面向空间细胞培养用多路切换陶瓷阀仿真优化研究

为了满足空间站环境细胞长期自动培养的需求,研制一款新型细胞自动培养装置,装置由微量泵、多路切换阀等组成。通过设计一款多路切换陶瓷阀,实现仅由一组泵阀自由切换多条液路。通过有限元仿真分析培养液、消化液和裂解液3种液体在多路切换阀内的压力、温度、流速等物理参数分布情况,确定最佳阀位布局,并优化阀体结构,以改善不同液体流入阀腔后分布均匀性。优化后多路切换阀内细胞培养液和消化液的压力和温度分布波动率均小于1%,流速稳定。裂解液温度分布变化在优化前为2℃,优化后小于0.01℃。液体流动更加顺畅,滞留现象减少。仿真结果表明:优化后的陶瓷阀有助于提升空间细胞培养的稳定性和经济性。

模拟微重力环境对皮肤干细胞增殖影响的研究

目的研究皮肤干细胞在模拟微重力(SMG)环境下的增殖能力与干性变化。方法以SD大鼠皮肤干细胞为模型,建立悬浮培养体系,对比SMG环境与正常重力(1G)环境下皮肤干细胞的增殖及干细胞标志物的表达差异。结果SMG环境显著影响悬浮培养环境下的皮肤干细胞球增殖速度,其增殖率较1G重力组约高12%。转录组测序结果显示SMG组1673个基因上调,1409个基因下调;Calcium signaling、cytokine-cytokine receptor interaction及PPAR pathway等重要信号通路在两个环境下表达差异显著。结论SMG环境可通过调节关键信号通路的表达,影响悬浮培养环境下皮肤干细胞的增殖行为,为SMG环境下进一步研究工作提供了实验依据。

空间站多功能细胞自动培养装置研制与应用

空间细胞培养装置是天基细胞学实验平台的重要组成设备,为航天医学空间实验研究提供在轨培养样本。根据空间站任务阶段开展航天医学研究需要,研制了一种集培养、观察、环境调控和重力对照一体化的空间站多功能细胞自动培养装置,并开展了仿真计算与测试验证。结果表明:多功能细胞自动培养装置各项功能指标均满足空间细胞培养要求。该装置已在中国空间站投入应用,并支撑完成了多批次空间细胞培养实验。

形状记忆合金驱动的常闭型主动阀(英文)

本文研究了一种基于形状记忆合金(SMA)驱动的常闭型微阀.该微阀结构由弹性沟道层和形状记忆合金桥两部分组成,利用形状记忆合金微丝在相变过程中产生的拉力,打开微阀结构.通过对微阀的测试得出,其打开压力为4 000 Pa左右,开启时间和关闭时间分别为0.6 s和1 s.此外,当电流在0.14～0.30 A内,可得到6.7—75.2μL/min的近似线性流量调节范围.该形状记忆合金常闭微阀的制造采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的软光刻工艺实现,之后采用印刷电路板(PCB)上的形状记忆合金丝焊接组装搭建驱动结构.

航天操作复杂度模型中评价指标权重的确定

目的确定航天操作复杂度评价模型中4项评价指标的权重系数。方法采用了2种权重分配法:客观权重法和主观权重法。其中主观权重法采用的是Delphi法+模糊层次分析法+多专家集值统计的方法,通过10名航天员问卷调查得到;客观权重法采用的是SPSS15统计软件的nonlinear的分析方法,对模型验证实验数据结果进行分析得到。结果得到评价指标的2套权重系数。结论主观权重因集合了多位专家的意见,而能适用于不同操作情境;客观权重则较适用于操作情境相同的情况。

封闭型空间细胞培养板研制与验证

目的为适用于空间特殊实验环境,并在细胞培养实验中更高效地使用试剂、提高细胞培养用品的污染防护能力,提出了一种内部流动路径可控、具备防渗漏、防污染能力的全透明和全封闭细胞培养板。方法基于有限元仿真对培养板核心结构—流路控制挡板进行了优化,以优化后的培养板为核心部件搭建细胞培养回路,并开展了中长周期细胞培养试验。结果最优化的三坝-纵向排列细胞培养板,可有效控制其内部流体的流动路径,进出口流速1 m L/min时流体剪切力仅4.8×10^(-5)Pa,流动死区几乎为0,以该培养板为核心构建的细胞培养回路中培养的细胞可正常生长15 d。结论该细胞培养板,可使腔内新旧细胞培养试剂更换及残留气体排出更彻底,防渗漏防污染能力大大提升,试剂使用率提高,能满足空间实验常用典型细胞系的中长期培养需求,适合于我国目前及将来的空间医学生物学实验应用场合。

空间细胞培养芯片系统的弹性膜驱动样品更换

提出了一种细胞培养池顶聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性膜驱动的样品更换方法,用于减少样品更换所需的流体驱动部件和样品消耗。排出废液时,关断样品贮存池与细胞培养池间微阀,培养池中液体被微泵抽出,池顶弹性膜随之塌陷;塌陷至所需程度时关闭微泵及下游微阀,开启所需样品贮存池与培养池间微阀,新样品将被池顶弹性膜反弹产生的弹性力吸入培养池;反复几次即可完成培养池内新旧样品更换。结合理论分析、有限元仿真和实验结果,对影响样品更换效果的主要因素:培养池顶弹性膜所受净压力、膜厚、样品贮存池到培养池微通道路径形状进行了优化。优化后选定膜厚为0.8mm、微泵流量为1.67mL/min、直线型微流道进行的实验显示其80s左右即可完成90%以上样品更换,样品消耗和培养池内流体剪切力分别小于相同换液率下原有样品更换方式的1/4和1/10。该方法可减少样品损失和微泵、微阀工作时间,简化芯片系统结构、减少总质量和总功耗,换液过程无需人工干预,有利于系统的小型化和自动化,尤其适用于我国目前的空间细胞培养芯片系统。

影响MG-63细胞黏附和蛋白质吸附的PDMS表面处理

为了将聚二甲基硅氧烷（PDMS）用作空间微流控细胞培养芯片的结构材料，需要克服其自身不利于细胞黏附以及容易吸附蛋白质的缺陷，故必须通过简单可靠的表面处理方法改变PDMS的表面特性．为此，以航天医学生物学研究中常用人骨肉瘤细胞MG．63的黏附和细胞培养液中常见蛋白质牛血清白蛋白（BSA）的吸附为衡量指标，比较了4种PDMS表面处理方法的效果，并初步研究了PDMS表面浸润性及形貌与MG．63黏附／BSA吸附之间的关系．4种方法分别为在PDMS表面自聚合聚多巴胺（PDA-PDMS）、涂覆聚赖氨酸（PLL-PDMS）、包被胶原蛋白I型（COL-PDMS）和氧等离子体处理（OX．PDMS）．用倒置荧光显微镜观察细胞黏附和铺展，并用CellTiter96。AQueous单溶液细胞增殖检测试剂盒（MTS）检测培养1～4d的MG-63活细胞活性；检测了吸附异硫氰酸荧光素标记牛血清白蛋白（FTIC-BSA）后的PDMS表面荧光强度；测量了处理前后PDMS表面接触角及表面形貌．结果表明：PDA-PDMS和OX-PDMS变得亲水且较粗糙，而PLL-PDMS、COL-PDMS和未处理PDMS疏水且较平滑；MG一63经4种方法处理后，PDMS表面均能较好地黏附和聚二甲基硅氧烷铺展，但在亲水表面黏附更持久；BSA在亲水表面的吸附明显少于憎水表面．

基于WINCE的多路数据采集处理播放及SD卡存储的实验系统

为了使学生掌握基于嵌入式系统的计算机控制技术,用嵌入式计算机和基于ARM Cortex-M3内核的微控器制作了多路数据采集处理实验系统。该系统基于嵌入式操作系统WINCE,集数据的采集、处理、图形显示、SD卡存储于一身,学生能用它学习基于WINCE的嵌入式计算机控制系统。

适用于空间细胞培养系统的泵头分体式直流电机驱动微泵

目的为了搭建适用于我国航天医学细胞生物学研究的小型化、集成化、自动化细胞培养系统,提出了一种性能可靠、操作维护简单、成本低廉且自带阀控功能的泵头分体式直流电机驱动型蠕动微泵。方法测试了基于不同额定电压直流电机和减速比构建的微泵工作性能;并以该微泵为核心部件建立了自动细胞培养回路,开展了空间实验常用细胞系MG63和血管内皮细胞的中长周期培养试验。结果零背压下微泵流量与驱动电压呈良好的线性关系,以额定电压8 V(16 V)电机构建的微泵,电压由6 V增至10 V(8 V增至12 V)时,流量由0.29 m L/min增至0.67 m L/min(2.63 m L/min增至4.95 m L/min);持续15 d的测量表明微泵工作稳定性很好。MG63和血管内皮细胞均可在以该微泵为核心的自动细胞培养回路中正常生长达15 d。结论该泵头分体式直流电机驱动微泵工作污染风险低,流量易调,可满足我国空间自动化细胞培养系统搭建的需求。

通道型电磁常闭微阀结构参数优化

优化了通道型电磁常闭微阀的结构参数,以提高其工作性能。基于近似结构模型对结构参数进行理论分析;以泄漏率为指标,利用有限元方法仿真分析了微通道的宽度、高度,底膜厚度,顶膜厚度及电磁驱动机构压力等主要结构参数对泄漏率的影响。提取了经验公式,基于正交实验法研究了结构参数对泄漏率和开启率的影响。最后,结合理论分析、仿真和正交实验结果对微阀结构参数进行了优化。实验结果表明,通道高度和宽度对泄漏率影响最大,通道高度对开启率影响最大。获得最优开闭性能的结构参数组合为:通道宽度1 mm,高度0.1 mm,底膜厚度0.2 mm,顶膜厚度0.2mm,电磁机构压力3×104 Pa。基于该结构参数组合的微阀在10kPa内可以实现零泄漏及近似完全开启。该阀具有易与微流控芯片集成、低电压驱动、制作简单、无死体积等优点。

体液检测技术的发展及在航天医学研究中应用展望

实时、动态、在轨分析航天员体液指标,对于飞行中监测与评估航天员健康风险、发现航天医学新知识具有重要意义。随着先进检测技术和理论的发展,电化学技术、微流控技术、表面等离子体共振技术、微型流式细胞检测技术、生物分子提取和测序等技术已在空间环境下得到应用,本文对体液检测技术的发展及在航天医学研究中应用展望进行了综述。