空间细胞生物力学实验平台原理样机控制模块研制

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。