命令，保证细胞培养所需的温湿度环境。箱体的结构尺寸主要由所装载的各组件体积决定，本实施例中，其具体尺寸为：长45cm，宽30cm，高8cm(45cm×30cm×8cm)。所述的控制箱2包括电源、单片机、温湿度显示屏、继电器以及蜂鸣报警器，单片机是控制箱2的核心组件，由其接受温湿度传感器反馈的数据，并给出温湿度执行器的控制命令；

所述的培养箱3为细胞培养提供其所需的环境，温度恒定37℃，温度误差控制在0.5℃以内，相对湿度为95％；培养箱3内装有微流控芯片、温湿度传感器和温湿度执行器；因要观测细胞的生长情况，需与实时观测单元集成，故箱体的结构尺寸由内部配件尺寸及显微镜型号决定，本实施例中，其具体尺寸为：长20cm，宽15cm，高5cm(20cm×15cm×5cm)。

为保证无菌环境，培养箱3处于密闭状态，没有空气流动，难以形成热对流，对整个箱体全部实现恒温加热控制，难度较大。为保证芯片内的温度条件，故采用接触式热传导的方式加热，即将芯片直接置于加热器上，但常见的加热器基本上不透明，这就为细胞观察带来困难。本实用新型以ITO玻璃10为温度执行器的基本材料，其平整度良好，膜厚通常为几百纳米，在320℃的温度下依旧具有良好的热稳定性。另外，ITO玻璃10的透光率高达80％，不会影响显微镜对焦及观察，便于利用显微镜进行实时观测。利用光刻工艺刻蚀导电层，形成条状电阻阵列，利用电阻的热效应，可实现对微流控芯片的均匀加热。本实施例中，ITO玻璃10的整体尺寸为10cm×10cm，方阻为14欧，利用光刻工艺制得23条分布均匀长90mm，宽2mm的电阻条，利用导电胶带将其并联，并加以12V的额定电压，经计算其发热功率可达5.3W，经测试，在加热器工作10min后，芯片温度可达37℃。

所述的显微成像系统4由倒置显微镜及其相应的CCD组件构成，将培养箱3置于倒置显微镜上，实现对所培养细胞的长时间在线观测；

所述的空气过滤器11位于培养箱3的抽拉式顶盖上，用于过滤空气中的杂质，并进行一定的气体交换，避免培养箱3内形成厌氧环境；

承载机构所使用的硬质塑料大部分采用5mm厚的PMMA板，其无色透明、透光性良好、有较好的机械强度、成型工艺成熟且可以有效避免紫外线对人体造成伤害。只有培养箱的底板，要保证焦距问题，不影响观察的清晰度，故采用1mm厚的PMMA板。承载机构所使用的保温膜为20mm厚的保温隔热棉。

本实施例中，根据系统要求，温度传感器选用DS18B20数字温度传感器，其体积小、精度高、响应速度快，测量范围从-55℃到+125℃，测量精度为±0.5℃，满足所需温度要求；湿度传感器选用DHT11数字温湿度传感器，其响应速度超快、抗干扰能力强、性价比高。

湿度执行器选用“甜甜圈”型超迷你加湿器，其体积小，满足培养箱的空间需求；控制器选用Arduino Mega2560单片机，该单片机可以直接读取DS18B20温度传感器和DHT11湿度传感器传输的数字信号，运用非常方便；灭菌设备选用飞利浦紫外消毒柜灯；报警装置选择有源蜂鸣器；显示屏选择LCD1602液晶屏。

设计图

一种分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置论文和设计

一种分体式微流控芯片细胞动态培养辅助装置论文和设计-刘冲

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主设计要求

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设计说明书

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