[发明专利]一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置

说明书

本发明公开了一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置，包括三维旋转单元、固定在三维旋转单元上的细胞恒向受力单元和连接三维旋转单元的监测控制单元；细胞培养瓶固定在细胞恒向受力单元上，可随三维旋转单元围绕球面旋转，产生各个方向的向心加速度，其相应离心力与重力可形成大小和方向时刻变化的合力，通过细胞恒向受力单元可以使细胞培养瓶始终与合力方向同步变化，监测控制单元可以监测细胞的受力情况并通过调控三维旋转单元转速而改变细胞受力大小，最终使细胞感受到大小可变的等效重力刺激。本发明可用于研究时变低重力、时变超重力以及科里奥利力等不同力学环境对细胞功能的影响。

技术领域

本发明属于生物力学实验设备领域，具体涉及一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置。

背景技术

近年来我国载人航天事业飞速发展，逐步向中长期航天飞行阶段迈进。航天飞行中产生的微重力环境将会导致人体心血管系统、骨骼肌肉系统等发生一系列变化，严重危害航天员身体健康。因此，研究微重力下人体生理变化特征及规律，特别是在细胞水平和分子水平深入研究其发生机制，进而提出针对性的防护措施十分必要。鉴于航天飞行机会及花费的限制，航天医学研究者开展了大量地面模拟微重力实验研究，发现了系列参与微重力影响人体生理功能的分子靶点和信号通路，但仍未完全揭示微重力或失重环境导致人体生理功能障碍的始动机制和发展机理。

目前，国内外广泛采用回转器在地面上模拟细胞水平的微重力效应。在回转器上，生物样本仍处于重力场中，受到恒定的重力矢量作用。但由于回转器的转动，使得它所搭载的生物样本的运动方向不断发生改变，始终来不及对一定方向上的重力做出响应，从而模拟了在航天飞行情况下细胞的微重力生物学效应。回转器为在地面开展模拟微重力条件下细胞水平生物学效应及发生机制提供了经济高效的方式，但真实航天环境中不存在恒定的微重力，而是由多种力学环境形成的时刻变化的微重力和低重力力场，而回转器仅能模拟恒定微重力实验条件，无法实现某个低重力实验条件或者从微重力到正常重力乃至超重力的梯度变化实验条件设置，这有可能错过许多重要调控因子或者信号分子的发现。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置，克服目前模拟微重力生物效应研究中，无法实现时变重力对细胞功能影响的实验条件的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置，包括三维旋转单元、固定在三维旋转单元上的细胞恒向受力单元和连接三维旋转单元的监测控制单元；所述三维旋转单元包括同心设置的绕径旋转环和绕轴旋转环；

所述绕径旋转环的水平直径两端外侧通过轴套和轮轴设于支架上，在轮轴一侧的支架上设有连接所述轮轴的第一电机，用以驱动轮轴带动绕径旋转环绕其水平直径进行360度旋转；

所述绕轴旋转环通过锚定滑轮连接在绕径旋转环内侧，且能相对于绕径旋转环做周向旋转；绕轴旋转环外侧设有齿纹，绕轴旋转环外侧啮合有直齿轮轴，直齿轮轴连接有第二电机，用以驱动直齿轮轴带动绕轴旋转环周向旋转；第二电机固定在绕径旋转环上；

所述第一电机和第二电机均与监测控制单元相连。

本发明还包括如下技术特征：

可选地，所述细胞恒向受力单元包括从外到内依次同心设置的半环形支架、外环和内环，还包括设在半环形支架下端的支撑杆、设在内环上且用以放置细胞培养瓶的置物板、设在置物板上的锥体支架以及设在椎体支架尖部的重锤；

所述外环直径方向两端外侧通过轴套与半环形支架内侧相连，以使外环能实现以自身直径为外环旋转中心轴进行旋转，内环直径方向两端外侧通过轴套与外环内侧两端相连，以使内环能实现以自身直径为内环旋转中心轴进行旋转；所述外环旋转中心轴与内环旋转中心轴互相垂直；