空间细胞生物力学实验平台原理样机控制模块研制

发布时间：2017-07-06 06:24

  本文关键词：空间细胞生物力学实验平台原理样机控制模块研制

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【摘要】：随着航天技术及空间生命科学的发展，空间环境下细胞对于微重力及其它力学刺激的响应机制的研究显得越来越重要。因此，分析和区分微重力条件及其它力学刺激对细胞的影响成为认识细胞对重力变化响应机制的前提，而这些有关微重力条件的研究必须依赖于专门的实验技术平台。近年来主要航天科技大国已开发了一些空间细胞培养装置，但目前空间细胞生物学实验数据的质量仍然不高。其主要原因在于微重力下细胞生存的力学环境和物质传输条件发生重大改变，地面常规实验手段难以应用，如何严格和规范地控制细胞培养过程参数，分离重力变化和其他力学因素对细胞的影响成为制约实验质量的技术瓶颈。空间细胞生物力学实验平台因应空间生命科学研究的迫切需求而提上议事日程，科学家拟借助这一平台从生物力学的角度研究微重力下细胞生物学过程的基本规律。 本文调研了空间细胞生物学实验平台的发展现状，探索了空间细胞生物力学实验平台的关键技术和发展方向，搭建了流体控制模块，，温度pH监控模块，在线显微观测模块，拟为克服空间细胞生物力学实验研究的技术瓶颈奠定基础。1）规范空间细胞培养的力学环境首要在于控制其生存的流体环境，主要包括流体力学环境和物质交换条件两个方面。蠕动泵和注射泵因其液体输送管路可以单独进行灭菌处理成为细胞培养液输送控制的首选。本文针对空间细胞生物力学实验平台的需要，搭建了基于注射泵和蠕动泵的流动腔式培养器流体控制模块，旨在为空间细胞生物力学实验平台提供精确的流体环境，以分离重力和其它力学刺激对细胞的影响；2）细胞的培养需要合适的温度和pH环境，且因空间实验周期较长且依赖于自动操作，本文针对返回式卫星细胞实验系统设计了温度、pH监控模块，以实现温度和pH参数的长时程实时检测和自动反馈控制；3）对于空间细胞培养实验，细胞显微图像的实时采集对于观察细胞不同时期的形态、大小、数量，深入研究空间细胞生长特性有显著的帮助。本文进行了在线显微观测模块的初步设计，以实现细胞图像的实时采集。 本文搭建了空间细胞生物力学实验平台的关键技术模块，其研究结果为空间细胞生物力学实验平台的研制提供了原理性证明和技术支持，为促进空间细胞生物力学实验平台的模块化和标准化，以及为阐明细胞对重力环境改变的响应机制提供了方法学基础。
【关键词】：空间细胞培养 流体控制 环境参数控制 显微成像
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R85
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-20
• 1.1 研究背景8-16
• 1.1.1 细胞的力学-生物学耦合效应8-9
• 1.1.2 空间细胞生物学实验平台研究进展9-13
• 1.1.3 空间细胞生物学实验装置环境监控技术研究进展13-15
• 1.1.4 空间细胞生物学实验装置在线显微观测技术研究进展15-16
• 1.2 本文研究意义和内容16-17
• 1.2.1 研究意义16
• 1.2.2 研究内容16-17
• 1.3 论文结构17-20
• 2 流动腔式细胞实验系统流体控制模块20-32
• 2.1 基于注射泵的流体控制模块20-26
• 2.1.1 微重力下细胞间相互作用研究流动腔实验系统20-21
• 2.1.2 注射泵控制软件设计21-23
• 2.1.3 基于注射泵的流体控制模块系统搭建23-24
• 2.1.4 基于注射泵的流体控制模块应用24-25
• 2.1.5 本节小结25-26
• 2.2 基于蠕动泵的流体控制模块26-31
• 2.2.1 空间细胞生物力学平台流动腔式细胞培养和实验系统26
• 2.2.2 蠕动泵控制软件设计26-29
• 2.2.3 基于蠕动泵的流体控制模块性能测试29-30
• 2.2.4 流动腔式细胞培养和实验系统应用30-31
• 2.2.5 本节小结31
• 2.3 本章小结31-32
• 3 基于返回式卫星细胞培养实验系统的温度、pH 监控模块32-58
• 3.1 返回式卫星细胞培养实验系统32-33
• 3.2 温度、pH 监控模块硬件总体结构33
• 3.3 温度采集与控制模块33-42
• 3.3.1 温度采集模块34-37
• 3.3.2 温度控制模块37-40
• 3.3.3 温度设定模块40-41
• 3.3.4 温度控制 PID 算法41-42
• 3.3.5 本节小结42
• 3.4 pH 采集与控制模块42-48
• 3.4.1 pH 采集模块43-46
• 3.4.2 pH 控制控制模块46-48
• 3.4.3 本节小结48
• 3.5 模数转换模块48
• 3.6 主控模块48-49
• 3.7 电源模块49-50
• 3.8 显示模块50-51
• 3.9 系统软件设计51-53
• 3.9.1 软件开发平台概述51-52
• 3.9.2 系统整体程序设计52
• 3.9.3 程序调试52-53
• 3.10 系统功能测试53-56
• 3.10.1 pH 检测功能测试54
• 3.10.2 温度检测功能测试54-56
• 3.11 本章小结56-58
• 4 在线显微观测模块初步设计58-64
• 4.1 CCD 结构58
• 4.2 显微镜成像原理58-59
• 4.3 在线显微观测模块搭建59-62
• 4.4 全自动聚焦技术探讨62-63
• 4.4.1 全自动聚焦算法62
• 4.4.2 自动聚焦平台搭建62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 5 总结和展望64-66
• 5.1 总结64-65
• 5.2 展望65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-73
• 附录73-81
• A. 作者在攻读学位期间已录用的论文73
• B. 硕士期间参与的科研项目73
• C. 温度、pH 监控模块控制程序73-81

【参考文献】

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本文编号：525084