一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱及其应用

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1.本发明属于生物培养装置技术领域，更具体的说是涉及一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱及其应用。

背景技术：

2.声悬浮技术，是地面和空间条件下实现材料无容器处理的关键技术之一。它不受材料导电与否的限制，悬浮较稳定，容易控制，因而可用于研究非金属材料和低熔点合金的无容器凝固。近年来，随着我国神舟十三号、嫦娥五号发射，空间站建立等太空探索的开展，探究宇航员在太空环境中的身体损伤机理及应对在太空中的生长发育变化具有重大意义。低功率、便携式声悬浮系统，无需物理样品支持，可以在地面模拟空间条件下实现材料无容器处理，研究非金属材料和低熔点合金的无容器凝固，开展微剂量生物化学的研究，可消除容器对分析物的吸附，保持细胞的自然生存环境，避免器壁对分析检测信号的干扰；也可以模拟空间站微重力环境，探究生物体在太空环境中的机体损伤机理及其可能的独特生长发育机制。
3.目前，模拟微重力环境使加工材料处于悬浮状态有四种常用手段：静电悬浮、气悬浮、磁悬浮、声悬浮。静电悬浮、气悬浮方法在实验过程需搅动和改变样品；磁悬浮方法只支持铁磁材料，抗磁性材料可以通过排斥样品的磁铁悬浮。而声悬浮利用声波可以捕获不同材料和各种毫米尺寸的粒子的新式悬浮技术，对被悬浮物几乎没有特殊要求。目前声悬浮技术往往利用声波对物体进行无接触移动，却没有模拟微重力环境进行生命科学方面的应用。
4.因此，如何开发一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱及其应用是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱及其应用。
6.本发明的目的在于克服目前一些生物研究需要在太空环境微重力情况的不便之处，以及消除容器对分析物的吸附，保持细胞的自然生存环境，避免器壁对分析检测信号的干扰。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱，包括培养箱体、声悬浮装置、温湿度控制器和超声波驱动器；
9.上述声悬浮装置与上述培养箱体内底部固定连接，上述温湿度控制器与上述培养箱体内侧壁固定连接，上述超声波驱动器位于培养箱体外部，通过导线穿过培养箱体与声悬浮装置电连接。
10.本发明的有益效果：本发明利用声悬浮技术，将物体悬浮在培养箱内，模拟微重力环境，减少外部环境对样本的影响，从而达到以线虫作为模型，研究其在微重力情况下的变
化，探究其肌肉萎缩机制，基因蛋白质表达情况等，以期从中寻到解决办法以应对微重力对人类造成的影响，该培养箱内的声悬浮装置可以将轻小物体悬浮在培养箱内，温湿度控制器可以控制箱内的温湿度以模拟某种特定环境。
11.进一步，上述声悬浮装置包括上超声阵列、下超声阵列和连接支架，上述连接支架与培养箱体内底部固定连接，上述上超声阵列、下超声阵列均与连接支架可拆卸安装连接，上述上超声阵列设置在下超声阵列上方，上述上超声阵列和下超声阵列的距离为半波长整数倍。
12.采用上述进一步技术方案的有益效果：连接支架可以精密调节上下超声阵列的距离，使其距离为半波长整数倍，达到悬浮的目的，使得两列波形成的驻波更稳定，从而使轻小物体的悬浮姿态更加稳定。
13.进一步，上述上超声阵列和下超声阵列均为凹球面形。
14.进一步，上述超声波驱动器包括单片机一和功率放大芯片，上述单片机一和功率放大芯片电连接，上述功率放大芯片通过导线分别与上述上超声阵列与下超声阵列电连接，上述功率放大芯片输出两路20-60khz正弦信号分别接入上超声阵列与下超声阵列，两路20-60khz正弦信号频率一致，方向相反。
15.采用上述进一步技术方案的有益效果：通过电脑软件在单片机一内部编写程序，再将单片机一输出信号输入功率放大芯片，实现两路20-60khz正弦信号输出，分别接入上述上超声阵列与下超声阵列，且功率足以使上下超声阵列正常工作。声悬浮装置能使轻小物体悬浮的原理是两列波的频率和传输速度一致，但是方向相反，故超声波驱动器产生两路频率和传输速度近乎一致但是方向相反的波以产生驻波。
16.进一步，上述上超声阵列与下超声阵列包括若干个超声波换能器，上述上超声阵列的各超声波换能器与下超声阵列的各超声波换能器的位置一一对应，上述功率放大芯片输出两路20-60khz正弦信号通过四根导线分别接入上超声阵列的超声波换能器与下超声阵列的超声波换能器，四根导线两两分别对应两路的正负极，上述上超声阵列与下超声阵列的超声波换能器的正负极方向一致。
17.进一步，上述上超声阵列、下超声阵列分别安装1-36个超声波换能器，每一个超声波换能器都是正极朝外，确保声波方向一致。
18.进一步，上述超声波驱动器还包括风扇，上述风扇固定安装在单片机一的一侧。
19.采用上述进一步技术方案的有益效果：通过电脑软件在单片机一内部编写程序，再将单片机输出信号输入功率放大芯片，实现两路20-60khz正弦信号输出，分别接入上述上超声阵列与下超声阵列，且功率足以使上下超声阵列正常工作，此过程中会引起功率放大芯片发热，故安装风扇帮助散热。
20.进一步，上述温湿度控制器包括喷雾器、电加热器、半导体制冷器、温度传感器、湿度传感器和单片机二，上述喷雾器、电加热器、半导体制冷器、温度传感器、湿度传感器分别与单片机二电连接。
21.采用上述进一步技术方案的有益效果：由温度传感器和湿度传感器传送温湿度信号进单片机二，通过电脑软件在单片机二内部编写程序，单片机二运行内部程序，输出温湿度控制信号至喷雾器和电加热器以及半导体制冷器。
22.进一步，还包括光学观察仪，上述培养箱体侧壁开设有通孔，上述光学观察仪通过
通孔与培养箱体内部连通。
23.采用上述进一步技术方案的有益效果：光学观察仪可以观察悬浮样品的性状。
24.进一步，上述光学观察仪包括光学显微镜或电子显微镜或x射线检测成像系统、摄像头或摄像机和usb接线；
25.上述光学显微镜或电子显微镜的目镜与摄像头或摄像机连通，或，x射线检测成像系统与摄像头或摄像机连通；
26.上述摄像头或摄像机和usb接线电连接。
27.采用上述进一步技术方案的有益效果：摄像头或摄像机拍摄光学显微镜或电子显微镜或x射线检测成像系统得到的图片经过usb接线传输至电脑，输出图像。
28.进一步，上述培养箱体顶部或侧壁一侧安装有拉门手柄或移门，用于打开培养箱体。
29.进一步，上述培养箱体为亚克力材质或玻璃材质。
30.本发明还提供一种上述模拟微重力的声悬浮式生物培养箱在观察生物样品、有机材料或无机材料中的应用。
附图说明
31.图1为本发明模拟微重力的声悬浮式生物培养箱结构示意图；
32.图2为本发明上超声阵列或下超声阵列结构示意图；
33.图3为本发明温湿度控制器结构示意图；
34.图4为本发明模拟微重力的声悬浮式生物培养箱功能实现的流程图；
35.图5为本发明实施例1悬浮样品(以液滴为例)的视图。
36.其中，1-培养箱体，2-声悬浮装置，3-超声波驱动器，4-光学观察仪，5-温湿度控制器，6-通孔，7-上超声阵列，8-下超声阵列，9-连接支架，10-超声波换能器，11-正极，12-负极，100-单片机一，200-功率放大芯片，300-风扇，400-光学显微镜，500-摄像头，600-usb接线，1000-喷雾器，2000-电加热器，3000-半导体制冷器，4000-温度传感器，5000-湿度传感器，6000-单片机二。
具体实施方式
37.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.如图1所示，模拟微重力的声悬浮式生物培养箱，包括培养箱体1、声悬浮装置2、温湿度控制器5和超声波驱动器3；
39.声悬浮装置2与培养箱体1内底部固定连接，温湿度控制器5与培养箱体1内侧壁固定连接，超声波驱动器3位于培养箱体1外部，通过导线穿过培养箱体1与声悬浮装置2电连接。
40.本装置利用声悬浮技术，将物体悬浮在培养箱内，模拟微重力环境，减少外部环境对样本的影响，该培养箱内的声悬浮装置2可以将轻小物体悬浮在培养箱内，温湿度控制器
5可以控制箱内的温湿度以模拟某种特定环境。
41.在一个实施例中，声悬浮装置2包括上超声阵列7、下超声阵列8和连接支架9，连接支架9与培养箱体1内底部固定连接，上超声阵列7、下超声阵列8均与连接支架9可拆卸安装连接，上超声阵列7设置在下超声阵列8上方，上超声阵列7和下超声阵列8的距离为半波长整数倍。
42.连接支架9可以精密调节上下超声阵列8的距离，使其距离为半波长整数倍，达到悬浮的目的，使得两列波形成的驻波更稳定，从而使轻小物体的悬浮姿态更加稳定。
43.在一个实施例中，上超声阵列7和下超声阵列8均为凹球面形。
44.在一个实施例中，超声波驱动器3包括单片机一100和功率放大芯片200，单片机一100和功率放大芯片200电连接，功率放大芯片200通过导线分别与上超声阵列7与下超声阵列8电连接，功率放大芯片200输出两路20-60khz正弦信号分别接入上超声阵列7与下超声阵列8，两路20-60khz正弦信号频率一致，方向相反。
45.通过电脑软件在单片机一100内部编写程序，再将单片机一100输出信号输入功率放大芯片200，实现两路20-60khz正弦信号输出，分别接入上述上超声阵列7与下超声阵列8，且功率足以使上下超声阵列8正常工作。声悬浮装置2能使轻小物体悬浮的原理是两列波的频率和传输速度一致，但是方向相反，故超声波驱动器3产生两路频率和传输速度近乎一致但是方向相反的波以产生驻波。
46.如图1-2所示，在一个实施例中，上超声阵列7与下超声阵列8包括若干个超声波换能器10，上超声阵列7的各超声波换能器10与下超声阵列8的各超声波换能器10的位置一一对应，功率放大芯片200输出两路20-60khz正弦信号通过四根导线分别接入上超声阵列7的超声波换能器10与下超声阵列8的超声波换能器10，四根导线两两分别对应两路的正负极12，上超声阵列7与下超声阵列8的超声波换能器10的正负极12方向一致。
47.在一个实施例中，上超声阵列7、下超声阵列8分别安装1-36个超声波换能器10，每一个超声波换能器10都是正极11朝外，确保声波方向一致。
48.超声波换能器10可以将输入的20-60khz的电信号转换为声信号，产生声波。
49.在一个实施例中，超声波驱动器3还包括风扇300，风扇300固定安装在单片机一100的一侧。
50.通过电脑软件在单片机一100内部编写程序，再将单片机输出信号输入功率放大芯片200，实现两路20-60khz正弦信号输出，分别接入上超声阵列7与下超声阵列8，且功率足以使上下超声阵列8正常工作，此过程中会引起功率放大芯片200发热，故安装风扇300帮助散热。
51.如图3所示，在一个实施例中，温湿度控制器5包括喷雾器1000、电加热器2000、半导体制冷器3000、温度传感器4000、湿度传感器5000和单片机二6000，喷雾器1000、电加热器2000、半导体制冷器3000、温度传感器4000、湿度传感器5000分别与单片机二6000电连接。
52.由温度传感器4000和湿度传感器5000传送温湿度信号进单片机二6000，单片机二6000运行内部程序，输出温湿度控制信号至喷雾器1000和电加热器2000以及半导体制冷器3000。
53.在一个实施例中，还包括光学观察仪4，培养箱体1侧壁开设有通孔6，光学观察仪4
通过通孔6与培养箱体1内部连通。光学观察仪4可以观察悬浮样品的性状。
54.在一个实施例中，光学观察仪4包括光学显微镜400或电子显微镜或x射线检测成像系统、摄像头500或摄像机和usb接线600；
55.光学显微镜400或电子显微镜的目镜与摄像头500或摄像机连通，或，x射线检测成像系统与摄像头500或摄像机连通；
56.摄像头500或摄像机和usb接线600电连接。
57.摄像头500或摄像机拍摄光学显微镜400或电子显微镜或x射线检测成像系统得到的图片经过usb接线600传输至电脑，输出图像。
58.在一个实施例中，培养箱体1顶部或侧壁一侧安装有拉门手柄或移门，用于打开培养箱体1。
59.在一个实施例中，培养箱体1为亚克力材质或玻璃材质。
60.如图4所示，通过电脑软件给单片机一100和单片机二6000编写程序，外界温湿度信号由温湿度传感器5000获取后输入单片机二6000，单片机二6000进行温度比较后输出控制信号调节培养箱内温湿度；单片机一100则输出20-60khz的正弦信号再经功率放大器放大为两路20-60khz正弦信号，再输入到声悬浮装置2以实现轻小生物悬浮的目的，最后用光学观察仪4观察轻小生物在拟微重力环境下的生物学性状及微观和分子/蛋白水平表达表达等情况。
61.实施例1
62.按照图1所示组装形成一个声悬浮式生物培养箱，精密调节声悬浮式生物培养箱中的连接支架，即上超声阵列和下超声阵列之间的距离，通过注射泵小心挤出一滴水(体积约12.5微升)，观察其液滴悬浮情况，液滴悬浮状态如图5中箭头所指，液滴悬浮的结果如下表1。
63.表1
64.上下高度*145mm150mm155mm能否悬浮不能能不能
65.*表中的上下高度为上下超声阵列最底部和最顶部之间的距离，材料厚1.85mm。
66.结论：上下超声阵列最底部和最顶部之间的距离为150mm时液滴能够处于悬浮状态。
67.实施例2
68.通过实施例1确定使液滴悬浮的距离(即半波长整数倍)后，确认较佳的超声波换能器数量。以型号tct40-16t(池州易声电子器件有限公司)的超声波换能器为例，分别对2个、6个、12个、24个、36个、72个超声波换能器进行测试，观察其液滴悬浮情况。其排列方式如下：2个超声波换能器是单独上下各一个，距离较近，正对。6个超声波换能器为上下各三个，安装在上下超声阵列上(后同)。12个超声波换能器为上下各6个。24个超声波换能器为上下各12个。36个超声波换能器为上下各18个。72个超声波换能器为上下各36个(如图2所示)。悬浮结果如下表2。
69.表2
[0070][0071]
结论：只要位置一一对应，超声波换能器个数的不影响悬浮状态。
[0072]
实施例3
[0073]
分别通过实施例1、2确定使液滴悬浮的距离(即半波长整数倍)和超声波换能器数量后，对不同输入电信号频率(khz)进行了测试，本发明所用的超声波换能器为标称频率为40khz，对别的标称频段的超声波换能器也做了测试。观察其液滴悬浮情况。悬浮结果如下表3。
[0074]
表3
[0075][0076]
结论：超声波换能器的频率从20khz-60khz均能正常悬浮液滴。
[0077]
实施例4
[0078]
将在4℃条件下保存的醋酸钙不动杆菌菌种于lb培养基上30℃划线培养，挑取活化后的菌接种于20ml无菌lb液体培养基的三角瓶中，置于30℃,180rpm/min，恒温摇床中培养，将细菌菌液浓度摇到od600＝0.4～0.6；10000rpm/min,离心30s,去上清留菌沉淀，之后用1ml无菌水重悬菌沉淀，取100μl菌液进行梯度稀释，获得终浓度为2个细菌/μl的菌液(用atp荧光标记检测仪测定)。
[0079]
用注射器吸取500μl菌液，通过微注射泵小心悬浮菌液至声悬浮式生物培养箱内，开启温湿度控制器，将温度保持在20℃，分别进行95％湿度保和40％湿度条件下的处理观察，处理时间分别为15分钟，30分钟，45分钟。将处于声悬浮装置中的液滴涂布至lb培养基上，30℃下培养过夜，观察记录细菌的菌落个数。实验重复3次。
[0080]
实验结果如下表4。
[0081]
表4
[0082][0083]“/”表示液滴已经消失不见。
[0084]
结论：开启温湿度控制器，高湿条件下液滴保持悬浮状态的时间要长于低湿条件。
[0085]
实施例5
[0086]
将在4℃条件下保存的醋酸钙不动杆菌菌种于lb培养基上30℃划线培养，挑取活
化后的菌接种于20ml无菌lb液体培养基的三角瓶中，置于30℃,180rpm/min，恒温摇床中培养，将细菌菌液浓度摇到od600＝0.4～0.6；10000rpm/min,离心30s,去上清留菌沉淀，之后用1ml无菌水重悬菌沉淀，取100μl菌液进行梯度稀释，获得终浓度为2个细菌/μl的菌液(用atp荧光标记检测仪测定)。
[0087]
用注射器吸取500μl菌液，通过微注射泵小心悬浮菌液至声悬浮式生物培养箱内，开启温湿度控制器，将温度保持在20℃，湿度保持在95％以上，连续处理2小时和6小时。取相同体积液滴于无菌ep管内相同条件下静置生长相同时间作为对照。
[0088]
将静置培养相同时间的相同体积的醋酸钙不动杆菌菌滴涂布至lb培养基上，30℃下培养过夜，观察记录细菌的菌落个数。实验重复3次。
[0089]
实验结果如下表5。
[0090]
表5
[0091][0092]
结论：声悬浮处理后的醋酸钙不动杆菌菌滴比对照组的生长速度要快(即涂布平板后的菌落个数较多)。
[0093]
对所公开的实施例的说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：

1.一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱，其特征在于，包括培养箱体、声悬浮装置、温湿度控制器和超声波驱动器；所述声悬浮装置与所述培养箱体内底部固定连接，所述温湿度控制器与所述培养箱体内侧壁固定连接，所述超声波驱动器位于培养箱体外部，通过导线穿过培养箱体与声悬浮装置电连接。2.根据权利要求1所述一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱，其特征在于，所述声悬浮装置包括上超声阵列、下超声阵列和连接支架，所述连接支架与培养箱体内底部固定连接，所述上超声阵列、下超声阵列均与连接支架可拆卸安装连接，所述上超声阵列设置在下超声阵列上方，所述上超声阵列和下超声阵列的距离为半波长整数倍。3.根据权利要求2所述一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱，其特征在于，所述超声波驱动器包括单片机一和功率放大芯片，所述单片机一和功率放大芯片电连接，所述功率放大芯片通过导线分别与所述上超声阵列与下超声阵列电连接，所述功率放大芯片输出两路20-60khz正弦信号分别接入上超声阵列与下超声阵列，两路20-60khz正弦信号频率一致，方向相反。4.根据权利要求3所述一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱，其特征在于，所述上超声阵列与下超声阵列包括若干个超声波换能器，所述上超声阵列的各超声波换能器与下超声阵列的各超声波换能器的位置一一对应，所述功率放大芯片输出两路20-60khz正弦信号通过四根导线分别接入上超声阵列的超声波换能器与下超声阵列的超声波换能器，四根导线两两分别对应两路的正负极，所述上超声阵列与下超声阵列的超声波换能器的正负极方向一致。5.根据权利要求4所述一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱，其特征在于，所述上超声阵列、下超声阵列分别安装1-36个超声波换能器，每一个超声波换能器都是正极朝外，确保声波方向一致。6.根据权利要求3所述一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱，其特征在于，所述超声波驱动器还包括风扇，所述风扇固定安装在单片机一的一侧。7.根据权利要求1所述一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱，其特征在于，所述温湿度控制器包括喷雾器、电加热器、半导体制冷器、温度传感器、湿度传感器和单片机二，所述喷雾器、电加热器、半导体制冷器、温度传感器、湿度传感器分别与单片机二电连接。8.根据权利要求1所述一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱，其特征在于，还包括光学观察仪，所述培养箱体侧壁开设有通孔，所述光学观察仪通过通孔与培养箱体内部连通。9.根据权利要求8所述一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱，其特征在于，所述光学观察仪包括光学显微镜或电子显微镜或x射线检测成像系统、摄像头或摄像机和usb接线；所述光学显微镜或电子显微镜的目镜与摄像头或摄像机连通，或，x射线检测成像系统与摄像头或摄像机连通；所述摄像头或摄像机和usb接线电连接。10.一种权利要求1-9任一项所述模拟微重力的声悬浮式生物培养箱在观察生物样品、有机材料或无机材料中的应用。

技术总结

本发明公开了一种模拟微重力的声悬浮式生物培养箱，属于生物培养装置技术领域，包括培养箱体、声悬浮装置、温湿度控制器和超声波驱动器；所述声悬浮装置与所述培养箱体内底部固定连接，所述温湿度控制器与所述培养箱体内侧壁固定连接，所述超声波驱动器位于培养箱体外部，通过导线穿过培养箱体与声悬浮装置电连接。本发明利用声悬浮技术，将物体悬浮在培养箱内，模拟微重力环境，减少外部环境对样本的影响。影响。影响。