一種基于組織工程液壓生物反應(yīng)器的智能化監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于組織工程液壓生物反應(yīng)器的智能化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電流傳感器模塊、恒電位電路、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理單元及上位機；所述電流傳感器模塊設(shè)置于生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液中；所述電流傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理單元及上位機依次相連；所述數(shù)據(jù)采集與處理單元通過恒電位電路與電流傳感器模塊相連。采用三電極式針狀傳感器實現(xiàn)培養(yǎng)液中氧含量、葡萄糖含量、pH值大小及溫濕度、壓力等反應(yīng)器環(huán)境參數(shù)的準確、快速測定及在線監(jiān)測，恒電位電路使工作電極相對于參比電極的電位保持恒定，保證電化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定進行，并使待測信號經(jīng)工作電極穩(wěn)定輸出；將穩(wěn)定的待測信號輸送到上位機中，實現(xiàn)了生物反應(yīng)器的參數(shù)實時在線監(jiān)測與微環(huán)境的準確預(yù)測。
【專利說明】
一種基于組織工程液壓生物反應(yīng)器的智能化監(jiān)測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于智能儀器和生物醫(yī)學(xué)相結(jié)合的交叉領(lǐng)域，涉及一種基于組織工程液壓生物反應(yīng)器的智能化監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]組織工程(Tissue Engineering)是目前生物醫(yī)學(xué)國際研究中最受關(guān)注的領(lǐng)域之一，屬于人體醫(yī)學(xué)、細胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、材料學(xué)、設(shè)計工程等多學(xué)科交叉領(lǐng)域?；诮M織工程的概念，科學(xué)家目前已初步實現(xiàn)利用種子細胞、生物材料及生長因子等要素設(shè)計和制造人體組織甚至于整個器官。每年有數(shù)以百萬計的人患有各種組織、器官的喪失和功能性障礙，需要各種生物材料包括最新組織工程產(chǎn)品用于修復(fù)損傷以及改善缺陷，需求將不斷快速增長。
[0003]組織工程是在多學(xué)科交叉基礎(chǔ)上，通過細胞生物學(xué)和生物材料的相互融合，在體外或者在體內(nèi)構(gòu)建具有正常結(jié)構(gòu)和功能的特定組織或器官，用來修復(fù)和改善人體受損組織或器官。為了使獲得的組織結(jié)構(gòu)成為修復(fù)人體缺損的種植體，各國開發(fā)了多種組織工程生物反應(yīng)器，目的是為組織提供類似于體內(nèi)的微環(huán)境，促進細胞間的各種傳質(zhì)作用，并控制氧含量、PH值、葡萄糖以及溫濕度、壓力等參數(shù)。目前組織工程反應(yīng)器主要是用于血管、肌腱、皮膚、軟骨、肝臟等組織的體外培養(yǎng)，可以分為機械攪拌式生物反應(yīng)器、氣升式生物反應(yīng)器、膜式生物反應(yīng)器、微載體反應(yīng)器、中空纖維反應(yīng)器、灌注式生物反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)益寺O
[0004]對于培養(yǎng)組織細胞過程中培養(yǎng)液的反應(yīng)進程監(jiān)測與判別問題一直停留在依靠專家經(jīng)驗的階段，這種經(jīng)驗判斷方法無法實現(xiàn)定性、準確檢測與實時數(shù)據(jù)分析，造成培養(yǎng)液浪費，且人為接觸培養(yǎng)液容易造成組織細胞污染，無法從根本上解決生物反應(yīng)器智能化監(jiān)測與無菌化培養(yǎng)的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服目前生物醫(yī)學(xué)上組織細胞培養(yǎng)過程中存在的反應(yīng)進程監(jiān)測與判別問題，提高現(xiàn)有生物反應(yīng)器系統(tǒng)的智能化監(jiān)測程度，本實用新型的目的在于提供一種基于組織工程液壓生物反應(yīng)器的智能化監(jiān)測系統(tǒng)。
[0006]—種基于組織工程液壓生物反應(yīng)器的智能化監(jiān)測系統(tǒng)，包括電流傳感器模塊、恒電位電路、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理單元及上位機；
[0007]所述電流傳感器模塊設(shè)置于生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液中；
[0008]所述電流傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理單元及上位機依次相連；
[0009]所述數(shù)據(jù)采集與處理單元通過恒電位電路與電流傳感器模塊相連。
[0010]所述電流傳感器模塊為三電極針管狀傳感器，直徑為500μπι，包括三層電極，由內(nèi)至外依次為工作電極、對電極及參比電極；
[0011]所述工作電極采用5μηι的Pt絲制作；
[0012]所述對電極采用燒結(jié)玻璃制作，直徑為125μπι;
[0013]所述參比電極采用不銹鋼制作；
[0014]所述工作電極上固化有生物酶。
[0015]生物酶固化在工作電極Pt絲上，傳感器工作時，生物酶與生物反應(yīng)器中培養(yǎng)液接觸，在一定的外加信號刺激下工作電極周圍發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生微弱電流。
[0016]所述參比電極與對電極之間設(shè)置有環(huán)氧樹脂層。
[0017]環(huán)氧樹脂層用于封裝固定。
[0018]所述恒電位電路的電壓輸入端上還設(shè)置有電壓補償模塊。
[0019]還包括設(shè)置在數(shù)據(jù)采集與處理單元和上位機之間的無線傳輸單元。
[0020]所述信號調(diào)理模塊包括DAC轉(zhuǎn)換器、運算放大器、I/V轉(zhuǎn)換模塊及自動選檔電路。
[0021]所述數(shù)據(jù)采集與處理單元為Silicon Lab公司的C8051F064芯片。
[0022]所述自動選檔電路為多路復(fù)用器，型號為Maxim公司的MAX4617。
[0023]所述的運算放大器型號為ADI公司的0P777/AD8608/AD8627。
[0024]所述無線傳輸單元為NI WSN模塊。
[0025]所述的DAC轉(zhuǎn)換芯片型號為ADI公司的nanoDAC系列AD5060。
[0026]所述上位機為LabVIEW虛擬儀器上位機管理平臺。
[0027]采用NI公司的無線傳感模塊由NI WSN-3231測量節(jié)點和NI WSN-9791網(wǎng)關(guān)組成，能實現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測，快速高效而且通信可靠。
[0028]恒電位電路模塊采用三個ADI公司的低功耗精密運算放大器組成，三個運放分別作為信號輸入、電壓跟隨器和電流電壓轉(zhuǎn)換的作用。該電路作為三電極式傳感器的接口電路，能將外部激勵信號準確地施加在參比電極上，實現(xiàn)工作電極相對于參比電極上的電位保持恒定，且能自動調(diào)節(jié)。
[0029]三電極針狀傳感器置于生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液中，M⑶將激勵電壓信號通過DA轉(zhuǎn)換芯片輸出，信號經(jīng)恒電位電路作用在三電極針狀傳感器的參比電極上，趨使生物反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。恒電位電路使工作電極相對于參比電極的電位保持恒定，保證電化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定進行，并使待測信號經(jīng)工作電極穩(wěn)定輸出。待測信號經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換及自動選檔放大電路將微弱電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，再輸入到MCU自帶的ADC能處理的范圍，然后將調(diào)理后的信號送入M⑶進行AD轉(zhuǎn)換并進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)可以經(jīng)外部存儲器進行存儲，也可以經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至上位機進行后續(xù)處理及分析。
[0030]有益效果
[0031]本實用新型提供了一種基于組織工程液壓生物反應(yīng)器的智能化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電流傳感器模塊、恒電位電路、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理單元及上位機;所述電流傳感器模塊設(shè)置于生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液中；所述電流傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理單元及上位機依次相連;所述數(shù)據(jù)采集與處理單元通過恒電位電路與電流傳感器模塊相連。采用三電極式針狀傳感器實現(xiàn)培養(yǎng)液中氧含量、葡萄糖含量、PH值大小及溫濕度、壓力等反應(yīng)器環(huán)境參數(shù)的準確、快速測定及在線監(jiān)測，恒電位電路使工作電極相對于參比電極的電位保持恒定，保證電化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定進行，并使待測信號經(jīng)工作電極穩(wěn)定輸出；將穩(wěn)定的待測信號輸送到上位機中，實現(xiàn)了生物反應(yīng)器的參數(shù)實時在線監(jiān)測與微環(huán)境的準確預(yù)測。
【附圖說明】
[0032]圖1是本實用新型的檢測系統(tǒng)原理框圖；
[0033]圖2為本實用新型中的三電極針管狀傳感器剖面示意圖；
[0034]圖3為本實用新型中采用的恒電位電路示意圖；
[0035]標號說明:1_燒結(jié)玻璃，2_5μπι鉑絲，3-生物酶，4-環(huán)氧樹脂，5-不銹鋼。
【具體實施方式】
[0036]下面將結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步的說明。
[0037]如圖1所示，一種基于組織工程液壓生物反應(yīng)器的智能化監(jiān)測系統(tǒng)，包括電流傳感器模塊、恒電位電路、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理單元及上位機；
[0038]所述電流傳感器模塊設(shè)置于生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液中；
[0039]所述電流傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理單元及上位機依次相連；
[0040]所述數(shù)據(jù)采集與處理單元通過恒電位電路與電流傳感器模塊相連。
[0041 ]如圖2所示，所述電流傳感器模塊為三電極針管狀傳感器，直徑為500μπι，包括三層電極，由內(nèi)至外依次為工作電極、對電極及參比電極；
[0042]所述工作電極采用5μηι的Pt絲2制作；
[0043 ]所述對電極采用燒結(jié)玻璃I制作，直徑為125μπι;
[0044]所述參比電極采用不銹鋼5制作；
[0045]所述工作電極上固化有生物酶3。
[0046]生物酶固化在工作電極Pt絲上，傳感器工作時，生物酶與生物反應(yīng)器中培養(yǎng)液接觸，在一定的外加信號刺激下工作電極周圍發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生微弱電流。
[0047]所述參比電極與對電極之間設(shè)置有環(huán)氧樹脂4層。
[0048]環(huán)氧樹脂層用于封裝固定。
[0049]如圖3所示，所述恒電位電路的電壓輸入端上還設(shè)置有電壓補償模塊。
[0050]激勵信號￥」111輸入恒電位電路時容易受到干擾，使得兩電極之間電位發(fā)生變化，因此為了準確地將兩電極之間的電位準確恒定為設(shè)定值，輸入激勵信號的同時引入另一路可微調(diào)信號V_in2進行了電壓補償，采用精密基準電壓源和可調(diào)電阻對輸入信號進行準確調(diào)節(jié)，能夠保持兩電極之間的電位準確恒定。
[0051 ]還包括設(shè)置在數(shù)據(jù)采集與處理單元和上位機之間的無線傳輸單元。
[0052]所述信號調(diào)理模塊包括DAC轉(zhuǎn)換器、運算放大器、I/V轉(zhuǎn)換模塊及自動選檔電路。
[0053]所述數(shù)據(jù)采集與處理單元為Silicon Lab公司的C8051F064芯片。
[0054]MCU芯片C8051F064通過SPI接口將激勵信號送入DA芯片AD5060進行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過D/A輸出模擬電壓，再通過恒電位電路作用在自制的三電極式傳感器上，使得工作電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生待檢測的微弱電流。恒電位電路的作用一方面是保證工作電極相對于參比電極上的電位恒定或有規(guī)律的變化，使電化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定;一方面是能夠?qū)崿F(xiàn)當電路參數(shù)出現(xiàn)變化時自動調(diào)節(jié)工作電極相對于參比電極的電位，保持工作電極電位恒定的功能。
[0055]所述自動選檔電路為多路復(fù)用器，型號為Maxim公司的MAX4617，保證該模塊的輸出電壓方便后續(xù)調(diào)理及A/D采樣。
[0056]所述的運算放大器型號為ADI公司的0P777/AD8608/AD8627。
[0057]所述無線傳輸單元為NIWSN模塊。
[0058]所述的DAC轉(zhuǎn)換芯片型號為ADI公司的nanoDAC系列AD5060。
[0059]所述上位機為LabVIEW虛擬儀器上位機管理平臺。
[0060]基于組織工程液壓生物反應(yīng)器的智能化監(jiān)測系統(tǒng)中采用虛擬儀器LabVIEW管理平臺對數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理和管理，上位機對接收到的數(shù)據(jù)進行有效數(shù)據(jù)截取，并進行相關(guān)計算推導(dǎo)得到待測的電流值，對電流值進行處理分析，將處理結(jié)果和統(tǒng)計分析圖表進行顯示。[0061 ] 采用NI公司的無線傳感模塊由NI WSN-3231測量節(jié)點和NI WSN-9791網(wǎng)關(guān)組成，能實現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測，快速高效而且通信可靠。
[0062]恒電位電路模塊采用三個ADI公司的低功耗精密運算放大器組成，三個運放分別作為信號輸入、電壓跟隨器和電流電壓轉(zhuǎn)換的作用。該電路作為三電極式傳感器的接口電路，能將外部激勵信號準確地施加在參比電極上，實現(xiàn)工作電極相對于參比電極上的電位保持恒定，且能自動調(diào)節(jié)。
[0063]三電極針狀傳感器置于生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液中，M⑶將激勵電壓信號通過DA轉(zhuǎn)換芯片輸出，信號經(jīng)恒電位電路作用在三電極針狀傳感器的參比電極上，趨使生物反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。恒電位電路使工作電極相對于參比電極的電位保持恒定，保證電化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定進行，并使待測信號經(jīng)工作電極穩(wěn)定輸出。待測信號經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換及自動選檔放大電路將微弱電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，再輸入到MCU自帶的ADC能處理的范圍，然后將調(diào)理后的信號送入M⑶進行AD轉(zhuǎn)換并進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)可以經(jīng)外部存儲器進行存儲，也可以經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至上位機進行后續(xù)處理及分析。
【主權(quán)項】
1.一種基于組織工程液壓生物反應(yīng)器的智能化監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括電流傳感器模塊、恒電位電路、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理單元及上位機； 所述電流傳感器模塊設(shè)置于生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液中； 所述電流傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理單元及上位機依次相連； 所述數(shù)據(jù)采集與處理單元通過恒電位電路與電流傳感器模塊相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電流傳感器模塊為三電極針管狀傳感器，直徑為500μπι，包括三層電極，由內(nèi)至外依次為工作電極、對電極及參比電極； 所述工作電極采用5μηι的Pt絲制作； 所述對電極采用燒結(jié)玻璃制作，直徑為125μπι; 所述參比電極采用不銹鋼制作； 所述工作電極上固化有生物酶。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述參比電極與對電極之間設(shè)置有環(huán)氧樹脂層， 環(huán)氧樹脂層用于封裝固定。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述恒電位電路的電壓輸入端上還設(shè)置有電壓補償模塊。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在數(shù)據(jù)采集與處理單元和上位機之間的無線傳輸單元。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號調(diào)理模塊包括DAC轉(zhuǎn)換器、運算放大器、I/V轉(zhuǎn)換模塊及自動選檔電路。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集與處理單元為SiliconLab公司的C8051F064芯片。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述自動選檔電路為多路復(fù)用器，型號為Maxim公司的 MAX4617。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的運算放大器型號為ADI公司的0P777/AD8608/AD8627。10.根據(jù)權(quán)利要求5-9任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述無線傳輸單元為NIWSN模塊。
【文檔編號】G01D21/02GK205506113SQ201620271791
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】高云鵬, 柯盼盼, 陳婧, 張韻琦, 劉海蓉, 李永生, 周冰航, 黎燦兵, 何鞁, 周征, 李林
【申請人】湖南大學(xué)