空间细胞培养及实时动态显微成像系统关键技术研究

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1、空间细胞培养及实时动态显微成像系统关键技术研究兰天2015年1月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540空间细胞培养及实时动态显微成像系统关键技术研究作者姓名兰天学院名称生命学院指导教师李晓琼副教授答辩委员会主席李勤教授申请学位理学硕士学科专业生物医学工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchonKeyIssuesofCellCultureSystemwithReal-timeDynamicMicroscopeImaginginSpaceCandidateName：LanTianSchoolorDep

2、artment:SchoolofLifeScienceFacultyMentor:AssociateProf.XiaoqiongLiChair,ThesisCommittee：Prof.QinLiDegreeApplied:MasterofScienceMajor：BiomedicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，

3、文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要不断完善空间细胞培养相关验证试验以及地面模拟试验，进而从分子细胞水平探究空间特殊环境给人体的各系统、器官乃至每个细胞带来广泛而复杂的不利影响的根本原因，已经成为空间生命科学研究的重要手段之一。为了保证空间细胞培养过程的稳态进行，具备空间环境适应性的高集成化细胞培养系统已成为探

4、索空间生命科学领域的关键设备。在进行空间细胞培养系统设计时，除满足细胞培养系统的基本要求以外，还应克服在真实空间环境中实验研究耗费巨大、搭载时间有限、负载体积有限、操作空间有限、微重力、强辐射等难题，需综合考虑系统的传质特性、传热特性、力学特性、集成性、可操作性等。同时为满足细胞生长状态以及运动情况等物理变化的全过程实时动态监测的要求，具备空间搭载条件的可见光显微成像系统也是必备工具，从而能更好地为某些特殊现象的解释提供重要的参考依据。针对上述问题，在详细调研分析国内外空间细胞培养装置发展的基础之上，课题自行研制了具备空间环境适应性的

5、自动化、集成化的细胞灌流培养及实时动态可见光显微成像系统。细胞培养系统以微流控芯片作为细胞培养平台，采用MSP430单片机作为控制芯片，结合PID控制算法将细胞周围温度稳定在37℃±0.5℃，压电隔膜泵作为流体驱动源，实现了对SH-SY5Y神经细胞的间歇式动态灌流培养。同时利用3D打印技术制作了具有保温特性的光敏树脂芯片盒，将微流控芯片、LED光源、加热制冷片一体化组装，并留出了管路连接窗口以及显微观测窗口。可见光显微成像系统以Spartan-6系列FPGA作为成像系统核心控制处理器，以SONY公司的CCD芯片ICX209AK作为感光

6、元器件，以ADI公司的AD9923A作为CCD驱动信号发生器及AD转换芯片，通过PCI-e总线将视频数据上传到显控平台进行实时显示监测，并设计了完整硬件结构将所有功能模块集成组装，最终完成了具备空间环境适应性的细胞培养及实时动态显微成像系统。I关键词：空间环境；细胞培养；显微成像；微流控芯片IIAbstractContinuouslyimprovingcellcultureexperimentsinspaceandsimulatingtestsonearthhasbecomeoneofthemostefficientmethodsto

7、explorethefundamentalreasons,whichcouldcausecomplexandnegativeinfluencestoourhumanfromcellularleveltothewholebodysystem.Thusinordertoguaranteethestabilityofthewholecellcultureprocess,buildingafullsetofcellculturesystemwithspaceenvironmentaladaptabilityhasbeenacknowledge

8、dasoneofthemostsignificantequipmenttoexplorethespacelifescience.Comparedwiththeenvironmentonearth,theuniverseh