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CN113817604B - 压力缓冲模块及生物培养装置 - Google Patents

压力缓冲模块及生物培养装置 Download PDF

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CN113817604B
CN113817604B CN202010656376.3A CN202010656376A CN113817604B CN 113817604 B CN113817604 B CN 113817604B CN 202010656376 A CN202010656376 A CN 202010656376A CN 113817604 B CN113817604 B CN 113817604B
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Abstract

一种压力缓冲模块及生物培养装置，压力缓冲模块包括一壳体、一泵模块、一压力感测器及一稳压缸。泵模块、压力感测器及稳压缸设置于壳体内。稳压缸连通于泵模块与压力感测器之间。本发明还提供一种生物培养装置。

Description

压力缓冲模块及生物培养装置
技术领域
本发明涉及一种缓冲模块及培养装置，尤其涉及一种可提供稳定压力的压力缓冲模块及生物培养装置。
背景技术
一般来说，在多孔盘中培养细胞时，会在多孔盘内的凹槽置入细胞与营养液，由于细胞成长的特性是只在二维方向(X-Y平面)成长，因此所能够培养的细胞数会受限于多孔盘的凹槽的截面积大小。为了增加能够培养的细胞数量，目前，在生医领域中常见到利用气压变化来帮助细胞在Z方向上生长。
图1A是公知的一种压力调整系统的示意图。请参阅图1A，多孔盘13的凹槽14内会置入细胞与营养液，一盖体15配置于多孔盘13上，盖体15包括一气口19及连通于气口19的多个中空管16，一供压泵10及一真空泵12分别连接到气口19，各中空管16伸入多孔盘13内对应的凹槽14，以将此凹槽14内的空间区分为一管内空间17及一管外空间18。管内空间17及管外空间18彼此空间相隔，但是，其中的压力可互相连通，所以管内空间17及管外空间18可视为连通管。在供压泵10与真空泵12尚未运作时，位于管内空间17的营养液的高度H1等于位于管外空间18的营养液的高度H1。
图1B是图1A的压力调整系统的真空泵抽气时的示意图。请参阅图1B，真空泵12运作，而将中空管16内的气体抽出，而使中空管16内的气压降低。此时，位于管内空间17的营养液的高度H2增加，带动位于管外空间18的营养液的高度H3减少。
图1C是图1A的真空泵抽气时管内空间的时间与压力的关系图。请参阅图1C，在本实施例中，操作者可控制真空泵12抽气之后停止，重复五次。由图1C可见，管内空间17的压力会先下降之后向上恢复，这样重复多次，而使得位于管内空间17的营养液与细胞以及位于管外空间18的营养液与细胞上下动荡，而能够在高度方向上混合均匀，进而提高细胞复制的速度。
图1D是图1A的压力调整系统的供压泵运作时的示意图。请参阅图1D，供压泵10运作，会将气体送入中空管16内，而增加中空管16内的气压。此时，位于管内空间17的营养液被挤出，而使位于管内空间17的营养液的高度H4降低，带动位于管外空间18的营养液的高度H5增加。
图1E是图1A的供压泵运作时管内空间的时间与压力的关系图。请参阅图1E，在本实施例中，操作者可控制供压泵10运作之后停止，重复五次。由图1C可见，管内空间17的压力会先上升之后向下恢复，这样重复多次，同样地能使得位于管内空间17的营养液与细胞以及位于管外空间18的营养液与细胞再度上下动荡，而能够在高度方向上混合均匀，进而提高细胞复制的速度。
然而，在实际操作上，供压泵与真空泵所提供的正压与负压往往变化地过于激烈，连带地影响液体上升或下降的情况，而可能造成紊流，产生额外的剪力。图1F是实测真空泵运作时管内空间的时间与压力的关系图。请参阅图1F，系统欲控制压力保持在-10mmH2O正负10％的范围以内上下变动，但由图1F可见，压力大幅超过(过冲，overshot)预设范围。若压力无法被精确地控制则无法达到培养细胞的效果，甚至对流场产生额外的剪切力造成细胞的死亡。因此，如何使压力稳定地在所欲变动的小范围内震荡是亟欲研究的目标。
发明内容
本发明提供一种压力缓冲模块，其可提供稳定的压力。
本发明的一种压力缓冲模块，包括一腔体、一泵模块、一压力感测器及一稳压缸。泵模块、压力感测器及稳压缸设置于壳体内。稳压缸连通于泵模块与压力感测器之间。
在本发明的一实施例中，上述的稳压缸包括一第一接头及一第二接头，第一接头连接于泵模块，第二接头连通于压力感测器。
在本发明的一实施例中，上述的稳压缸的外轮廓包括凹陷的两个凹口，第一接头及第二接头位于两个凹口内。
在本发明的一实施例中，上述的压力缓冲模块还包括一阀件、一转换电路及一压电泵控制组件。阀件配置于泵模块与稳压缸之间，其中泵模块包括一供压泵及一真空泵。转换电路电性连接于阀件，供压泵及真空泵分别为两个压电蠕动式泵，压电泵控制组件电性连接于供压泵及真空泵。
在本发明的一实施例中，上述的压力缓冲模块还包括一控制器，电性连接于压电泵控制组件、转换电路及压力感测器。
在本发明的一实施例中，上述的泵模块的功率为0.3瓦特至0.8瓦特之间，稳压缸的体积为5毫升至15毫升之间。
在本发明的一实施例中，上述的稳压缸的外轮廓包括平面、弧面、曲面或上述的至少两者的组合。
本发明的一种生物培养装置，包括一压力缓冲模块、一多孔盘及一盖体。盖体配置于多孔盘上，压力缓冲模块连接至盖体且连通于多孔盘。
在本发明的一实施例中，上述的压力缓冲模块包括一腔体、一泵模块、一压力感测器及一稳压缸。泵模块、压力感测器及稳压缸设置于壳体内。稳压缸连通于泵模块与压力感测器之间。
在本发明的一实施例中，上述的盖体具有单一气口，泵模块及压力感测器通过气口连通于多孔盘的多个凹槽。
在本发明的一实施例中，上述的盖体包括连通于气口的多个中空管，各中空管伸入对应的凹槽，以将凹槽内的空间区分为一管内空间及一管外空间。
在本发明的一实施例中，上述的凹槽内的空间区分为一管内空间及一管外空间，管内空间及管外空间互相连通，而使管内空间及管外空间为连通管。
在本发明的一实施例中，上述的壳体包括一第一定位件，盖体包括一第二定位件，第一定位件对位于第二定位件。
在本发明的一实施例中，上述的多孔盘包括多个凹槽。压力缓冲模块连通于多孔盘的这些凹槽。
基于上述，本发明的压力缓冲模块通过将稳压缸连通于泵模块与压力感测器之间，以提供稳定的压力，而达到精准控制的效果。本发明的生物培养装置利用上述的设计，而使压力缓冲模块能够提供稳定的压力至多孔盘内，而使压力稳定地在所欲变动的小范围内震荡，可有效避免压力大幅超过预设范围，而无法培养细胞的状况。
附图说明
图1A是公知的一种压力调整系统的示意图。
图1B是图1A的压力调整系统的真空泵抽气时的示意图。
图1C是图1A的真空泵抽气时管内空间的时间与压力的关系图。
图1D是图1A的压力调整系统的供压泵运作时的示意图。
图1E是图1A的供压泵运作时管内空间的时间与压力的关系图。
图1F是实测真空泵运作时管内空间的时间与压力的关系图。
图2A是依照本发明的一实施例的一种生物培养装置的外观示意图。
图2B是图2A的爆炸示意图。
图2C是图2B的另一视角的示意图。
图3是图2A的生物培养装置的压力缓冲模块的爆炸示意图。
图4是图3的稳压缸的示意图。
图5是图2A的生物培养装置的示意图。
图6是图2A的真空泵抽气时管内空间的时间与压力的关系图。
附图标记如下：
H1、H2、H3、H4、H5:高度
10:供压泵
12:真空泵
13:多孔盘
14:凹槽
15:盖体
16:中空管
17、114:管内空间
18、116:管外空间
19:气口
100:生物培养装置
105:腔体
110:多孔盘
112:凹槽
120:盖体
122:气口
124:第二定位件
126:中空管
130:压力缓冲模块
1301:泵模块
131:供压泵
132:真空泵
133:压电泵控制组件
134:阀件
135:稳压缸
135a:第一接头
135b:第二接头
135c:凹口
136:压力感测器
137:控制器
138:转换电路
139:壳体
139a:第一定位件
具体实施方式
图2A是依照本发明的一实施例的一种生物培养装置的外观示意图。图2B是图2A的爆炸示意图。图2C是图2B的另一视角的示意图。
本实施例的生物培养装置100包括一多孔盘110(well plate)、配置于多孔盘110上的一盖体120及一压力缓冲模块130。压力缓冲模块130用以提供腔体105稳定的压力。在本实施例中，多孔盘110与盖体120组成一腔体105。具体地说，腔体105为细胞培养的腔体。多孔盘110包括多个凹槽112，气口122(图2B)位于盖体120，盖体120还包括连通于气口122的多个中空管126(图2C)。
如图2B与图2C所示，在本实施例中，腔体105具有单一气口122。若气口122的数量越多可能较易漏气，单一气口122可有效降低腔体105漏气的可能。此外，壳体139包括一第一定位件139a(图2C)，盖体120包括一第二定位件124(图2B)，第一定位件139a对位于第二定位件124，以使压力缓冲模块130与腔体105能够良好地被定位。在本实施例中，第二定位件124为一凸柱，第一定位件139a为一凹孔。第二定位件124可以伸入第一定位件139a内，以使压力缓冲模块130与腔体105能够良好地被定位。当然，在其他实施例中，第二定位件124也可以为一凹孔，第一定位件139a也可以为一凸柱，并不以附图为限制。
图3是图2A的生物培养装置的压力缓冲模块的爆炸示意图。请参阅图3，压力缓冲模块130包括一壳体139、一泵模块1301、一压力感测器136及一稳压缸135。泵模块1301包括至少一供压泵131及至少一真空泵132。供压泵131及真空泵132、压力感测器136及稳压缸135位于壳体139内，而可被壳体139保护。供压泵131及真空泵132通过气口122连通于腔体105，以供压至腔体105或从腔体105抽气。
稳压缸135配置且连通于泵模块1301与压力感测器136之间。稳压缸135包括一第一接头135a及一第二接头135b，第一接头135a连接于供压泵131及真空泵132，第二接头135b连通于压力感测器136与气口122。具体地说，稳压缸135连接至气口122，且压力感测器136可感测到稳压缸135至气口122之间的压力值。
因此，当供压泵131运作时，供压泵131所排出的气体会经过稳压缸135、盖体120的此气口122而流至腔体105。当真空泵132运作时，腔体105的气体会经过盖体120的此气口122、稳压缸135而流至真空泵132。稳压缸135配置于泵模块1301与气口122之间的设计可使气压能够稳定地进出腔体105，以达到精准控制的效果。
这是因为若泵的输出功率为定值，稳压缸135的容积与压力成平方反比，增加稳压缸135的容积可以降低流场速度，进而更快达到稳压的状态。依据能量守恒原理，假设泵在输出端的能量由一线性项与一震荡函数C1*sint组成，稳压缸135的质量为m，输出于稳压缸135的能量由一线性项与一震荡函数C2*sint组成。经实验证明，C1/C2正比于质量m，而C1为泵功率所决定而为定值，所以稳压缸135的质量m越大，则C2越小。C2越小则代表输出于稳压缸135的能量中震荡项占比越小，进而达到稳压的效果。因此，根据泵模块1301输出的大小于压力感测器136前安装具有一定容积的稳压缸135，可达到过滤压力过冲(overshot)的效果。
值得一提的是，在一实施例中，供压泵131的功率P越大稳压缸135的体积V越大。在本实施例中，两个供压泵131的功率为0.3瓦特至0.8瓦特之间，例如是0.5瓦特。两个真空泵132的功率为0.3瓦特至0.8瓦特之间，例如是0.5瓦特。稳压缸135的体积为5毫升至15毫升之间，例如是10毫升。当然，供压泵131、真空泵132的功率与稳压缸135的体积并不以此为限制。
此外，在本实施例中，供压泵131及真空泵132分别为两个压电蠕动式泵。压电蠕动式泵采用压电材料震动加压，在震动时会有自身的震动频率，压力感测器136会被此震荡影响，进而影响读值。
一般来说，若为了避免供压泵131、真空泵132自身的震荡频率影响了压力感测器136的读值，通常会将压力感测器136额外接管路通过其他开口连接到腔体105，但这样会让腔体105有气密失效的风险。
在本实施例中，稳压缸135配置于泵模块1301与压力感测器136之间的设计可避免供压泵131、真空泵132自身的震荡频率影响了压力感测器136的读值，而可使压力感测器136的感测精度提升。
换句话说，在泵模块1301与压力感测器136之间安装稳压缸135，可达到缓冲压电蠕动式泵震荡的效果。如此一来，压力感测器136也可不需要为了避免被供压泵131及真空泵132影响，而连接至腔体105上额外挖设的开口。因此，腔体105仍可维持良好的气密性。当然，在其他实施例中，供压泵131及真空泵132也可以是活塞式泵或是螺旋式泵等，不以压电蠕动式泵为限制。
图4是图3的稳压缸的示意图。请参阅图4，在本实施例中，稳压缸135的外轮廓包括凹陷的两个凹口135c，第一接头135a(图3)及第二接头135b(图3)位于两个凹口135c内，而不凸出或是仅微幅凸出于稳压缸135，以保护第一接头135a与第二接头135b，而降低被直接撞击的机率。
值得一提的是，在本实施例中，稳压缸135的外轮廓可对应于周围其他元件的轮廓，以在有限空间内增加稳压缸135的尺寸。稳压缸135的外轮廓包括平面、弧面、曲面或上述的至少两者的组合。设计者可依据制造的方便性与周围元件的轮廓来决定稳压缸135的外轮廓。
图5是图2A的生物培养装置的示意图。请参阅图5，在本实施例中，压力缓冲模块130还包括一控制器137、一压电泵控制组件133、一阀件134及一转换电路138。控制器137电性连接于压电泵控制组件133、转换电路138及压力感测器136。压电泵控制组件133电性连接于供压泵131及真空泵132。
阀件134配置于泵模块1301与稳压缸135之间，阀件134用以使供压泵131及真空泵132的其中一个连通于腔体105且关闭另一个与腔体105之间的连通关系。转换电路138电性连接于阀件134。
在本实施例中，控制器137可以控制压电泵控制组件133，以启动供压泵131或是真空泵132。控制器137可同时控制转换电路138以决定阀件134要开启供压泵131与稳压腔之间的通路或是真空泵132与稳压腔之间的通路。此外，控制器137电性连接压力感测器136，以使压力感测器136能够将所感测到的信息回馈给控制器137。
压力缓冲模块130连接于盖体120的气口122，盖体120的各中空管126伸入对应的凹槽112，以将凹槽112内的空间区分为一管内空间114及一管外空间116。管内空间114及管外空间116可视为连通管，而依据压力缓冲模块130所通入或是抽出的气压，来改变管内空间114及管外空间116的液面高度，以达到混合细胞与营养液的效果。
图6是图2A的真空泵抽气时管内空间的时间与压力的关系图。请参阅图6，真空泵132的作动模式设定为从0mmH2O减压到-10mmH2O，管内空间114的压力超过-10mmH2O的10％时关闭真空泵132，管内空间114的压力低于-10mmH2O的10％时则开启真空泵132。由图6可清楚看到，压力可能够精准地被控制在一定范围之内，而不会过度震荡。
也就是说，在本实施例中，生物培养装置100利用在泵模块1301与压力感测器136之间设置稳压缸135，可有效缓冲在稳压缸135与气口122之间的震荡，而可提供稳定的压力。此外，上述设计也降低了震荡对压力感测器136的影响，使压力感测器136仍能具有高精度。如此一来，生物培养装置100便能在腔体105维持单一气口122的条件下仍能得到良好的控制反馈。
综上所述，本发明的压力缓冲模块通过将稳压缸连通于泵模块与压力感测器之间，以提供稳定的压力，而达到精准控制的效果。本发明的生物培养装置利用上述的设计，而使压力缓冲模块能够提供稳定的压力至多孔盘内，而使压力稳定地在所欲变动的小范围内震荡，可有效避免压力大幅超过预设范围，而无法培养细胞的状况。

Claims (11)

1.一种生物培养装置，包括：
一多孔盘；
一盖体，配置于该多孔盘上；以及
一压力缓冲模块，连接至该盖体且连通于该多孔盘；
其中该压力缓冲模块包括:
一壳体；
一泵模块，设置于该壳体内；
一压力感测器，设置于该壳体内；以及
一稳压缸，设置于该壳体内且连通于该泵模块与该压力感测器之间；
其中该盖体具有单一气口，该泵模块及该压力感测器通过该气口连通于该多孔盘的多个凹槽。
2.如权利要求1所述的生物培养装置，其中该稳压缸包括一第一接头及一第二接头，该第一接头连接于该泵模块，该第二接头连通于该压力感测器。
3.如权利要求2所述的生物培养装置，其中该稳压缸的外轮廓包括凹陷的两个凹口，该第一接头及该第二接头位于该两个凹口内。
4.如权利要求1所述的生物培养装置，其中该稳压缸的外轮廓包括平面、弧面、曲面或上述的至少两者的组合。
5.如权利要求1所述的生物培养装置，还包括:
一阀件，配置于该泵模块与该稳压缸之间，其中该泵模块包括一供压泵及一真空泵；
一转换电路，电性连接于该阀件；以及
一压电泵控制组件，其中该供压泵及该真空泵分别为两个压电蠕动式泵，该压电泵控制组件电性连接于该供压泵及该真空泵。
6.如权利要求5所述的生物培养装置，还包括:
一控制器，电性连接于该压电泵控制组件、该转换电路及该压力感测器。
7.如权利要求1所述的生物培养装置，其中该泵模块的功率为0.3瓦特至0.8瓦特之间，该稳压缸的体积为5毫升至15毫升之间。
8.如权利要求1所述的生物培养装置，其中该盖体包括连通于该气口的多个中空管，各该中空管伸入对应的该凹槽。
9.如权利要求8所述的生物培养装置，其中该凹槽内的空间区分为一管内空间及一管外空间，该管内空间及该管外空间互相连通，而使该管内空间及该管外空间为连通管。
10.如权利要求1所述的生物培养装置，其中该壳体包括一第一定位件，该盖体包括一第二定位件，该第一定位件对位于该第二定位件。
11.如权利要求1所述的生物培养装置，其中该多孔盘包括多个凹槽，该压力缓冲模块连通于该多孔盘的多个所述凹槽。
CN202010656376.3A 2020-06-19 2020-07-09 压力缓冲模块及生物培养装置 Active CN113817604B (zh)

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TW109120758A TWI768379B (zh) 2020-06-19 2020-06-19 壓力緩衝模組及生物培養裝置

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