專利名稱：能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置及培養(yǎng)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種細胞培養(yǎng)裝置及方法，尤其是在裝置內培養(yǎng)細胞并對其存活狀態(tài)、信號通路進行分析的可產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置及方法。
背景技術：
磁場分為穩(wěn)恒磁場以及交變磁場。穩(wěn)恒磁場是指由恒定電流產(chǎn)生的大小和方向不隨時間改變的磁場。當線圈通以交變電流時，會產(chǎn)生交變磁場。旋轉磁場是交變磁場的一種特殊形式，它可以通過空間上對稱的三相負載，通以時間上對稱的三相交流電，最終導致磁感應強度矢量在空間上以固定頻率旋轉?，F(xiàn)有的諸多研究指出利用磁場治療腫瘤是一個行之有效的新興發(fā)展方向。穩(wěn)恒磁場、脈沖磁場以及旋轉磁場被相繼證實能夠抑制腫瘤細胞生長。然而，研究人員僅初步驗證了多種磁場的抑瘤效果，并未明確其深入機理。因此，為了探索不同磁場對體外培養(yǎng)的腫瘤細胞存活、分子功能、細胞內信號轉導網(wǎng)絡，以及細胞骨架改建的影響以及應答變化，闡明各類磁場的作用機理，提供實驗依據(jù)，需要提供一種特殊的裝置進行磁場的細胞生物學實驗研究。中國專利CN201975196公開了 “一種三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置，包括產(chǎn)生磁場的線圈和控制裝置”，控制裝置包括電腦以及控制器，線圈由兩兩互相垂直的三對亥姆霍茲線圈組成，在線圈的軸向方向分別對應三維坐標軸中的X軸、Y軸和Z軸，三對亥姆霍茲線圈的中心點為坐標原點。該磁場發(fā)生裝置結構簡單、成本低，能根據(jù)用戶的需要，在設定的大小和任意三維方向上產(chǎn)生交直流磁場，給較多磁傳感器的設計、測試以及應用等場合帶來便利。中國專利CN202047072公開了 “一種細胞靜磁場加載裝置”，屬于醫(yī)學實驗儀器領域，通過鐵硼永磁體和極靴組成磁極，可以對體外培養(yǎng)的細胞進行磁場加載，結合分子生物學檢測技術和其他儀器，能夠觀察不同時間、不同磁場強度的靜磁場對細胞形態(tài)等的影響，探討靜磁場對細胞形態(tài)及功能活性的作用及其機制，為研究靜磁場的細胞生物學效應提供了研究手段。中國專利CN201296757公開了 “一種改進的用于直流電場下觀察細胞生物學行為的裝置”，包括培養(yǎng)觀察組件和固定組件，培養(yǎng)觀察組件包括觀察室和培養(yǎng)基室，培養(yǎng)室為兩個，以上分別與觀察室固定設置為一體；固定組件包括容器和容器蓋，容器蓋上設置固定孔，其內插入立柱，立柱用于在水平或/和垂直方向固定培養(yǎng)觀察組件；該裝置制作簡便，結構穩(wěn)定，可重復使用，不但能節(jié)約實驗時間，還可用于觀察不同電場方向對細胞生物學行為的影響。意大利專利MI2005A000693公開了 “一種可產(chǎn)生靜磁場的細胞培養(yǎng)裝置”。該裝置分為兩部分，其中一部分通過計算機控制中心，利用螺線管，產(chǎn)生一種水平靜磁場。系統(tǒng)另外一部分為細胞培養(yǎng)裝置、通過傳感器的設計，反饋裝置的溫度。該項發(fā)明能夠用于觀察靜磁場的細胞生物學效應之中。上述發(fā)明的裝置有各自的局限性，如產(chǎn)生復雜磁場的裝置無法進行細胞培養(yǎng)，而能夠進行細胞培養(yǎng)的裝置卻僅有單一靜磁場。在分析交變磁場、旋轉磁場對細胞的影響時，這些裝置顯得無能為力。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種可以產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置，所產(chǎn)生的磁場包括單一軸向穩(wěn)恒磁場，單一軸向交變磁場，平面旋轉磁場，空間旋轉磁場，并通過數(shù)字控制等手段，對培養(yǎng)裝置內的磁感應強度，磁場頻率，溫度以及CO2濃度能夠控制的能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置。本發(fā)明是通過以下技 術方案實現(xiàn)的能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置，該裝置是一箱體，在箱體側壁設有加熱管30和CO2通入孔，在其對面?zhèn)缺谠O有降溫管32，底面裝有溫度傳感器34和CO2傳感器35，箱體中間裝有線圈31，線圈31包括三組在空間上正交擺放的亥姆霍茲線圈，每組線圈有兩個抽頭，分別與控制電路36連接，用于通入激勵電流，每組線圈的軸向分別定義為X，Y，Z軸，其交點為原點0，在原點位置設有載物臺33，CO2發(fā)生部分29通過管線和箱體側壁孔向培養(yǎng)裝置內通入CO2,計算機I經(jīng)控制電路36分別連接溫度傳感器34、CO2傳感器35、溫度控制部分4和三組正交的亥姆霍茲線圈31，溫度控制部分4分別連接加熱管30和降溫管32構成。計算機I通過串口線與單片機28連接，單片機28通過信號線與IXD液晶8連接，單片機28通過信號線與矩陣鍵盤9連接，單片機通過信號線與E2PROM連接，單片機28通過信號線與溫度控制部分4連接，單片機28通過信號線與CO2發(fā)生部分29連接，單片機28通過控制線與DDS模塊IlO連接，單片機28通過控制線與DDS模塊II12連接，單片機28通過控制線與DDS模塊III13連接，單片機28通過控制線與雙路選擇開關116連接，單片機28通過控制線與雙路選擇開關1117連接，單片機28通過控制線與雙路選擇開關III18連接，單片機28通過控制線與幅度調節(jié)模塊119連接，單片機28通過控制線與幅度調節(jié)模塊1120連接，單片機28通過控制線與幅度調節(jié)模塊III21連接，DDS模塊IlO通過信號線與雙路選擇開關116連接，DDS模塊1112通過信號線與雙路選擇開關II17，DDS模塊III14通過信號線與雙路選擇開關II118連接，直流電壓Ill通過信號線與雙路選擇開關116連接，直流電壓1113通過信號線與雙路選擇開關1117連接，直流電壓III15通過信號線與雙路選擇開關III18連接，雙路選擇開關116通過信號線與幅度調節(jié)模塊119連接，雙路選擇開關1117通過信號線與幅度調節(jié)模塊1120連接，雙路選擇開關III18通過信號線與幅度調節(jié)模塊III21連接，幅度調節(jié)模塊119通過信號線與功率放大模塊122連接，幅度調節(jié)模塊1120通過信號線與功率放大模塊1123連接，幅度調節(jié)模塊III21通過信號線與功率放大模塊III24連接，功率放大模塊122通過信號線與亥姆霍茲線圈X25連接，功率放大模塊1123通過信號線與亥姆霍茲線圈Y26連接，功率放大模塊III24通過信號線與亥姆霍茲線圈Z27連接構成。能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置的細胞培養(yǎng)方法，包括以下順序和步驟a、將細胞放在三組正交的亥姆霍茲線圈31中心處的載物臺33上，開啟計算機1，開啟溫度控制部分4，開啟CO2發(fā)生部分29，開啟控制電路36 ；b設定當前磁場各軸向的磁感應強度為0. I 2mT，磁場發(fā)生頻率為0. I lOOOhz，每種方式的工作時間為10分鐘-72小時，培養(yǎng)箱內CO2的百分濃度為5%，培養(yǎng)箱內溫度為37°C ；C、依次設定完成后，裝置自動運行；當設定的參數(shù)運行完成后，裝置自動停止運行。選擇當前磁場工作模式，即當前為單一軸向穩(wěn)恒磁場、單一軸向交變磁場，平面旋轉磁場還是空間旋轉磁場，單一軸向穩(wěn)恒磁場是通過給3組亥姆赫茲線圈均通以恒定電流時，在空間中疊加出的一個任意方向的磁場；單一軸向交變磁場是通過給某一組線圈通以交變電流，在這一線圈所在軸向上產(chǎn)生的一個交變磁場；平面旋轉磁場是通過給任意兩組線圈通入交變電流，并且相位差為90°，在此兩組線圈磁場所在平面產(chǎn)生的磁場；空間旋轉磁場是通過給三組線圈全部通以交變電流，并且其中某兩組相位差為90°，在中心區(qū)域產(chǎn)生的磁場。有益效果本發(fā)明能夠產(chǎn)生穩(wěn)恒、交變、平面以及空間旋轉磁場，通過計算機控制，實現(xiàn)對場強大小、磁場頻率、作用時間可調，彌補了傳統(tǒng)裝置只能產(chǎn)生單一磁場的局限，為探索不同磁場對體外培養(yǎng)的腫瘤細胞存活、分子功能、細胞內信號轉導網(wǎng)絡，以及細胞骨架 改建的影響以及應答變化，闡明各類磁場的作用機理，為細胞存活、分子功能、細胞內信號轉導提供一種可靠的裝備和方法。


圖I能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置結構圖；圖2為附圖I中控制電路36的結構框圖；圖3為附圖I中溫度控制部分4的結構框圖；圖4為附圖I中CO2發(fā)生部分29的結構框圖；圖5為附圖I中三組正交的亥姆赫茲線圈31的結構圖；圖6能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置平面旋轉磁場圖；圖7能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置空間旋轉磁場圖。I計算機，2大功率電源模塊，3異步通信接口，4溫度控制部分，5E2PR0M，6顯示接口，7矩陣鍵盤接口，8IXD液晶，9矩陣鍵盤，10DDS模塊I，11直流電壓I，12DDS模塊II，13直流電壓II，14DDS模塊III，15直流電壓III，16雙路選擇開關I，17雙路選擇開關II，18雙路選擇開關III，19幅度調節(jié)模塊I，20幅度調節(jié)模塊II，21幅度調節(jié)模塊III，22功率放大模塊I，23功率放大模塊II，24功率放大模塊III，25亥姆赫茲線圈X，26亥姆赫茲線圈Y，27亥姆赫茲線圈Z，28MSP430單片機，29C02發(fā)生部分，30加熱管，31三組正交的亥姆赫茲線圈，32降溫管，33載物臺，34溫度傳感器，35C02傳感器，36控制電路37雙路選擇，38冷卻裝置，39水泵，40C02發(fā)生器，41CO2閥門。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例作進一步詳細說明如圖I所示，該裝置是一箱體，在箱體側壁設有加熱管30和CO2通入孔，在其對面?zhèn)缺谠O有降溫管32，底面裝有溫度傳感器34和CO2傳感器35，箱體中間裝有線圈31，線圈31包括三組在空間上正交擺放的亥姆霍茲線圈，每組線圈有兩個抽頭，分別與控制電路36連接，用于通入激勵電流，每組線圈的軸向分別定義為X，Y，Z軸，其交點為原點0，在原點位置設有載物臺33，CO2發(fā)生部分29通過管線和箱體側壁孔向培養(yǎng)裝置內通入CO2，計算機I經(jīng)控制電路36分別連接溫度傳感器34、CO2傳感器35、溫度控制部分4和三組正交的亥姆霍茲線圈31，溫度控制部分4分別連接加熱管30和降溫管32構成。如圖2所示，通過計算機I對系統(tǒng)的運行狀態(tài)及工作模式進行控制；通過控制電路36，產(chǎn)生三組亥姆霍茲線圈31的激勵信號，從而得到用戶需要的磁場；通過溫度控制電路4，使培養(yǎng)箱內溫度基本維持恒定；通過CO2發(fā)生器29，給培養(yǎng)箱提供濃度為5%的CO2,為細胞存活提供有利條件?？僧a(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置，按以下方法步驟工作計算機I通過串口線與單片機28連接，以115200的波特率傳輸對系統(tǒng)的控制指令，使系統(tǒng)按照設定的參數(shù)工作；單片機28通過信號線與LCD液晶8連接，實時顯示系統(tǒng)當前工作狀態(tài)；單片機28通過信號線與矩陣鍵盤9連接，方便用戶對單片機系統(tǒng)進行控制；單片機通過信號線與E2PROM連接，實時的記錄系統(tǒng)的工作狀態(tài)，方便日后實驗分析。
單片機28通過信號線與溫度控制部分4連接，通過一片DS18B20溫度傳感器34測量培養(yǎng)箱內的溫度，并與設定值進行比較后，控制開啟加熱管或降溫管對培養(yǎng)箱內溫度進行升溫操作或降溫操作；單片機28通過信號線與CO2發(fā)生部分29連接，通過CO2傳感器35，實時的檢測培養(yǎng)箱內CO2的濃度，并與設定的CO2濃度值進行比較，通過控制CO2發(fā)生部分29中的CO2閥門41實現(xiàn)對培養(yǎng)箱內的CO2濃度控制。用于產(chǎn)生交變磁場的DDS模塊是由以TI公司的AD9850為核心器件,在相應的外圍電路配合下實現(xiàn)的，可通過單片機28對其進行頻率，相位的設置，并通過計算機I通過串口線對單片機28進行指令的傳輸；直流電壓模塊是通過電阻分壓夠成，目的是產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場在發(fā)生過程中所需要的直流電壓；雙路選擇開關由單片機28進行控制，以實現(xiàn)各軸向磁場工作狀態(tài)的選擇。幅度調節(jié)模塊是由數(shù)字電位器AD5207構成的，通過單片機28對其輸出控制信號，實現(xiàn)對幅度調節(jié)模塊輸入信號的分壓，從而調整磁感應強度的大小。功率放大模塊是對激勵信號進行功率放大的，使放大后的信號足以驅動亥姆霍茲線圈產(chǎn)生需要的磁場，功率放大模塊的輸入端與雙路選擇開關相連接，輸出端直接連接亥姆霍茲線圈。亥姆霍茲線圈x25，亥姆霍茲線圈y26，亥姆霍茲線圈z27通過在空間中的正交擺放方式，并在驅動信號的驅動下，可在空間中疊加出單一方向穩(wěn)恒磁場、單一方向交變磁場、平面旋轉磁場以及空間旋轉磁場的產(chǎn)生；a.單一軸向穩(wěn)恒磁場的產(chǎn)生當3組亥姆赫茲線圈均工作在穩(wěn)恒磁場模式時，可在空間中疊加出一個任意方向的磁場。b.單一軸向交變磁場的產(chǎn)生當給某一組線圈通以交變電流時，可在這一線圈所在軸向上產(chǎn)生一個交變磁場。c.平面旋轉磁場的產(chǎn)生當給任意兩組線圈通入交變電流，并且相位差為90°時，可在此兩組線圈磁場所在平面產(chǎn)生平面旋轉磁場。例如，在XOY平面產(chǎn)生旋轉磁場，則Bx = Bx0^Sin (wt)By = Byc^Sin (wt+90。)總磁感應強度矢量為h’i + By.)
當Bxtl = By。= B。時，總磁感應強度模值為
權利要求
1.一種能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置，其特征在于，該裝置是一箱體，在箱體側壁設有加熱管(30)和CO2通入孔，在其對面?zhèn)缺谠O有降溫管(32)，底面裝有溫度傳感器(34)和CO2傳感器(35)，箱體中間裝有線圈(31)，線圈(31)包括三組在空間上正交擺放的亥姆霍茲線圈，每組線圈有兩個抽頭，分別與控制電路(36)連接，用于通入激勵電流，每組線圈的軸向分別定義為X，Y，Z軸，其交點為原點0，在原點位置設有載物臺(33)，CO2發(fā)生部分(29)通過管線和箱體側壁孔向培養(yǎng)裝置內通入CO2，計算機⑴經(jīng)控制電路(36)分別連接溫度傳感器(34)、C02傳感器(35)、溫度控制部分(4)和三組正交的亥姆霍茲線圈(31)，溫度控制部分(4)分別連接加熱管(30)和降溫管(32)構成。
2.根據(jù)權利要求I所述的能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置，其特征在于，控制電路(36)是由計算機(I)通過串口線與單片機(28)連接，單片機(28)通過信號線分別與LCD液晶(8)，矩陣鍵盤(9)，E2PROM(5)，恒溫控制部分(4)和CO2發(fā)生部分(29)連接；單片機 (28)通過控制線與DDS模塊I(10)，DDS模塊II (12)，DDS模塊III (14)連接；單片機(28)通過控制線與雙路選擇開關I (16)，雙路選擇開關II (17)，雙路選擇開關III (18)連接；單片機(28)通過控制線與幅度調節(jié)模塊I (19)，幅度調節(jié)模塊II (20)，幅度調節(jié)模塊III (21)連接；DDS模塊I (10)和直流電壓I (11)分別通過信號線依次經(jīng)雙路選擇開關I (16)、幅度調節(jié)模塊I (19)、功率放大模塊I (22)與亥姆霍茲線圈X (25)連接；DDS模塊II (12)和直流電壓II (13)分別通過信號線依次經(jīng)雙路選擇開關II (17)、幅度調節(jié)模塊II (20)、功率放大模塊II (23)與亥姆霍茲線圈Y(26)連接_5模塊111(14)和直流電壓III (15)分別通過信號線依次經(jīng)雙路選擇開關III (18)、幅度調節(jié)模塊III (21)、功率放大模塊III (24)與亥姆霍茲線圈Z(27)連接構成。
3.根據(jù)權利要求I所述的能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置，其特征在于，恒溫控制器(4)是由加熱管(30)通過管線依次經(jīng)雙路選擇(37)、冷卻裝置(38)、水泵(39)、降溫管(32)與冷卻裝置(38)連接構成。
4.根據(jù)權利要求I所述的能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置，其特征在于，CO2發(fā)生部分(29)是由CO2發(fā)生器(40)通過閥門(41)與細胞培養(yǎng)裝置連接，CO2傳感器(35)通過單片機(28)與閥門(41)連接構成。
5.一種能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置的細胞培養(yǎng)方法，其特征在于，按以下順序和步驟工作 a.將細胞放在三組正交的亥姆霍茲線圈31中心處的載物臺(33)上，開啟計算機(1)，開啟溫度控制部分(4)，開啟CO2發(fā)生部分(29)，開啟控制電路(36)； b設定當前磁場各軸向的磁感應強度為0. I 2mT，磁場發(fā)生頻率為0. I lOOOhz，每種方式的工作時間為10分鐘-72小時，培養(yǎng)箱內CO2的百分濃度為5%，培養(yǎng)箱內溫度為·37 0C ； c、依次設定完成后，裝置自動運行；當設定的參數(shù)運行完成后，裝置自動停止運行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能產(chǎn)生多種磁場的細胞培養(yǎng)裝置。通過三組正交亥姆霍茲線圈的設計，及其不同激勵方式，能夠產(chǎn)生單一軸向穩(wěn)恒磁場、單一軸向交變磁場、平面旋轉磁場以及空間旋轉磁場。同時，通過數(shù)字控制等手段，能夠實現(xiàn)裝置內磁感應強度，磁場頻率，溫度以及CO2濃度控制，滿足細胞生長存活條件?？梢援a(chǎn)生穩(wěn)恒、交變、平面以及空間旋轉磁場，通過計算機控制，實現(xiàn)對場強大小、磁場頻率、作用時間可調，彌補了傳統(tǒng)裝置能產(chǎn)生單一磁場的局限，為探索不同磁場對體外培養(yǎng)的腫瘤細胞存活、分子功能、細胞內信號轉導網(wǎng)絡，以及細胞骨架改建的影響以及應答變化，闡明各類磁場的作用機理，提供一種可靠的裝備和方法。
文檔編號C12M1/38GK102653719SQ20121013112
公開日2012年9月5日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權日2012年4月28日
發(fā)明者史文龍, 林婷婷 申請人:吉林大學