专利名称：能产生多种磁场的细胞培养装置及培养方法
技术领域：
本发明涉及一种细胞培养装置及方法，尤其是在装置内培养细胞并对其存活状态、信号通路进行分析的可产生多种磁场的细胞培养装置及方法。
背景技术：
磁场分为稳恒磁场以及交变磁场。稳恒磁场是指由恒定电流产生的大小和方向不随时间改变的磁场。当线圈通以交变电流时，会产生交变磁场。旋转磁场是交变磁场的一种特殊形式，它可以通过空间上对称的三相负载，通以时间上对称的三相交流电，最终导致磁感应强度矢量在空间上以固定频率旋转。现有的诸多研究指出利用磁场治疗肿瘤是一个行之有效的新兴发展方向。稳恒磁场、脉冲磁场以及旋转磁场被相继证实能够抑制肿瘤细胞生长。然而，研究人员仅初步验证了多种磁场的抑瘤效果，并未明确其深入机理。因此，为了探索不同磁场对体外培养的肿瘤细胞存活、分子功能、细胞内信号转导网络，以及细胞骨架改建的影响以及应答变化，阐明各类磁场的作用机理，提供实验依据，需要提供一种特殊的装置进行磁场的细胞生物学实验研究。中国专利CN201975196公开了 “一种三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置，包括产生磁场的线圈和控制装置”，控制装置包括电脑以及控制器，线圈由两两互相垂直的三对亥姆霍兹线圈组成，在线圈的轴向方向分别对应三维坐标轴中的X轴、Y轴和Z轴，三对亥姆霍兹线圈的中心点为坐标原点。该磁场发生装置结构简单、成本低，能根据用户的需要，在设定的大小和任意三维方向上产生交直流磁场，给较多磁传感器的设计、测试以及应用等场合带来便利。中国专利CN202047072公开了 “一种细胞静磁场加载装置”，属于医学实验仪器领域，通过铁硼永磁体和极靴组成磁极，可以对体外培养的细胞进行磁场加载，结合分子生物学检测技术和其他仪器，能够观察不同时间、不同磁场强度的静磁场对细胞形态等的影响，探讨静磁场对细胞形态及功能活性的作用及其机制，为研究静磁场的细胞生物学效应提供了研究手段。中国专利CN201296757公开了 “一种改进的用于直流电场下观察细胞生物学行为的装置”，包括培养观察组件和固定组件，培养观察组件包括观察室和培养基室，培养室为两个，以上分别与观察室固定设置为一体；固定组件包括容器和容器盖，容器盖上设置固定孔，其内插入立柱，立柱用于在水平或/和垂直方向固定培养观察组件；该装置制作简便，结构稳定，可重复使用，不但能节约实验时间，还可用于观察不同电场方向对细胞生物学行为的影响。意大利专利MI2005A000693公开了 “一种可产生静磁场的细胞培养装置”。该装置分为两部分，其中一部分通过计算机控制中心，利用螺线管，产生一种水平静磁场。系统另外一部分为细胞培养装置、通过传感器的设计，反馈装置的温度。该项发明能够用于观察静磁场的细胞生物学效应之中。上述发明的装置有各自的局限性，如产生复杂磁场的装置无法进行细胞培养，而能够进行细胞培养的装置却仅有单一静磁场。在分析交变磁场、旋转磁场对细胞的影响时，这些装置显得无能为力。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种可以产生多种磁场的细胞培养装置，所产生的磁场包括单一轴向稳恒磁场，单一轴向交变磁场，平面旋转磁场，空间旋转磁场，并通过数字控制等手段，对培养装置内的磁感应强度，磁场频率，温度以及CO2浓度能够控制的能产生多种磁场的细胞培养装置。本发明是通过以下技 术方案实现的能产生多种磁场的细胞培养装置，该装置是一箱体，在箱体侧壁设有加热管30和CO2通入孔，在其对面侧壁设有降温管32，底面装有温度传感器34和CO2传感器35，箱体中间装有线圈31，线圈31包括三组在空间上正交摆放的亥姆霍兹线圈，每组线圈有两个抽头，分别与控制电路36连接，用于通入激励电流，每组线圈的轴向分别定义为X，Y，Z轴，其交点为原点0，在原点位置设有载物台33，CO2发生部分29通过管线和箱体侧壁孔向培养装置内通入CO2,计算机I经控制电路36分别连接温度传感器34、CO2传感器35、温度控制部分4和三组正交的亥姆霍兹线圈31，温度控制部分4分别连接加热管30和降温管32构成。计算机I通过串口线与单片机28连接，单片机28通过信号线与IXD液晶8连接，单片机28通过信号线与矩阵键盘9连接，单片机通过信号线与E2PROM连接，单片机28通过信号线与温度控制部分4连接，单片机28通过信号线与CO2发生部分29连接，单片机28通过控制线与DDS模块IlO连接，单片机28通过控制线与DDS模块II12连接，单片机28通过控制线与DDS模块III13连接，单片机28通过控制线与双路选择开关116连接，单片机28通过控制线与双路选择开关1117连接，单片机28通过控制线与双路选择开关III18连接，单片机28通过控制线与幅度调节模块119连接，单片机28通过控制线与幅度调节模块1120连接，单片机28通过控制线与幅度调节模块III21连接，DDS模块IlO通过信号线与双路选择开关116连接，DDS模块1112通过信号线与双路选择开关II17，DDS模块III14通过信号线与双路选择开关II118连接，直流电压Ill通过信号线与双路选择开关116连接，直流电压1113通过信号线与双路选择开关1117连接，直流电压III15通过信号线与双路选择开关III18连接，双路选择开关116通过信号线与幅度调节模块119连接，双路选择开关1117通过信号线与幅度调节模块1120连接，双路选择开关III18通过信号线与幅度调节模块III21连接，幅度调节模块119通过信号线与功率放大模块122连接，幅度调节模块1120通过信号线与功率放大模块1123连接，幅度调节模块III21通过信号线与功率放大模块III24连接，功率放大模块122通过信号线与亥姆霍兹线圈X25连接，功率放大模块1123通过信号线与亥姆霍兹线圈Y26连接，功率放大模块III24通过信号线与亥姆霍兹线圈Z27连接构成。能产生多种磁场的细胞培养装置的细胞培养方法，包括以下顺序和步骤a、将细胞放在三组正交的亥姆霍兹线圈31中心处的载物台33上，开启计算机1，开启温度控制部分4，开启CO2发生部分29，开启控制电路36 ；b设定当前磁场各轴向的磁感应强度为0. I 2mT，磁场发生频率为0. I lOOOhz，每种方式的工作时间为10分钟-72小时，培养箱内CO2的百分浓度为5%，培养箱内温度为37°C ；C、依次设定完成后，装置自动运行；当设定的参数运行完成后，装置自动停止运行。选择当前磁场工作模式，即当前为单一轴向稳恒磁场、单一轴向交变磁场，平面旋转磁场还是空间旋转磁场，单一轴向稳恒磁场是通过给3组亥姆赫兹线圈均通以恒定电流时，在空间中叠加出的一个任意方向的磁场；单一轴向交变磁场是通过给某一组线圈通以交变电流，在这一线圈所在轴向上产生的一个交变磁场；平面旋转磁场是通过给任意两组线圈通入交变电流，并且相位差为90°，在此两组线圈磁场所在平面产生的磁场；空间旋转磁场是通过给三组线圈全部通以交变电流，并且其中某两组相位差为90°，在中心区域产生的磁场。有益效果本发明能够产生稳恒、交变、平面以及空间旋转磁场，通过计算机控制，实现对场强大小、磁场频率、作用时间可调，弥补了传统装置只能产生单一磁场的局限，为探索不同磁场对体外培养的肿瘤细胞存活、分子功能、细胞内信号转导网络，以及细胞骨架 改建的影响以及应答变化，阐明各类磁场的作用机理，为细胞存活、分子功能、细胞内信号转导提供一种可靠的装备和方法。
图I能产生多种磁场的细胞培养装置结构图；图2为附图I中控制电路36的结构框图；图3为附图I中温度控制部分4的结构框图；图4为附图I中CO2发生部分29的结构框图；图5为附图I中三组正交的亥姆赫兹线圈31的结构图；图6能产生多种磁场的细胞培养装置平面旋转磁场图；图7能产生多种磁场的细胞培养装置空间旋转磁场图。I计算机，2大功率电源模块，3异步通信接口，4温度控制部分，5E2PR0M，6显示接口，7矩阵键盘接口，8IXD液晶，9矩阵键盘，10DDS模块I，11直流电压I，12DDS模块II，13直流电压II，14DDS模块III，15直流电压III，16双路选择开关I，17双路选择开关II，18双路选择开关III，19幅度调节模块I，20幅度调节模块II，21幅度调节模块III，22功率放大模块I，23功率放大模块II，24功率放大模块III，25亥姆赫兹线圈X，26亥姆赫兹线圈Y，27亥姆赫兹线圈Z，28MSP430单片机，29C02发生部分，30加热管，31三组正交的亥姆赫兹线圈，32降温管，33载物台，34温度传感器，35C02传感器，36控制电路37双路选择，38冷却装置，39水泵，40C02发生器，41CO2阀门。
具体实施例方式下面结合附图和实施例作进一步详细说明如图I所示，该装置是一箱体，在箱体侧壁设有加热管30和CO2通入孔，在其对面侧壁设有降温管32，底面装有温度传感器34和CO2传感器35，箱体中间装有线圈31，线圈31包括三组在空间上正交摆放的亥姆霍兹线圈，每组线圈有两个抽头，分别与控制电路36连接，用于通入激励电流，每组线圈的轴向分别定义为X，Y，Z轴，其交点为原点0，在原点位置设有载物台33，CO2发生部分29通过管线和箱体侧壁孔向培养装置内通入CO2，计算机I经控制电路36分别连接温度传感器34、CO2传感器35、温度控制部分4和三组正交的亥姆霍兹线圈31，温度控制部分4分别连接加热管30和降温管32构成。如图2所示，通过计算机I对系统的运行状态及工作模式进行控制；通过控制电路36，产生三组亥姆霍兹线圈31的激励信号，从而得到用户需要的磁场；通过温度控制电路4，使培养箱内温度基本维持恒定；通过CO2发生器29，给培养箱提供浓度为5%的CO2,为细胞存活提供有利条件。可产生多种磁场的细胞培养装置，按以下方法步骤工作计算机I通过串口线与单片机28连接，以115200的波特率传输对系统的控制指令，使系统按照设定的参数工作；单片机28通过信号线与LCD液晶8连接，实时显示系统当前工作状态；单片机28通过信号线与矩阵键盘9连接，方便用户对单片机系统进行控制；单片机通过信号线与E2PROM连接，实时的记录系统的工作状态，方便日后实验分析。
单片机28通过信号线与温度控制部分4连接，通过一片DS18B20温度传感器34测量培养箱内的温度，并与设定值进行比较后，控制开启加热管或降温管对培养箱内温度进行升温操作或降温操作；单片机28通过信号线与CO2发生部分29连接，通过CO2传感器35，实时的检测培养箱内CO2的浓度，并与设定的CO2浓度值进行比较，通过控制CO2发生部分29中的CO2阀门41实现对培养箱内的CO2浓度控制。用于产生交变磁场的DDS模块是由以TI公司的AD9850为核心器件,在相应的外围电路配合下实现的，可通过单片机28对其进行频率，相位的设置，并通过计算机I通过串口线对单片机28进行指令的传输；直流电压模块是通过电阻分压够成，目的是产生稳恒磁场在发生过程中所需要的直流电压；双路选择开关由单片机28进行控制，以实现各轴向磁场工作状态的选择。幅度调节模块是由数字电位器AD5207构成的，通过单片机28对其输出控制信号，实现对幅度调节模块输入信号的分压，从而调整磁感应强度的大小。功率放大模块是对激励信号进行功率放大的，使放大后的信号足以驱动亥姆霍兹线圈产生需要的磁场，功率放大模块的输入端与双路选择开关相连接，输出端直接连接亥姆霍兹线圈。亥姆霍兹线圈x25，亥姆霍兹线圈y26，亥姆霍兹线圈z27通过在空间中的正交摆放方式，并在驱动信号的驱动下，可在空间中叠加出单一方向稳恒磁场、单一方向交变磁场、平面旋转磁场以及空间旋转磁场的产生；a.单一轴向稳恒磁场的产生当3组亥姆赫兹线圈均工作在稳恒磁场模式时，可在空间中叠加出一个任意方向的磁场。b.单一轴向交变磁场的产生当给某一组线圈通以交变电流时，可在这一线圈所在轴向上产生一个交变磁场。c.平面旋转磁场的产生当给任意两组线圈通入交变电流，并且相位差为90°时，可在此两组线圈磁场所在平面产生平面旋转磁场。例如，在XOY平面产生旋转磁场，则Bx = Bx0^Sin (wt)By = Byc^Sin (wt+90。)总磁感应强度矢量为h’i + By.)
当Bxtl = By。= B。时，总磁感应强度模值为
权利要求
1.一种能产生多种磁场的细胞培养装置，其特征在于，该装置是一箱体，在箱体侧壁设有加热管(30)和CO2通入孔，在其对面侧壁设有降温管(32)，底面装有温度传感器(34)和CO2传感器(35)，箱体中间装有线圈(31)，线圈(31)包括三组在空间上正交摆放的亥姆霍兹线圈，每组线圈有两个抽头，分别与控制电路(36)连接，用于通入激励电流，每组线圈的轴向分别定义为X，Y，Z轴，其交点为原点0，在原点位置设有载物台(33)，CO2发生部分(29)通过管线和箱体侧壁孔向培养装置内通入CO2，计算机⑴经控制电路(36)分别连接温度传感器(34)、C02传感器(35)、温度控制部分(4)和三组正交的亥姆霍兹线圈(31)，温度控制部分(4)分别连接加热管(30)和降温管(32)构成。
2.根据权利要求I所述的能产生多种磁场的细胞培养装置，其特征在于，控制电路(36)是由计算机(I)通过串口线与单片机(28)连接，单片机(28)通过信号线分别与LCD液晶(8)，矩阵键盘(9)，E2PROM(5)，恒温控制部分(4)和CO2发生部分(29)连接；单片机 (28)通过控制线与DDS模块I(10)，DDS模块II (12)，DDS模块III (14)连接；单片机(28)通过控制线与双路选择开关I (16)，双路选择开关II (17)，双路选择开关III (18)连接；单片机(28)通过控制线与幅度调节模块I (19)，幅度调节模块II (20)，幅度调节模块III (21)连接；DDS模块I (10)和直流电压I (11)分别通过信号线依次经双路选择开关I (16)、幅度调节模块I (19)、功率放大模块I (22)与亥姆霍兹线圈X (25)连接；DDS模块II (12)和直流电压II (13)分别通过信号线依次经双路选择开关II (17)、幅度调节模块II (20)、功率放大模块II (23)与亥姆霍兹线圈Y(26)连接_5模块111(14)和直流电压III (15)分别通过信号线依次经双路选择开关III (18)、幅度调节模块III (21)、功率放大模块III (24)与亥姆霍兹线圈Z(27)连接构成。
3.根据权利要求I所述的能产生多种磁场的细胞培养装置，其特征在于，恒温控制器(4)是由加热管(30)通过管线依次经双路选择(37)、冷却装置(38)、水泵(39)、降温管(32)与冷却装置(38)连接构成。
4.根据权利要求I所述的能产生多种磁场的细胞培养装置，其特征在于，CO2发生部分(29)是由CO2发生器(40)通过阀门(41)与细胞培养装置连接，CO2传感器(35)通过单片机(28)与阀门(41)连接构成。
5.一种能产生多种磁场的细胞培养装置的细胞培养方法，其特征在于，按以下顺序和步骤工作 a.将细胞放在三组正交的亥姆霍兹线圈31中心处的载物台(33)上，开启计算机(1)，开启温度控制部分(4)，开启CO2发生部分(29)，开启控制电路(36)； b设定当前磁场各轴向的磁感应强度为0. I 2mT，磁场发生频率为0. I lOOOhz，每种方式的工作时间为10分钟-72小时，培养箱内CO2的百分浓度为5%，培养箱内温度为·37 0C ； c、依次设定完成后，装置自动运行；当设定的参数运行完成后，装置自动停止运行。
全文摘要
本发明涉及一种能产生多种磁场的细胞培养装置。通过三组正交亥姆霍兹线圈的设计，及其不同激励方式，能够产生单一轴向稳恒磁场、单一轴向交变磁场、平面旋转磁场以及空间旋转磁场。同时，通过数字控制等手段，能够实现装置内磁感应强度，磁场频率，温度以及CO2浓度控制，满足细胞生长存活条件。可以产生稳恒、交变、平面以及空间旋转磁场，通过计算机控制，实现对场强大小、磁场频率、作用时间可调，弥补了传统装置能产生单一磁场的局限，为探索不同磁场对体外培养的肿瘤细胞存活、分子功能、细胞内信号转导网络，以及细胞骨架改建的影响以及应答变化，阐明各类磁场的作用机理，提供一种可靠的装备和方法。
文档编号C12M1/38GK102653719SQ20121013112
公开日2012年9月5日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者史文龙, 林婷婷 申请人:吉林大学