多角度超声波加载的体外细胞学实验装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种多角度超声波加载的体外细胞学实验装置及方法，所述装置包括超声波发生器以及至少一台与超声波发生器连接的超声波加载设备；所述每台超声波加载设备包括壳体和多条凹形旋转螺杆，所述每条凹形旋转螺杆包括旋转头、主长杆、第一连杆以及第二连杆，所述主长杆上设有多个超声波发射探头，每条凹形旋转螺杆上的多个超声波发射探头一起构成阵列排布的超声波发射探头；在细胞培养多孔板固定在壳体上部时，所述每个超声波发射探头可在任意角度对准细胞培养多孔板的每个孔中心。本发明装置及方法可实现研究不同入射角的超声波作用对细胞单独培养或生物材料与细胞共同培养实验的影响，可以满足多组实验的同时进行，提高实验过程的效率。
【专利说明】多角度超声波加载的体外细胞学实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种细胞生物学的实验装置，尤其是一种多角度超声波加载的体外细胞学实验装置及方法，属于医疗器械领域。
【背景技术】
[0002]超声在医学领域应用广泛。超声可用于辟石、切除病变组织(如白内障)的手术，在关节置换翻修术中清除骨水泥；在临床治疗应用时，可在组织中产生热能，用于减轻疼痛、缓解肌肉痉挛、改善关节和肌肉活动；低强度超声装置更是用于医疗成像，对体内重要器官、胎儿、眼球及骨组织等进行成像；还有研究表明低强度超声可用于促进骨折愈合等。
[0003]超声波是一种超出人听觉范围的声能，它在体内传播可引起体内组织、细胞或生物分子功能和代谢的变化。一般认为超声治疗是由机械效应、温热效应和理化效应共同作用的。一方面，Carter等学者认为低强度超声作为一种声能，作用在骨折部位时将转化为弱机械能对骨折处组织及细胞产生力学刺激，从而促进骨折愈合；另一方面，Rawool等学者认为超声的温热效应增加了损伤部位的血供，从而增加了损伤部位组织的生长因子和细胞活素，利于组织自我修复；此外，有学者发现，超声可以改变细胞膜的通透性，细胞膜通透性的改变细胞膜内外的离子代谢。在研究低强度超声对骨折愈合的研究中，Ryaby等报道了低强度超声可以促进钙离子与正在分化中的软骨，骨细胞结合，增加了第二信使的活性，提高了腺苷酸环化酶活性及成骨细胞对TGF-β的合成，加速骨的合成。总之，超声波的加载作为一种外源性的物理刺激，对生物组织中的细胞、酶、生物分子代谢有着紧密的影响，然而，利用超声波广泛研究各种生物材料的体外细胞学实验仍然不够，超声作用的内在机理依然不甚明确。
[0004]目前，用于研究超声波加载对细胞培养过程中细胞增殖、粘附、分化的影响的实验装置主要是单一的在一个培养皿或密闭腔室中通过液体传导超声波，然而，这种装置在实验过程中存在操作较繁琐，不利于批量重复实验，实验环境难以达到细胞培养要求等缺陷。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种多角度超声波加载的体外细胞学实验装置，该装置结构简单、成本低廉、操作方便、功能多样，可实现研究不同入射角的超声波作用对细胞单独培养或生物材料与细胞共同培养实验的影响，可以满足多组实验的同时进行，提闻实验过程的效率。
[0006]本发明的另一目的在于提供一种上述多角度超声波加载的体外细胞学实验装置的实验方法。 [0007]本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0008]多角度超声波加载的体外细胞学实验装置，包括超声波发生器以及至少一台与超声波发生器连接的超声波加载设备；所述每台超声波加载设备包括壳体和多条凹形旋转螺杆，所述每条凹形旋转螺杆包括旋转头、主长杆、第一连杆以及第二连杆，所述第一连杆的一端从壳体内延伸至壳体前部的外侧与旋转头连接，所述第二连杆的一端从壳体内延伸至壳体后部的外侧，所述第一连杆和第二连杆的另一端分别与主长杆连接；所述主长杆上设有多个超声波发射探头，每条凹形旋转螺杆上的多个超声波发射探头一起构成阵列排布的超声波发射探头，所述壳体上部设有阵列排布的多个通孔，所述每个通孔与细胞培养多孔板的每个孔对应；在细胞培养多孔板固定在壳体上部时，所述每个超声波发射探头可在任意角度通过每个通孔对准细胞培养多孔板的每个孔中心。
[0009]作为一种优选方案,所述每台超声波加载设备还包括多个角度表盘,所述每个角度表盘与每条凹形旋转螺杆一一对应，并设置在壳体前部的外侧面上，所述壳体前部的外侧面上还设有与多个角度表盘一一对应的多个开口，所述每条凹形旋转螺杆的主长杆从壳体内延伸至开口处，以此读取凹形旋转螺杆的旋转角度。
[0010]作为一种优选方案，所述超声波发生器内部设有超声波发生控制单片机组，前部的外侧面上设有超声波功率控制旋钮、超声波频率控制旋钮、超声波波长控制旋钮、超声波作用时间控制旋钮以及与各个控制旋钮一一对应的四个数字显示窗，所述超声波发生控制单片机组通过线路分别与超声波功率控制旋钮、超声波频率控制旋钮、超声波波长控制旋钮、超声波作用时间控制旋钮和四个数字显示窗连接。
[0011]作为一种优选方案，所述每台超声波加载设备还包括电路板，所述电路板设置在壳体内的下方位置，所述多个超声波发射探头通过电路板与超声波发生器连接。
[0012]作为一种优选方案，所述装置还包括两条弹性松紧带，所述每条弹性松紧带的两端配有钩环，所述两条弹性松紧带分别通过钩环搭扣在壳体前部的两端和壳体后部的两端，使细胞培养多孔板固定在壳体上。 [0013]作为一种优选方案，所述装置还包括细胞培养箱，所述细胞培养箱内设有纵向分布的多层培养台，所述每层培养台用于放置一台超声波加载设备。
[0014]作为一种优选方案，所述每条凹形旋转螺杆的旋转角度范围是O~180°。
[0015]作为一种优选方案，在细胞培养多孔板固定在壳体上部时，所述多条凹形旋转螺杆的旋转中心线位于细胞培养多孔板孔内底部平面上。
[0016]作为一种优选方案，所述壳体内在凹形旋转螺杆的旋转空间之外的部分填充有吸声材料。
[0017]本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0018]多角度超声波加载的体外细胞学实验装置的实验方法，包括以下步骤:
[0019]I)将一台或多台超声加载设备经过环氧乙烷灭菌后放入细胞培养箱内，再将超声加载设备与细胞培养箱外的超声波发生器连接；
[0020]2)将细胞培养多孔板固定在超声加载设备上，通过旋转凹形旋转螺杆，调节在实验过程中的超声波的入射角度，然后关闭细胞培养箱；
[0021]3)打开超声波发生器的电源，通过功率、频率、波长和作用时间四个控制旋钮设置实验所需参数，开始实验；
[0022]4)实验结束后，关闭超声波发生器的电源，取出细胞培养多孔板进行细胞学实验检测，并解除超声波发生器与超声波加载设备的连接，取出超声波加载设备，关闭细胞培养箱，完成实验。
[0023]本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:[0024]1、本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置使用独立的超声波发生器，实验过程中，可将其置于细胞培养箱之外，解决了装置灭菌困难，空间较大，不易挪动，不适于高湿度环境等难题。
[0025]2、本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置中，超声波加载设备与超声波发生器分离、分别独立使用，实验过程中，超声波加载设备与细胞培养多孔板一起放入细胞培养箱中进行实验。
[0026]3、本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置中，超声波加载设备上设有阵列排布的超声波探头，每个超声波探头垂直于旋转螺杆的主长杆，其发生面在旋转螺杆平面上，每个探头在任意旋转角度都与细胞培养多孔板的相应孔对应，可实现多组不同参数实验的同时进行。
[0027]4、本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置中，超声波加载设备在壳体内在凹形旋转螺杆的旋转空间之外的部分用吸声材料进行填充，防止了反射的超声波对实验结果的干扰。
[0028]5、本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置中，在细胞培养多孔板固定在超声波加载设备的壳体上部时，所述多条凹形旋转螺杆的旋转中心线位于细胞培养多孔板孔内底部平面上，使得超声波作用区域在细胞培养多孔板的每个孔中心。
[0029]6、本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置应用范围广，既可以实现研究O~90°入射角的超声波作用对细胞单独培养实验的影响，也可以实现研究O~90°入射角的超声波作用对生物材料与细胞共同培养实验的影响。
[0030]7、本发明的多角 度超声波加载的体外细胞学实验装置，结构简单、成本低廉、操作方便、功能多样，可以满足多组实验的同时进行，提高实验过程的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置实验时细胞培养箱、超声波发生器和超声波加载设备的关系示意图。
[0032]图2为本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置的超声波发生器的正面结构图。
[0033]图3为本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置的超声波发生器的左部透视图。
[0034]图4为本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置的超声波加载设备直接安装细胞培养多孔板的正面结构图。
[0035]图5为本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置的超声波加载设备直接安装细胞培养多孔板的左部透视结构图。
[0036]图6为本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置的超声波加载设备片状生物材料与细胞共同培养的正面结构图。
[0037]图7为本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置的超声波加载设备片状生物材料与细胞共同培养的左部透视结构图。
[0038]其中，1-细胞培养箱，2-超声波发生器，3-超声波加载设备，4-弹性松紧带，5-培养台，6-超声波发生控制单片机组，7-超声波功率控制旋钮，8-超声波频率控制旋钮，9-超声波波长控制旋钮，10-超声波作用时间控制旋钮，11-数字显示窗，12-细胞培养多孔板，13-壳体，14-电路板，15-角度表盘，16-凹形旋转螺杆，17-开口，18-旋转头，19-主长杆，20-第一连杆，21-第二连杆，22-超声波发射探头，23-通孔，24-吸声材料，25-片状生物材料，26-安全硅胶片。
【具体实施方式】
[0039]实施例1:
[0040]如图1~图7所示，本实施例的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置，包括细胞培养箱1、超声波发生器2、三台超声波加载设备3以及两条弹性松紧带4 ;所述细胞培养箱I内设有纵向分布的三层培养台5,所述每层培养台5用于放置一台超声波加载设备3,三台超声波加载设备3均与超声波发生器2连接。
[0041]所述超声波发生器2内部设有超声波发生控制单片机组6，前部的外侧面上设有超声波功率控制旋钮7、超声波频率控制旋钮8、超声波波长控制旋钮9、超声波作用时间控制旋钮10以及与四个控制旋钮一一对应的四个数字显示窗11，所述超声波发生控制单片机组6通过线路分别与超声波功率控制旋钮7、超声波频率控制旋钮8、超声波波长控制旋钮9、超声波作用时间控制旋钮10和四个数字显示窗11连接，所述超声波发生控制单片机组6可以产生用于生物医学超声成像的低强度超声波，强度为I~50mW/cm2 ;也可以产生临床治疗用的超声波，强度为I~3W/cm2。
[0042]本实施例采用的细胞培养多孔板12具有阵列排布的十二个孔(图中未示出)，每一列有三个孔，在进行单独的细胞培养时，粉末、薄膜、支架之类的生物材料与细胞共培养的实验室可直接使用 市场上购买的细胞培养多孔板，而在研究片状密实材料如金属片、陶瓷片时，最好使用通孔细胞培养多孔板。
[0043]所述每台超声波加载设备3包括壳体13、电路板14、四个角度表盘15以及四条凹形旋转螺杆16，所述电路板14设置在壳体13内的下方位置，所述每个角度表盘15与每条凹形旋转螺杆16 —一对应，并设置在壳体13前部的外侧面上，所述壳体13前部的外侧面上还设有与四个角度表盘15 —一对应的四个开口 17 ;所述每条凹形旋转螺杆16包括旋转头18、主长杆19、第一连杆20以及第二连杆21，所述主长杆19从壳体13内延伸至开口 17处，所述第一连杆20的一端从壳体13内延伸至壳体13前部的外侧与旋转头18连接,所述第二连杆21的一端从壳体13内延伸至壳体13后部的外侧,所述第一连杆20和第二连杆21的另一端分别与主长杆19连接；在旋转头18的带动下，可使主长杆19、第一连杆20和第二连杆21同时旋转。
[0044]所述主长杆19上设有三个超声波发射探头22，每条凹形旋转螺杆16上的三个超声波发射探头22构成阵列排布的超声波发射探头22，即共有十二个超声波发射探头22 ;所述壳体13上部设有阵列排布的十二个通孔23，所述每个通孔与细胞培养多孔板12的每个孔一一对应，所述每个超声波发射探头22通过每个通孔23对准细胞培养多孔板12的每个孔中心，并通过电路板14与超声波发生器2相连接；所述每条凹形旋转螺杆16的旋转角度范围是O~180°，使超声波发射探头22围绕凹形旋转螺杆16的旋转中心线(即旋转头18的水平中心线)以O~180° (半圆角度)旋转；所述凹形旋转螺杆16的旋转中心线位于细胞培养多孔板内孔底部平面上，使超声波正好作用在细胞上。所述壳体13内在凹形旋转螺杆16的旋转空间之外的部分填充有吸声材料24，防止了反射的超声波对实验结果的干扰。
[0045]所述每条弹性松紧带4为耐高温(可承受灭菌高温)弹性固定带，其两端配有钩环，所述两条弹性松紧带4分别通过钩环搭扣在壳体13前部的两端和壳体13后部的两端，使细胞培养多孔板12固定在壳体13上。
[0046]如图1~图5所示，本实施例的实验过程，包括以下步骤:
[0047]I)将超声加载设备3经过环氧乙烷灭菌后放入细胞培养箱I内，再将超声加载设备与细胞培养箱I外的超声波发生器2连接；
[0048]2)若是进行细胞单独培养，将细胞培养多孔板12直接固定在壳体13上部，如图6所示；若是进行片状生物材料25与细胞的共同培养，利用安全硅胶片26对片状生物材料25进行密封，将安全硅胶片26和片状生物材料25整体放置在壳体13上部的每个通孔23上，再将细胞培养多孔板12固定，如图7所示；然后通过旋转凹形旋转螺杆16，调节在实验过程中的超声波的入射角度(O~90° )，然后关闭细胞培养箱I;
[0049]3)打开超声波发生器2的电源，通过功率、频率、波长和作用时间四个控制旋钮设置实验所需参数，开始实验；
[0050]4)实验结束后，关闭超声波发生器2的电源，取出细胞培养多孔板12进行细胞学实验检测，并解除超声波发生器2与超声波加载设备3的连接，取出超声波加载设备3，关闭细胞培养箱I，完成实验。
[0051]综上所述，本发明的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置可实现研究不同入射角的超声波作用对细胞单独培养或生物材料与细胞共同培养实验的影响，可以满足多组实验的同时进行，提闻实验过程的效率。
[0052] 以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，例如角度表盘、凹形旋转螺杆、超声波发射探头的数量可以根据实际需要进行调整，凹形旋转螺杆的旋转角度也可以是15~165°的范围内等等，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
【权利要求】
1.多角度超声波加载的体外细胞学实验装置，其特征在于:包括超声波发生器以及至少一台与超声波发生器连接的超声波加载设备；所述每台超声波加载设备包括壳体和多条凹形旋转螺杆，所述每条凹形旋转螺杆包括旋转头、主长杆、第一连杆以及第二连杆，所述第一连杆的一端从壳体内延伸至壳体前部的外侧与旋转头连接，所述第二连杆的一端从壳体内延伸至壳体后部的外侧，所述第一连杆和第二连杆的另一端分别与主长杆连接；所述主长杆上设有多个超声波发射探头，每条凹形旋转螺杆上的多个超声波发射探头一起构成阵列排布的超声波发射探头，所述壳体上部设有阵列排布的多个通孔，所述每个通孔与细胞培养多孔板的每个孔对应；在细胞培养多孔板固定在壳体上部时，所述每个超声波发射探头可在任意角度通过每个通孔对准细胞培养多孔板的每个孔中心。
2.根据权利要求1所述的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置，其特征在于:所述每台超声波加载设备还包括多个角度表盘，所述每个角度表盘与每条凹形旋转螺杆一一对应，并设置在壳体前部的外侧面上，所述壳体前部的外侧面上还设有与多个角度表盘一一对应的多个开口，所述每条凹形旋转螺杆的主长杆从壳体内延伸至开口处。
3.根据权利要求1或2所述的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置，其特征在于:所述超声波发生器内部设有超声波发生控制单片机组，前部的外侧面上设有超声波功率控制旋钮、超声波频率控制旋钮、超声波波长控制旋钮、超声波作用时间控制旋钮以及与各个控制旋钮一一对应的四个数字显示窗，所述超声波发生控制单片机组通过线路分别与超声波功率控制旋钮、超声波频率控制旋钮、超声波波长控制旋钮、超声波作用时间控制旋钮和四个数字显示窗连接。
4.根据权利要求1或2所述的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置，其特征在于:所述每台超声波加载设备还包括电路板，所述电路板设置在壳体内的下方位置，所述多个超声波发射探头通过电路板与 超声波发生器连接。
5.根据权利要求1或2所述的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置，其特征在于:所述装置还包括两条弹性松紧带，所述每条弹性松紧带的两端配有钩环，所述两条弹性松紧带分别通过钩环搭扣在壳体前部的两端和壳体后部的两端，使细胞培养多孔板固定在壳体上。
6.根据权利要求1或2所述的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置，其特征在于:所述装置还包括细胞培养箱，所述细胞培养箱内设有纵向分布的多层培养台，所述每层培养台用于放置一台超声波加载设备。
7.根据权利要求1或2所述的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置，其特征在于:所述每条凹形旋转螺杆的旋转角度范围是O~180°。
8.根据权利要求1或2所述的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置，其特征在于:在细胞培养多孔板固定在壳体上部时，所述多条凹形旋转螺杆的旋转中心线位于细胞培养多孔板孔内底部平面上。
9.根据权利要求1或2所述的多角度超声波加载的体外细胞学实验装置，其特征在于:所述壳体内在凹形旋转螺杆的旋转空间之外的部分填充有吸声材料。
10.多角度超声波加载的体外细胞学实验装置的实验方法，其特征在于包括以下步骤: I)将一台或多台超声加载设备经过环氧乙烷灭菌后放入细胞培养箱内，再将超声加载设备与细胞培养箱外的超声波发生器连接； 2)将细胞培养多孔板固定在超声加载设备上，通过旋转凹形旋转螺杆，调节在实验过程中的超声波的入射角度，然后关闭细胞培养箱； 3)打开超声波发生器的电源，通过功率、频率、波长和作用时间四个控制旋钮设置实验所需参数，开始实验； 4)实验结束后，关闭超声波发生器的电源，取出细胞培养多孔板进行细胞学实验检测，并解除超声波发生器与超声波加载设备的连接，取出超声波加载设备，关闭细胞培养箱，完成 实验。
【文档编号】C12M3/00GK104004656SQ201410227850
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】宁成云, 余遵雄 申请人:华南理工大学