CN104818214B - 一种智能培养皿 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能培养皿，包括内底部设有电驱动可变形基底的皿体、驱动电路以及控制模块，所述驱动电路在控制模块的控制下为可变形基底提供相应的驱动电压，以驱动可变形基底发生相应的形变。本发明的智能培养皿利用电驱动的可变形基底对培养物质进行振动搅拌，根据需要对培养物质进行定向搅拌，弯曲变形，旋转搅拌等。且通过电控制，结构简单，制作容易，成本很低，可以一次性使用，同时可以提供多种搅拌功能。
Description
技术领域
本发明涉及微生物及细胞培养技术领域，具体涉及一种智能培养皿。
背景技术
培养皿是一种用于微生物或细胞培养的实验室器皿，由一个平面圆盘状的底和一个盖组成，一般用玻璃或塑料制成。
传统的培养皿多为简单的玻璃或塑料器皿，主要在生物学领域中用于细胞培养，其不具有振动和搅拌功能。
近年来为满足各种培养需要，出现了新型的减震培养皿，如公开号为202671544U的实用新型专利申请公开了一种减震培养皿，包括皿体和皿盖，皿体的底部设有减震层，减震层与皿体之间设有胶水层，减震层为泡沫塑料层。该减震培养皿可在培养细胞等操作时，避免培养皿在搬运过程中剧烈振动，减小振动对培养皿内培养物的生长造成不利影响。
在此基础上，公开号为203048939U的实用新型专利申请公开了一种密封式防振动的新型培养皿，属于微生物实验用器皿，包括培养皿本体，以及设在培养皿本体上方的压盖，压盖内壁上设有卡槽，培养皿本体的底部设有减震层，且减震层上端设有保温层，保温层上设有培养区，培养皿本体外壁上设有与盖体上卡槽相配合的凸台，培养皿本体下端设有底座。卡槽和凸台可以使培养皿本体与压盖相互卡紧，成为一个基本密闭的空间。减震层可避免培养皿在搬运过程中有剧烈振感，减小振动对培养皿内培养物的生长造成不利影响。
而对于生物实验，除了减震的需要，对于某些特殊应用，需要创造振动，对培养皿中的培养液进行振动搅拌。由于细胞等培养物质一般比较脆弱，容易损坏，因此不能使用传统的搅拌方式(如搅拌棒)进行搅拌，只能通过其他方式进行搅拌。
现有的可振动培养皿大多通过超声波振动来实现振动，其虽然可以实现对培养皿中培养物质的振动，但是不能控制振动的方向和位置，同时超声波振动技术还有成本较高，使用价格较为昂贵的缺点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种智能培养皿，能够实现振动方向和位置的控制，且成本低廉。
一种智能培养皿，包括内底部设有电驱动的可变形基底的皿体、驱动电路以及控制模块，所述驱动电路在控制模块的控制下为可变形基底提供相应的驱动电压，以驱动可变形基底发生相应的形变。
本发明的培养皿通过皿体内底部的电驱动可变形基底的形变而产生振动。由于该可变形基底为电驱动可变形基底，因此，可以通过电控制实现对培养皿振动模式的控制，易于实现。
本发明中皿体可以采用现有的玻璃培养皿等。
所述可变形基底由上至下依次包括保护层，上、下表面设有柔性电极层的驱动层，所述驱动层中内嵌有刚度大于驱动薄膜的功能纤维；
所述驱动层上、下表面的柔性电极层相互配合以接收驱动电路输出的驱动电压。
在驱动层中嵌入刚度大于驱动薄膜的功能纤维的目的是为了限制驱动层形变方向，进而达到实现培养皿在特定方向上的振动。为保证振动方向的精确度，功能纤维与驱动薄膜的刚度差异越大越好。作为优选，所述功能纤维的刚度为驱动薄膜的刚度10倍以上。
当在驱动层上、下表面的柔性电极上分别施加正、负电压时，薄膜同侧同极电荷相互排斥使薄膜表面积变大，薄膜异侧异极电荷相互吸引使薄膜厚度变薄，两者综合作用的结果就是使薄膜产生面积变大，厚度变薄的变形，当撤掉电压时，薄膜恢复原来的形状。
作为优选，所述驱动层为介电高弹体薄膜，厚度为0.2～2mm。进一步优选，柔性电极层采用碳膏，导电硅胶等材料。
此外，由于柔性电极层导电，裸露在外，容易产生漏电事故。本发明中保护层绝缘且为柔性，即所述的保护层为柔性绝缘保护层。
柔性电极层和保护层过厚会影响振动幅度，因此，作为优选，所述柔性电极层的厚度为0.05～0.3mm，且小于为所述驱动层的厚度。所述的保护层的厚度为0.1～0.5mm。
为保证功能纤维能够嵌入驱动层中，所述功能纤维的直径为0.1～0.5mm，且小于驱动层的厚度。
培养皿的振幅取决于所述的可变形基底中各组成层(包括驱动层、柔性电极层和保护层)的材料和厚度，以及功能纤维的材料及直径，在细胞培养领域，由于细胞本身比较脆弱，容易损坏，因此对于振动幅度有一定的限定，振幅通常应小于3mm，作为优选，振幅为0.5mm～2mm。相应的，在上述条件下，所述驱动电路提供的驱动电压为2kV～20kV，且在控制模块作用下在该范围内连续可调。
此外，为保证驱动层上、下表面的柔性电极之间绝缘，所述驱动层上、下表面的柔性电极层边缘距离驱动层边缘的最短距离为5～10mm，最优为5mm。
与现有技术相比，本发明的智能培养皿利用DE复合材料可变形基底对培养物质进行振动搅拌，根据需要对培养物质进行定向搅拌，弯曲变形，旋转搅拌等。且通过电控制，结构简单，制作容易，成本很低，可以一次性使用，同时可以提供多种搅拌功能。
附图说明
图1为本实施例的智能培养皿的结构示意图；
图2为可变形基底的结构示意图；
图3功能纤维呈直线型排列的示意图；
图4功能纤维呈方阵形排列的示意图；
图5功能纤维呈螺线形排列的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
一种智能培养皿，如图1所示，包括内底部设有电驱动可变形基底1的皿体2、驱动电路3以及控制模块4，驱动电路3在控制模块4的控制下为可变形基底提供相应的驱动电压，以驱动可变形基底1发生相应的形变。
如图2所示，可变形基底由上至下依次包括保护层5，上、下表面设有柔性电极层8的驱动层6，驱动层6中内嵌有刚度大于驱动层6的功能纤维7。本实施例可变形基底中，驱动层6下表面的柔性电极层8上还设有保护层5。
实际应用时，通过控制模块4控制驱动电路3提供的驱动电压的大小，使驱动层6发生相应的形变。而驱动层6中内嵌有刚度大于驱动层6的功能纤维7，有功能纤维7嵌入的地方的形变受到限制，进而使培养皿形成特定的振动模式。
本实施例中驱动层6为介电高弹体薄膜，具体为3M-VHB 4910材料，厚度为2mm。
位于其上、下表面的柔性电极层8可采用碳膏，导电硅胶等材料。本实施例中为碳膏，厚度为0.1mm。为保证上、下表面的柔性电极层之间的电隔离，上、下表面的柔性电极层的边缘距离驱动层的边缘的最小距离为5mm。
保护层5的作用是将柔性电极层封装在内部，避免其和外界的接触；本实施例中保护层绝缘且为柔性，由3M-VHB 9473材料制备得到，厚度为0.1mm。
为保证功能纤维7能够内嵌于驱动层6中，功能纤维7的直径小于驱动层6的厚度，本实施例中功能纤维的直径为0.3mm。
功能纤维的刚度相对于驱动层刚度差异越大，限制作用越强。通常要求功能纤维的刚度为驱动薄膜的刚度10倍以上。可采用尼龙、塑料、橡胶等等刚度为驱动层刚度10倍以上的绝缘材料材质制备得到，如尼龙丝，塑料丝，橡胶丝，本实施例中为尼龙丝。
功能纤维在驱动层中的排列方式不同，对应得到的培养皿的驱动方式不同。
a.如图3所示，当功能纤维呈直线型排列时，即各根功能纤维按照等距直线的形式排列，并内嵌在驱动薄膜中间，其中涂有柔性电极的部分为可驱动部分，称为主动薄膜，没有涂柔性电极的驱动薄膜的部分为不可驱动部分，称为被动薄膜)。由于纤维限制了主动薄膜在水平方向的变形，因此该薄膜只能在竖直方向变形，且变形量比不加纤维时大。
当通电时，薄膜基底主动部分在竖直方向被拉长，断电时该部分又收缩，由此可见直线型纤维能实现培养皿对培养物质在特定方向的拉伸与压缩。
b.如图4所示，当功能纤维呈方阵形排列时，即功能纤维分为横向和纵向排列并形成若干个封闭区域，随机分布在驱动层上，仅在功能纤维围成的封闭区域内涂有柔性电极，而在该区域外不涂柔性电极。
通电时，封闭区域内的主动薄膜要产生面积变大，厚度变薄的变形，而功能纤维由于为封闭型，自身不能产生这种变形，因此限制了主动薄膜在薄膜平面内的变形，从而导致主动薄膜只能在垂直于薄膜平面的方向上变形，进而形成多个凸起点，该凸起点的凸起方向随机分布在薄膜两侧，又如图1所示，由于可变形基底的下端与刚性的培养皿外壳直接接触，因此该凸起点只能向上凸起而不能向下凸起，通过合理布置这类凸起点的位置能实现对培养皿内培养物质在特定方向的弯曲变形。
c.如图5所示，功能纤维呈螺线形排列。通电后，螺线区域外的主动薄膜可以自由变形，而螺线区域内的主动薄膜由于螺线的限制，只能沿着螺线的旋出方向进行变形，因此会使螺线区域内的主动薄膜产生一定角度的旋转变形。在图5所示的螺线排列方式中，通电时主动薄膜产生逆时针方向的旋转，断电后薄膜产生顺时针方向的旋转恢复变形前的状态。通过这种螺线型纤维能够实现培养皿对培养物质的旋转和搅拌作用。
根据电驱动的可变形基底的变形原理，本实施例中控制模块主要用于控制驱动电路输出的驱动电压以控制驱动层发生相应的形变。因此驱动电路所提供的驱动电压的大小直接控制整个培养皿的振幅。
本实施例中为要求培养皿的振幅为0.5mm～2mm的培养皿，因此，驱动电路提供的驱动电压为2kV～20kV，且驱动电路提供的驱动电压在该范围内连续可调，具体调节方式受到控制模块的控制。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种智能培养皿，其特征在于，包括皿体、驱动电路以及控制模块，所述皿体的内底部设有电驱动的可变形基底，驱动电路在控制模块的控制下为可变形基底提供相应的驱动电压，以驱动可变形基底发生相应的形变；
所述可变形基底由上至下依次包括保护层，上、下表面设有柔性电极层的驱动层，所述驱动层中内嵌有刚度大于驱动层的功能纤维；所述驱动层上、下表面的柔性电极层相互配合以接收驱动电路输出的驱动电压。
2.如权利要求1所述的智能培养皿，其特征在于，所述功能纤维的刚度为驱动薄膜的刚度10倍以上。
3.如权利要求2所述的智能培养皿，其特征在于，所述驱动层为介电高弹体薄膜。
4.如权利要求3所述的智能培养皿，其特征在于，所述驱动层的厚度为0.2～2mm。
5.如权利要求3所述的智能培养皿，其特征在于，所述功能纤维的直径为0.1～0.5mm，且小于驱动层的厚度。
6.如权利要求3所述的智能培养皿，其特征在于，所述柔性电极层的厚度为0.05～0.3mm，且小于所述驱动层的厚度。
7.如权利要求3～6中任意一项所述的智能培养皿，其特征在于，所述驱动电路提供的驱动电压为2kV～20kV。
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