原位观测细胞培养装置的制作方法

1.本实用新型属于细胞培养技术领域，具体涉及一种原位观测细胞培养装置。


背景技术：

2.活细胞是生命体基本结构单位和功能单位，因此对单个活细胞的实时观测具有重要意义。而为了长时间实时观测细胞的活性和迁移增殖等行为，需要依靠与显微镜载物台机构相匹配的小型可移动式细胞培养装置，以实现图像数据的延时序列采集。
3.然而，当前的原位观测细胞培养装置中的气体混合式在培养盒外部完成，然后利用风机吹入培养盒内，这种方式虽然保证了气体在混合区的均匀性和浓度，但由于气体流通路径上经历较多环节，增加了加温气体和密闭气体的成本，也增加了气体泄漏的概率；气体到达培养盒内终端区域后其浓度与混合区预设浓度的差值会增大。
4.另外，部分载物台培养装置虽然能够实现单细胞培养过程的原位观测，但底部保温效果不佳，或内部热均匀性不佳，亦存在控制箱与培养盒的线路和管路连接不够便捷等问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种原位观测细胞培养装置，能够有效改善细胞培养腔室内部的温度和气体环境。
6.为达到上述目的，本实用新型是采用下述技术方案实现的：
7.本实用新型提供一种原位观测细胞培养装置，包括培养盒和与所述培养盒相连通的控制箱;
8.所述培养盒包括底板、顶板和从内至外依次围设在所述底板和顶板之间的内层板、中层板和外层板；所述内层板内设有培养腔室；所述内层板与中层板之间设置有加热板；所述内层板、中层板和外层板均设有通孔；
9.所述培养盒内设有多个与所述控制箱连接的传感器；所述传感器用于将采集的传感信号传输至所述控制箱；
10.所述控制箱用于根据所述传感信号为所述培养盒提供控制信号以及气体流量；控制箱输送气体流量依次经过外层板、中层板、加热板和内层板后进入所述培养腔室。
11.上述设置所取得的效果：本实用新型提供的原位观测细胞培养装置的培养盒具有内层板、中层板、外层板三层壁，分别与顶板和底板相配合形成相对密闭空间，气体的注入和混合在培养盒内完成，从中层进入到内层，过程更平缓，使培养腔室内部的热均匀性也更好，能够有效改善细胞培养腔室内部的温度环境，提升对细胞培养腔室内的温度控制水平，有效保证培养和试验效果。
12.进一步的，所述外层板上设有总入孔，所述总入孔内穿设有用于与所述控制箱连通的气管和导线；所述中层板上设有用于连通气管的进气孔和用于穿导导线的电源线进入口；
13.所述内层板均为散热板；所述内层板上至少设有一组气孔阵列。
14.上述设置所取得的效果：加热板位于培养盒的内层板和中层板之间，整个内层板作为加热板的散热板，使得热传导的面积增大，进而使得热均匀性更好。散热板上的通孔阵列，用于加速导通气体，且气体的进气孔位于培养盒中层板的一个壁板上，当气管从通过总入孔进入进气孔后，气体沿着培养盒内层板和中层板之间围成的间隙进行扩散，并通过内层板的两个散热板上的气孔阵列进入培养腔室，进而使得培养腔室中的细胞样品得到良好的培养和调控环境。
15.进一步的，所述气孔阵列包括多个单孔直径小于2mm的气孔。
16.上述设置所取得的效果：气孔直径小而多，既有利于内层板内外的热量传递，也有利于使气体充分在内层板与外层板之间扩散，另外，气体在进入培养盒的内腔室前，要经过中层板与内层板之间的一圈间隙，而内层板为加热板的散热板，其可对气体进行预加热，利用气体流动过程引起的对流传热效应使得传热效率和热均匀性得以提高。
17.进一步的，所述顶板上设有四个紧固旋钮，用于密闭连接中层板与顶板。
18.上述设置所取得的效果：紧固旋钮用于将顶板紧固于下面的中层板，使得内部腔室密封不漏气。
19.进一步的，所述底板上设有底部观察孔；所述底部观察孔通过法兰可拆卸连接有变径软管；所述变径软管下端可拆卸连接有直软管；所述底部观察孔通过变径软管与倒置显微镜的物镜连接；所述直软管直径与相配合的物镜直径相同，且与物镜的圆柱表面密封配合。
20.上述设置所取得的效果：培养盒的底部观察孔的周围区域与法兰面通过螺栓密封联接，法兰结构下端与变径软管连接，变径软管是弹性材料，直软管直径与相配合的物镜直径相同，使得直软管裹紧物镜，防止漏气。通过底部观察孔和变径软管，本实用新型所述装置可实现单细胞培养过程中原位显微观测的同时进行细胞实时图像采集，研究细胞长时间的动态行为，同时也可以与可控移动台配合使用，实现多组细胞同时培养、观测和图像采集，提高系统鲁棒性。
21.进一步的，所述顶板为透明板。
22.上述设置所取得的效果：透明板便于观察，并使得倒置显微镜的上光能够透过该透明板照到培养盒内部的细胞样品上。
23.进一步的，所述培养腔室内设有用于放置细胞培养板和培养盘的样品放置区以及用于安装细胞培养板和培养盘的嵌入机构。
24.上述设置所取得的效果：打开顶板后，可以通过嵌入机构轻易放入细胞培养板，有利于细胞培养板的固定和观测。
25.进一步的，所述传感器包括设置在培养腔室内的温度传感器和设在内层板与中层板之间的气体浓度传感器；
26.所述控制箱包括从上至下连接设置的上盖、中盖和底盖；
27.所述上盖为下端开口的盒形结构；
28.所述中盖为上端开口的盒形结构，其后面板向下延伸与所述底盖相连接；
29.所述底盖为前后敞开的u型结构，其前端可拆卸连接有底盖前面板；所述底盖内部设有直流电源组、分线器、气体过滤器以及设置在气体过滤器输入端的气体流量控制阀；
30.所述中盖内部设置有：气体浓度传感信号控制板、气体浓度pid控制器、温度pid控制器、气体继电器和热板继电器；
31.所述气体浓度传感信号控制板通过导线连接所述气体浓度传感器以获取培养腔室内的气体浓度，所述气体浓度传感信号控制板的输出端连接所述气体浓度pid控制器的输入端；所述气体浓度pid控制器的输出端通过所述气体继电器连接气体流量控制阀，用于控制气体进入流量；
32.所述温度pid控制器通过导线与所述温度传感器连接以获取培养腔室内的温度；所述温度pid控制器通过热板继电器与所述加热板连接，用于控制所述加热板的电流通断；
33.所述直流电源组的输出端通过分线器分出多路，为所述气体浓度传感信号控制板、气体浓度pid控制器、温度pid控制器、加热板供电；所述气体过滤器用于进行气体过滤，一端通过气体流量控制阀与气罐相连接，另一端通过气管与所述培养盒的总入孔连通。
34.上述设置所取得的效果：通过控制箱，可以实时控制培养腔室内的温度与气体流量，使用方便，控制精准。控制箱与培养盒内部的布线均在箱体内部的各个隔层完成，布线和管线更为规整，且培养盒和控制箱两者之间的管线整合为一束，移动培养盒更为便捷。
35.进一步的，所述培养盒的中层板内部还设置有用于加快气体流通的风扇；
36.所述中盖内还设置有与所述风扇通过继电器连接的风扇运行控制板；所述风扇运行控制板与所述直流电源组连接，用于控制所述风扇运转。
37.上述设置所取得的效果：风扇有利于驱动培养盒内部的气体循环流通，进而使得培养腔室中的细胞样品得到良好的培养和调控环境。
38.进一步的，所述上盖的侧面板与所述中盖的侧面板设有相配合的凹凸块嵌套结构，用于上盖与中盖连接；所述上盖的前面板与所述中盖的前面板相配合设置有用于安装所述气体浓度pid控制器和温度pid控制器的缺口；
39.所述气体浓度pid控制器和温度pid控制器均设有显示屏，用于显示培养腔室内的信息以及输入控制指令。
40.上述设置所取得的效果：凹凸块嵌套结构有利于上盖和中盖的连接安装，配合设置的缺口有利于安装气体浓度pid控制器和温度pid控制器，并把显示屏露出来。
41.进一步的，所述中盖的后面板或者两侧面板均设有通孔，用于导线和气体管路的进出；所述底盖底部或者侧面板上设有用于安装零部件的螺纹孔。
42.上述设置所取得的效果：控制箱内部的布线均在箱体内部的各个隔层和螺纹孔完成，布线和管线更为规整，且培养盒和控制箱两者之间的管线整合为一束，移动培养盒更为便捷。
43.进一步的，所述底盖的四角内侧设有加强柱体，且柱体与紧挨的两个相垂直的面板均用螺栓紧固；
44.所述加强柱体与所连接的两个面板之间的螺栓的上下位置是错开的；
45.上述设置所取得的效果：加强柱体和螺栓位置能够使得成直角的两个面板及整体结构的强度更好，不宜变形损坏。
46.与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果：
47.1.本实用新型提供的原位观测细胞培养装置，培养盒具有内层板、中层板、外层板三层壁，气体的注入和混合在培养盒内完成，从中层板进入到内层板，过程更平缓，培养腔
室内部的热均匀性也更好；
48.2.气体在进入培养盒的内腔室前，要经过中层板与内层板之间的一圈间隙，而内层板为加热板的散热板，其可对气体进行预加热，利用气体流动过程引起的对流传热效应使得传热效率和热均匀性得以提高。
49.3.控制箱与培养盒内部的布线均在箱体内部的各个隔层完成，布线和管线更为规整，且培养盒和控制箱两者之间的管线整合为一束，移动培养盒更为便捷。
50.4.本实用新型所述装置可实现单细胞培养过程中原位显微观测的同时进行细胞实时图像采集，研究细胞长时间的动态行为，同时也可以与可控移动台配合使用，实现多组细胞同时培养、观测和图像采集，提高系统鲁棒性。
附图说明
51.图1为本实用新型的实施例二的培养盒的结构模型图；
52.图2为本实用新型的实施例二的培养盒的底部管状连接结构示意图。
53.图3为本实用新型的实施例二的培养盒的内腔、内、中、外层隔板的结构示意图；
54.图4为本实用新型的实施例二的培养盒的导线导气孔洞与内、中、外层结构的位置关系示意图；
55.图5为本实用新型的实施例二的控制箱的整体结构分解示意图；
56.图6为本实用新型的实施例二的控制箱的内部零部件结构安装关系示意图。
57.图中：1、上盖；2、中盖；3、底盖；21、气体浓度pid控制器；22、温度pid控制器；23、气体浓度传感信号控制板；24、风扇运行控制板；25、上盖与中盖的导线连接通孔；26、中盖后面的导线连接通孔；31、直流电源组；32、分线器；33、底盖前面板；34、扩展孔；41、内层板；42、中层板；420、电源线进入口；421、进气孔；43、外层板；44、底板；45、法兰；46、变径软管；47、直软管；48、总入孔；5、样品放置区；51、嵌入机构。
具体实施方式
58.下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
59.在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施例的限制。
60.实施例一：
61.本实施例提供一种原位观测细胞培养装置，如图1-4所示，包括培养盒和与培养盒相连通的控制箱；培养盒包括底板44、顶板和从内至外依次围设在底板44和顶板之间的内层板41、中层板42和外层板43；内层板41内设有培养腔室；内层板41与中层板42之间设置有加热板；内层板41、中层板42和外层板43均设有通孔；培养盒内设有多个与控制箱连接的传感器；传感器用于将采集的传感信号传输至控制箱；控制箱用于根据传感信号为培养盒提供控制信号以及气体流量；控制箱输送气体流量依次经过外层板43、中层板42、加热板和内层板41后进入培养腔室。
62.实施原理：本实施例提供的原位观测细胞培养装置的培养盒具有内层板41、中层板42、外层板43三层壁，分别与顶板和底板44相配合形成相对密闭空间，气体的注入和混合在培养盒内完成，从中层进入到内层，过程更平缓，使培养腔室内部的热均匀性也更好，能够有效改善细胞培养腔室内部的温度环境，提升对细胞培养腔室内的温度控制水平，有效保证培养和试验效果。
63.在使用时，首先通过控制箱向培养盒输送气体流量，气体流量首先通过外层板43的通孔，通过气管输送至中层板42中，中层板42内与顶板和底板44以及内层板41之间构成一个相对封闭的空间，气体在此通过加热板进行加热，之后加热后的气体通过内层板41上的通孔进入培养腔室内。
64.实施例二：
65.本实施例提供一种原位观测细胞培养装置，包括培养盒（图1-4）和控制箱（图5-6）两部分。
66.如图1-4所示，培养盒包括底板44、顶板和从内至外依次围设在底板44和顶板之间的内层板41、中层板42和外层板43；内层板41内设有培养腔室；内层板41与中层板42之间设置有加热板；内层板41、中层板42和外层板43均设有通孔。
67.培养盒内设有多个与控制箱连接的传感器；传感器用于将采集的传感信号传输至控制箱。具体的，传感器包括设置在培养腔室内的温度传感器和设在内层板41与中层板42之间的气体浓度传感器，分别通过导线与控制箱连接。传感器传感器的其余部位可以跨越到中层板42到外层板43之间的区域。传感器无固定安装位置，只要满足上面即可，可以变换很多种。
68.控制箱用于根据传感信号为培养盒提供控制信号以及气体流量；控制箱输送气体流量依次经过外层板43、中层板42、加热板和内层板41后进入培养腔室。
69.培养盒具有内层板41、中层板42、外层板43三层壁，分别与顶板和底板44相配合形成相对密闭空间，气体的注入和混合在培养盒内完成，从中层进入到内层，过程更平缓，使培养腔室内部的热均匀性也更好。
70.优选地，外层板43上设有总入孔48，总入孔48内穿设有用于与控制箱连通的气管和导线。中层板42上设有用于连通气管的进气孔421和用于穿导导线的电源线进入口420；内层板41均为散热板；内层板41上至少设有一组气孔阵列。
71.具体的，内层板41是由四片散热板围起来的，整个内层板41作为加热板的散热板，使得热传导的面积增大，进而使得热均匀性更好（图3）。内层板41其中两个短边的散热板上有通孔阵列，用于加速导通气体，且气体的进气孔421位于培养盒中层板42的一个壁板上（图4），当气体软管从通过总入孔48进入进气孔后，气体沿着培养盒内层板41和中层板42之间围成的间隙进行扩散，并通过内层板41的两个散热板上的孔阵列进入培养腔室，进而使得培养腔室中的细胞样品得到良好的培养和调控环境。总入孔48的单个直径大于1cm，气孔阵列为直径小于2mm的通孔阵列。
72.加热板位于培养盒的内层板41和中层板42之间，整个内层板41作为加热板的散热板，使得热传导的面积增大，进而使得热均匀性更好。散热板上的通孔阵列，用于加速导通气体，且气体的进气孔位于培养盒中层板42的一个壁板上，当气管从通过总入孔48进入进气孔后，气体沿着培养盒内层板41和中层板42之间围成的间隙进行扩散，并通过内层板41
的两个散热板上的气孔阵列进入培养腔室，进而使得培养腔室中的细胞样品得到良好的培养和调控环境。
73.气孔直径小而多，既有利于内层板41内外的热量传递，也有利于使气体充分在内层板41与外层板43之间扩散，另外，气体在进入培养盒的内腔室前，要经过中层板42与内层板41之间的一圈间隙，而内层板41为加热板的散热板，其可对气体进行预加热，利用气体流动过程引起的对流传热效应使得传热效率和热均匀性得以提高。
74.优选地，顶板上设有四个紧固旋钮，用于密闭连接中层板42与顶板。紧固旋钮用于将顶板紧固于下面的中层板42，使得内部腔室密封不漏气。
75.优选的，如图2所示，底板44上设有底部观察孔；底部观察孔通过法兰45可拆卸连接有变径软管46；变径软管46下端可拆卸连接有直软管47；底部观察孔通过变径软管46与倒置显微镜的物镜连接；直软管47直径与相配合的物镜直径相同。
76.在细胞培养时，底部观察孔可以用可拆卸机构进行密封，如通过法兰45连接可拆卸密封板等。
77.如图2所示，培养盒的底部观察孔的周围区域与法兰45面通过螺栓密封联接，法兰45结构下端与变径软管46连接，变径软管46是弹性材料，直软管47直径与相配合的物镜直径相同，使得直软管47裹紧物镜，防止漏气。通过底部观察孔和变径软管46，本实用新型装置可实现单细胞培养过程中原位显微观测的同时进行细胞实时图像采集，研究细胞长时间的动态行为，同时也可以与可控移动台配合使用，实现多组细胞同时培养、观测和图像采集，提高系统鲁棒性。
78.具体的，顶板为透明板。透明板便于观察，并使得倒置显微镜的上光能够透过该透明板照到培养盒内部的细胞样品上。
79.优选的，培养腔室内设有用于放置细胞培养板的样品放置区5以及用于安装细胞培养板的嵌入机构51。
80.打开顶板后，可以通过嵌入机构51轻易放入细胞培养板，有利于细胞培养板的固定和观测。
81.培养盒具有内层板41、中层板42、外层板43三层，加热板位于培养盒的内层板41和图3中样品放置区5是细胞培养板（培养板内有多孔，每个孔内植入细胞）的放置区域，如果采用直径100mm的圆形的培养盘，则可以嵌入样品放置区5内的一对类似月牙形状的嵌入机构51中。
82.具体的，如图5-6所示，控制箱包括从上至下连接设置的上盖1、中盖2和底盖3；
83.上盖1为下端开口的盒形结构；中盖2为上端开口的盒形结构，其后面板向下延伸与底盖3相连接；底盖3为前后敞开的u型结构，其前端可拆卸连接有底盖前面板33；底盖3内部设有直流电源组31、分线器32、气体过滤器以及设置在气体过滤器输入端的气体流量控制阀。
84.中盖2内部设置有：气体浓度传感信号控制板23、气体浓度pid控制器21、温度pid控制器22、气体继电器和热板继电器；气体浓度传感信号控制板23通过导线连接气体浓度传感器以获取培养腔室内的气体浓度，气体浓度传感信号控制板23的输出端连接气体浓度pid控制器21的输入端；气体浓度pid控制器21的输出端通过气体继电器连接气体流量控制阀，用于控制气体进入流量；温度pid控制器22通过导线与温度传感器连接以获取培养腔室
内的温度；温度pid控制器22通过热板继电器与加热板连接，用于控制加热板的电流通断。
85.直流电源组31的输出端通过分线器32分出多路，为气体浓度传感信号控制板23、气体浓度pid控制器21、温度pid控制器22、加热板供电；气体过滤器用于进行空气过滤，一端通过气体流量控制阀与气罐相连接，另一端通过气管与培养盒的总入孔48连通。
86.通过控制箱，可以实时控制培养腔室内的温度与气体流量，使用方便，控制精准。控制箱与培养盒内部的布线均在箱体内部的各个隔层完成，布线和管线更为规整，且培养盒和控制箱两者之间的管线整合为一束，移动培养盒更为便捷。
87.优选的，培养盒的中层板42内部还设置有用于加快气体流通的风扇；中盖2内还设置有与风扇通过继电器连接的风扇运行控制板24；风扇运行控制板24与直流电源组31连接，用于控制风扇运转。风扇有利于驱动培养盒内部的气体循环流通，进而使得培养腔室中的细胞样品得到良好的培养和调控环境。微型风扇可以安装在内层与中层之间，也可以安装在内腔中，无固定位置。
88.优选地，上盖1的侧面板与中盖2的侧面板设有相配合的凹凸块嵌套结构，用于上盖1与中盖2连接；上盖1的前面板与中盖2的前面板相配合设置有用于安装气体浓度pid控制器21和温度pid控制器22的缺口；气体浓度pid控制器21和温度pid控制器22均设有显示屏，用于显示培养腔室内的信息以及输入控制指令。
89.凹凸块嵌套结构有利于上盖1和中盖2的连接安装，配合设置的缺口有利于安装气体浓度pid控制器21和温度pid控制器22，并把显示屏露出来。
90.具体的，中盖2的后面板或者两侧面板均设有通孔，用于导线和气体管路的进出；底盖3底部或者侧面板上设有用于安装零部件的螺纹孔。控制箱内部的布线均在箱体内部的各个隔层和螺纹孔完成，布线和管线更为规整，且培养盒和控制箱两者之间的管线整合为一束，移动培养盒更为便捷。如图5-6所示，包括上盖1与中盖2的导线连接通孔25和设置在中盖2后面的导线连接通孔26，用于连接导线。
91.优选的，如图1所示，底盖3的四角内侧设有加强柱体，且柱体与紧挨的两个相垂直的面板均用螺栓紧固；加强柱体与所连接的两个面板之间的螺栓的上下位置是错开的；加强柱体和螺栓位置能够使得成直角的两个面板及整体结构的强度更好，不宜变形损坏。
92.另外，控制箱还设有扩展孔34，用于进行功能模块拓展。
93.实施过程：气体发生器（商用购买所得，可以为气罐）产生的气体管路首先进入控制箱，在控制箱内经过气体流量控制阀（此阀的开闭及开闭频率是由对应气体继电器控制，其气体继电器又是由pid控制器控制），在经过过滤器后，从控制箱出来，然后进入培养盒的总入孔48。当气体软管从通过总入孔48进入进气孔后，气体沿着培养盒内层板41和中层板42之间围成的间隙进行扩散，并通过内层板41的两个散热板上的孔阵列进入内腔，进而使得内腔中的细胞样品得到良好的培养和调控环境，有效改善细胞培养腔室内部的温度和气体环境，提高细胞培养的质量和观测效果。
94.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
95.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固
定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
96.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
97.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
98.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。