RU2587628C1 - Device and method for automated maintenance of concentration of dissolved gases in culture medium in microfluid system - Google Patents

Device and method for automated maintenance of concentration of dissolved gases in culture medium in microfluid system Download PDF

Info

Publication number
RU2587628C1
RU2587628C1 RU2015114927/10A RU2015114927A RU2587628C1 RU 2587628 C1 RU2587628 C1 RU 2587628C1 RU 2015114927/10 A RU2015114927/10 A RU 2015114927/10A RU 2015114927 A RU2015114927 A RU 2015114927A RU 2587628 C1 RU2587628 C1 RU 2587628C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cell
concentration
gas
sensor
measuring
Prior art date
Application number
RU2015114927/10A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Андреевич Сахаров
Евгений Владиславович Трушкин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "БиоКлиникум"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "БиоКлиникум" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "БиоКлиникум"
Priority to RU2015114927/10A priority Critical patent/RU2587628C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2587628C1 publication Critical patent/RU2587628C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N7/00—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour
    • G01N7/10—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour by allowing diffusion of components through a porous wall and measuring a pressure or volume difference
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C12M23/16—Microfluidic devices; Capillary tubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
    • C12M41/32—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of substances in solution

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

FIELD: biochemistry.
SUBSTANCE: disclosed is a method for automatic maintenance of concentration of dissolved gases in a culture medium, located in cell with a cell model and circulating via microfluid system channels, and device for realising said method. Method is based on use of proportional-integral-differential control. Measured parameter used is concentration of oxygen and/or carbon dioxide in layer of gas-permeable material in a separate measurement cell. Specified parameter used is a parameter calculated from required parameter of gas concentration in cell with cell model based on coefficient of communication of concentrations in measurement and cellular cells.
EFFECT: inventions provide absence of mutual negative influence of cell cultures and elements of device, longer service life of device, reliability of device with sufficiently high accuracy of maintaining concentration of dissolved gases and maintaining typically low for micro-fluid devices volume of liquid in channels.
10 cl, 6 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к устройствам - микробиореакторам, предназначенным для работы с клетками тканей человека, животных или растений, культурами вирусов, которые могут быть использованы для создания и культивирования клеточных моделей тканей и органов млекопитающих и моделирования межорганных взаимодействий.The invention relates to microbioreactor devices designed to work with cells of human, animal or plant tissues, virus cultures that can be used to create and cultivate cellular models of tissues and organs of mammals and to model interorgan interactions.

Уровень техникиState of the art

Микробиореакторы (микрофлюидные или микрожидкостные устройства или системы, или микрофлюидные чипы) представляют собой биореакторы, предназначенные для культивирования клеток или микроорганизмов в ячейках объемом от нескольких микролитров до нескольких миллилитров. Известны различные варианты конструкций микробиореакторов для культивирования клеток, основным конструктивным элементом которых являются ячейки для культивирования клеток, которые могут быть изолированы друг от друга, либо соединены единой системой каналов, по которым осуществляется движение питательной среды. В последнем случае для получения в питательной среде близких к естественным концентраций метаболитов требуется обеспечить замкнутую циркуляцию минимально необходимого количества питательной среды, при этом объем жидкости в каналах сравним с объемом жидкости в ячейках. В зависимости от конструкции микробиореактора, ячейки могут быть открыты в окружающую среду микробиореактора, закрыты мембраной, или закрыты герметично. Малый объем ячеек может обуславливаться необходимостью воспроизведения трофических характеристик ткани или характерных размеров структурной единицы органа. Важной задачей микробиореактора является воспроизведение in vitro параметров культивирования клеток с приближенными in vivo значениями. Одним из таких параметров является концентрация растворенных в межклеточной жидкости газов. Обычно данная задача решается использованием СО2-инкубаторов или мультигазовых инкубаторов, устройств, поддерживающих заданную концентрацию газов в определенным объеме. Однако инкубатор является достаточно дорогостоящим оборудованием, усложняющим работу с микробиореакторами, поэтому является актуальной задача поддержания заданной концентрации растворенных газов в культуральной среде на базе интегрального решения в микрофлюидной системе.Microbioreactors (microfluidic or microfluidic devices or systems, or microfluidic chips) are bioreactors designed to cultivate cells or microorganisms in cells from a few microliters to several milliliters in volume. There are various designs of microbioreactors for cell culture, the main structural element of which are cells for cell cultivation, which can be isolated from each other, or connected by a single system of channels through which the movement of the nutrient medium is carried out. In the latter case, to obtain close to natural concentrations of metabolites in the nutrient medium, it is required to provide closed circulation of the minimum required amount of the nutrient medium, while the volume of liquid in the channels is comparable to the volume of liquid in the cells. Depending on the design of the microbioreactor, the cells can be opened into the environment of the microbioreactor, closed with a membrane, or closed hermetically. A small volume of cells can be caused by the need to reproduce the trophic characteristics of the tissue or the characteristic dimensions of the structural unit of the organ. An important task of a microbioreactor is to reproduce in vitro parameters of cell culture with approximate in vivo values. One of these parameters is the concentration of gases dissolved in the intercellular fluid. Typically, this problem is solved using CO 2 incubators or multi-gas incubators, devices that maintain a given concentration of gases in a certain volume. However, the incubator is a rather expensive equipment that complicates the work with microbioreactors, therefore, the urgent task of maintaining a given concentration of dissolved gases in the culture medium based on an integrated solution in the microfluidic system.

Из уровня техники известен патент US 8408073, в котором представлен способ определения объема, плотности и/или скорости потока газосодержащей жидкости в микрофлюидном устройстве, с использованием резонансной трубки, обладающей достаточной чувствительностью для считывания объема газа в пузырьках в жидкости или скорости потока и/или плотности растворенного в жидкости газа или смеси газов, проходящей через трубку. Трубка содержит выступающую часть над поверхностью подложки, способную вибрировать в плоскости, нормальной к поверхности подложки. При протекании жидкости, содержащей газ, через внутреннюю часть трубки, управляющий сигнал заставляет вибрировать выступающую часть трубки на резонансной частоте. При этом обнаруживают отклонения Кориолиса выступающей части трубки по отношению к подложке и формируют выходной сигнал, который в совокупности с управляющим сигналом используют для определения плотности растворенного в жидкости газа или смеси газов.The patent US 8408073 is known in the art, which provides a method for determining the volume, density and / or flow rate of a gaseous fluid in a microfluidic device using a resonant tube having sufficient sensitivity to read the volume of gas in bubbles in the fluid or flow rate and / or density gas dissolved in a liquid or a mixture of gases passing through a tube. The tube contains a protruding part above the surface of the substrate, capable of vibrating in a plane normal to the surface of the substrate. When a fluid containing gas flows through the inside of the tube, the control signal causes the protruding portion of the tube to vibrate at the resonant frequency. In this case, Coriolis deviations of the protruding part of the tube with respect to the substrate are detected and an output signal is generated, which together with the control signal is used to determine the density of the gas or mixture of gases dissolved in the liquid.

Данное решение может быть использовано для определения концентрации растворенных газов в культуральной среде, однако оно не обеспечивает автоматического поддержания концентрации растворенного в жидкости газа, поскольку не предоставляет средств автоматизированного изменения концентрации газа на основании проведенных измерений.This solution can be used to determine the concentration of dissolved gases in the culture medium, however, it does not automatically maintain the concentration of gas dissolved in the liquid, since it does not provide means for automatically changing the gas concentration based on measurements.

Из патента KR 101294521 известно устройство управления концентрацией кислорода и способ создания условий гипоксии для тканевой культуры на микрофлюидной основе. Устройство для управления концентрацией растворенного кислорода в клетках включает: первый канал, обеспечивающий пространство для тканевой культуры; второй канал, расположенный на одной стороне первого канала; промежуточную мембрану, разделяющую первый и второй каналы и модуль подачи абсорбента кислорода во второй канал для переноса межклеточного растворенного кислорода из первого канала во второй через разделяющую мембрану. Способ управления растворенным кислородом в клетках с помощью данного устройства включает: выращивание клеток в первом канале и подачу абсорбента кислорода во второй канал для уменьшения парциального давления кислорода в первом канале.From the patent KR 101294521, an oxygen concentration control device and a method of creating hypoxia conditions for a microfluidic tissue culture are known. A device for controlling the concentration of dissolved oxygen in cells includes: a first channel providing space for tissue culture; a second channel located on one side of the first channel; an intermediate membrane separating the first and second channels and a module for supplying oxygen absorbent to the second channel for transferring intercellular dissolved oxygen from the first channel to the second through the separating membrane. The method of controlling dissolved oxygen in cells using this device includes: growing cells in the first channel and supplying oxygen absorbent to the second channel to reduce the partial pressure of oxygen in the first channel.

Из международной заявки WO 2014082377 известен микрофлюидный чип для генерации раствора определенной концентрации, который выполнен с возможностью получения определенных градиентов концентрации, удовлетворяя различным требованиям, и позволяющий не только выращивать суспензионные культуры микроорганизмов или клеток, но и определять специфические композиции в культуральном растворе. Согласно данному изобретению, микрофлюидный чип реализует разделение между каналами для потоков жидкости, имеет меньшие требования к точности сборки различных слоев и позволяет располагать каналы намного ближе друг к другу. Концентрация газа в микрофлюидном чипе определяется различными объемами газа, диффундирующего в раствор через газопроницаемую мембрану в нескольких точках пересечения или различных областях пересечения; концентрация растворенного газа в основном определяется количеством точек пересечения или размером областей пересечения.From the international application WO 2014082377, a microfluidic chip for generating a solution of a certain concentration is known, which is configured to obtain certain concentration gradients, satisfying various requirements, and allowing not only to grow suspension cultures of microorganisms or cells, but also to determine specific compositions in a culture solution. According to this invention, the microfluidic chip implements separation between the channels for fluid flows, has lower requirements for the accuracy of assembly of the various layers and allows you to arrange the channels much closer to each other. The gas concentration in the microfluidic chip is determined by different volumes of gas diffusing into the solution through a gas-permeable membrane at several intersection points or different intersection areas; the concentration of dissolved gas is mainly determined by the number of intersection points or the size of the intersection regions.

Однако данные технические решения не обеспечивают автоматизированного поддержания концентрации растворенных газов в культуральной среде микрофлюидной системы при изменении потребления газов в этой системе, поскольку описанные средства изменения концентрации растворенных газов не предполагают их автоматическую подстройку на основании результатов измерений.However, these technical solutions do not provide automated maintenance of the concentration of dissolved gases in the culture medium of the microfluidic system when changing the consumption of gases in this system, since the described means of changing the concentration of dissolved gases do not imply their automatic adjustment based on the measurement results.

Реализация автоматического поддержания концентрации растворенных в жидкости газов предлагается в публикациях US 5188962 и US 2009220935. Из патента US 5188962 известно устройство для выращивания клеток. Согласно описанию данного устройства, факторы питательной среды, такие как концентрация растворенного кислорода и величина рН, настраиваются в соответствии с желательными значениями путем управления газовым смесителем на основании значений, измеренных соответствующими датчиками. Например, когда измеритель растворенного кислорода определяет его недостаток, открывается кислородный или воздушный клапан для приготовления газовой смеси с высоким содержанием кислорода, подлежащей растворению в питательной среде в водяном баке. Напротив, когда обнаруживается избыток кислорода, может быть открыт азотный клапан для увеличения содержания азота, а следовательно, уменьшения содержания кислорода. Таким образом, количество растворенного кислорода может быть уменьшено при сохранении общего количества растворенного в жидкости газа.The implementation of the automatic maintenance of the concentration of gases dissolved in a liquid is proposed in the publications US 5188962 and US 2009220935. From the patent US 5188962 a device for growing cells is known. According to the description of this device, nutrient factors, such as dissolved oxygen concentration and pH value, are adjusted to the desired values by controlling the gas mixer based on the values measured by the respective sensors. For example, when a dissolved oxygen meter determines its deficiency, an oxygen or air valve opens to prepare a gas mixture with a high oxygen content to be dissolved in a nutrient medium in a water tank. On the contrary, when an excess of oxygen is detected, a nitrogen valve may be opened to increase the nitrogen content, and therefore, reduce the oxygen content. Thus, the amount of dissolved oxygen can be reduced while maintaining the total amount of gas dissolved in the liquid.

Наиболее близкими к предлагаемым техническим решениям являются устройство и способ управления концентрацией растворенного кислорода в параллельном массиве интегрированного биореактора, известные из материалов заявки US 2009220935. Параллельный интегрированный биореактор включает несколько сосудов, каждый из которых связан с перистальтическим оксигенирующим смесителем, включающим проницаемую для кислорода мембрану. Каждый оксигенирующий смеситель имеет газовый ввод и газовый вывод, при этом газовый ввод связан с газовым резервуаром. Для управления концентрацией кислорода в резервуаре предусмотрен переключатель газового смесителя. В предпочтительном варианте исполнения биореактор также включает выдерживающие давление клапаны для управления газовыми вводами и выводами. Биореактор также может включать первый слой с множеством камер роста, второй слой с перистальтическим оксигенирующим смесителем и третий слой, включающий множество выдерживающих давление клапанов. В предпочтительном варианте исполнения предусмотрены источник воздуха и источник кислорода. Переключатель газового смесителя попеременно соединяет источник воздуха и источник кислорода с резервуаром в течение выбранного рабочего цикла для управления концентрацией кислорода в резервуаре. Способ управления концентрацией растворенного кислорода в газовом резервуаре осуществляют путем переключения входа в резервуар между газом с относительно низкой концентрацией кислорода и газом с относительно высокой концентрацией кислорода. Газ доставляется из газового резервуара в камеру роста и отслеживается концентрация растворенного кислорода в камере роста. Переключение входа по результатам отслеживания концентрации растворенного кислорода управляется таким образом, чтобы поддерживать определенную концентрацию в камере роста. Одним из вариантов алгоритма управления является метод ПИД-регулирования, согласно которому рабочий цикл переключателя выбирается согласно ошибке концентрации растворенного кислорода, интегралу и производной ошибки.Closest to the proposed technical solutions are a device and a method for controlling the concentration of dissolved oxygen in a parallel array of an integrated bioreactor, known from the materials of the application US 2009220935. The parallel integrated bioreactor includes several vessels, each of which is connected with a peristaltic oxygenating mixer, including a membrane permeable to oxygen. Each oxygenating mixer has a gas inlet and a gas outlet, wherein the gas inlet is connected to a gas reservoir. To control the oxygen concentration in the tank, a gas mixer switch is provided. In a preferred embodiment, the bioreactor also includes pressure-resistant valves for controlling gas inlets and outlets. The bioreactor may also include a first layer with a plurality of growth chambers, a second layer with a peristaltic oxygenating mixer and a third layer comprising a plurality of pressure-resistant valves. In a preferred embodiment, an air source and an oxygen source are provided. The gas mixer switch alternately connects the air source and the oxygen source to the tank during the selected duty cycle to control the oxygen concentration in the tank. The method for controlling the concentration of dissolved oxygen in a gas tank is carried out by switching the entrance to the tank between a gas with a relatively low oxygen concentration and a gas with a relatively high oxygen concentration. Gas is delivered from the gas reservoir to the growth chamber and the concentration of dissolved oxygen in the growth chamber is monitored. Switching the input based on the results of monitoring the concentration of dissolved oxygen is controlled in such a way as to maintain a certain concentration in the growth chamber. One of the options for the control algorithm is the PID control method, according to which the switch operating cycle is selected according to the dissolved oxygen concentration error, the integral, and the derivative error.

Недостатком известных технических решений является необходимость размещения в камере роста датчика для измерения концентрации растворенного газа, что, во-первых, может усложнять работу с клеточными культурами, находящимися в сосуде, и, во-вторых, предъявляет повышенные требования к этому датчику. В частности, в течение срока службы датчик должен сохранять точность, чувствительность и избирательность при воздействии растворенных в культуральной среде соединений. Например, известна проблема блокирования чувствительного элемента датчика слоем белка. Кроме того, размещение датчика в камере роста может потребовать разработки герметичного соединения датчика с камерой роста, что является технически сложной задачей для микрофлюидных устройств. Другим недостатком является тот факт, что размещение датчика в камере роста или другом месте микрофлюидной системы может потребовать увеличения объема жидкости, что обычно является нежелательным для микрофлюидных устройств.A disadvantage of the known technical solutions is the need to place a sensor in the growth chamber to measure the concentration of dissolved gas, which, firstly, can complicate the work with cell cultures located in the vessel, and, secondly, makes increased demands on this sensor. In particular, during the service life, the sensor must maintain accuracy, sensitivity and selectivity when exposed to compounds dissolved in the culture medium. For example, the problem of blocking a sensor element of a sensor with a protein layer is known. In addition, the placement of the sensor in the growth chamber may require the development of a tight connection between the sensor and the growth chamber, which is technically challenging for microfluidic devices. Another disadvantage is the fact that placing the sensor in a growth chamber or elsewhere in the microfluidic system may require an increase in fluid volume, which is usually undesirable for microfluidic devices.

Кроме того, размещение датчика непосредственно в камере роста (ячейке для культивирования клеток) может отрицательно сказываться на процессе культивирования, в частности может иметь место стрессирование клеток, вызванное воздействием датчика (например, воздействием перекиси водорода, образующейся в некоторых электрохимических датчиках), приводящее к тому, что получаемая модель становится непригодной для проведения исследований.In addition, the placement of the sensor directly in the growth chamber (cell for culturing cells) may adversely affect the cultivation process, in particular, cell stress may occur due to the action of the sensor (for example, the action of hydrogen peroxide generated in some electrochemical sensors), resulting in that the resulting model becomes unsuitable for research.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка технологии (способа и устройства) поддержания требуемой концентрации растворенных газов в культуральной среде, питающей клеточные культуры, культивируемые в микрофлюидной системе, обеспечивающей создание физиологичных условий их культивирования.The problem to which the invention is directed is the development of a technology (method and device) for maintaining the required concentration of dissolved gases in a culture medium that nourishes cell cultures cultured in a microfluidic system, providing physiological conditions for their cultivation.

Достигаемый технический результат заключается: в отсутствии взаимного негативного влияния клеточных культур и элементов устройства, поддерживающего концентрацию растворенных газов, и как следствие, увеличении срока службы и надежности заявляемого устройства при достаточно высокой точности поддержания концентрации растворенных газов и сохранении характерно низкого для микрофлюидных устройств объема жидкости в каналах.The technical result achieved: in the absence of a mutual negative influence of cell cultures and elements of a device supporting the concentration of dissolved gases, and as a result, an increase in the service life and reliability of the inventive device with a sufficiently high accuracy of maintaining the concentration of dissolved gases and maintaining a characteristic low volume of microfluidic devices in channels.

Поставленная задача решается тем, что способ автоматического поддержания концентрации растворенных газов в культуральной среде, находящейся в ячейке с клеточной моделью и циркулирующей по микрофлюидным каналам микрофлюидной системы, выполненным в слое из газопроницаемого материала, с использованием каналов подачи газа, выполненных также в слое из газопроницаемого материала, независимо от микрофлюидных каналов, основан на использовании пропорционально-интегро-дифференцирующего (ПИД) регулирования, в котором в качестве измеряемого параметра используют значение концентрации кислорода и/или углекислого газа в слое из газопроницаемого материала, по крайней мере, в одной отдельной измерительной ячейке, не соединенной с упомянутыми каналами и ячейкой с клеточной моделью, а в качестве заданного параметра - параметр, рассчитанный исходя из требуемого параметра концентрации упомянутых газов в ячейке с клеточной моделью с учетом коэффициента связи концентраций в измерительной и клеточной ячейках, при этом измерение концентрации газов осуществляют непрерывно или периодически - не реже 1 раза в минуту.The problem is solved in that a method for automatically maintaining the concentration of dissolved gases in a culture medium located in a cell with a cell model and circulating through microfluidic channels of the microfluidic system, made in a layer of gas-permeable material, using gas supply channels made in a layer of gas-permeable material , regardless of microfluidic channels, is based on the use of proportional-integro-differentiating (PID) regulation, in which, as measured the parameter uses the value of the concentration of oxygen and / or carbon dioxide in the layer of gas-permeable material in at least one separate measuring cell not connected to the mentioned channels and the cell with the cell model, and as a given parameter - a parameter calculated based on the required parameter the concentration of said gases in a cell with a cellular model, taking into account the coefficient of coupling of concentrations in the measuring and cell cells, while measuring the concentration of gases is carried out continuously or periodically Eski - at least 1 time per minute.

Измерение концентрации газа осуществляют с помощью, по крайней мере, одного датчика, размещенного в измерительной ячейке вблизи ячейки с клеточной моделью. Предпочтительно измерительную ячейку с датчиком размещать от ячейки с клеточной моделью на расстоянии не более 40% от диаметра ячейки с клеточной моделью. Измерительную ячейку, как правило, размещают на участке между микрофлюидным каналом и каналом подачи газа. Возможен вариант с использованием, по крайней мере, двух измерительных ячеек, одна из которых предназначена для измерения концентрации кислорода, а вторая - углекислого газа. Возможен также вариант использования одной измерительной ячейки с размещенными в ней двумя датчиками. Измерительная ячейка может быть заполнена контрольной жидкостью, состав которой представляет собой водный раствор солей серебра или деионизированную воду. В качестве датчика измерения концентрации могут быть использованы датчик с твердым электролитом, например Figaro SK-25F, или датчик, представляющий собой электрод второго рода, или NDIR датчик, например SprintIR GC-0017, или флуоресцентный датчик, например Presens CD1.The measurement of gas concentration is carried out using at least one sensor located in the measuring cell near the cell with a cell model. It is preferable to place the measuring cell with the sensor from the cell with the cell model at a distance of not more than 40% of the diameter of the cell with the cell model. The measuring cell is usually placed in the area between the microfluidic channel and the gas supply channel. It is possible to use at least two measuring cells, one of which is designed to measure the concentration of oxygen, and the second - carbon dioxide. It is also possible to use one measuring cell with two sensors placed in it. The measuring cell may be filled with a control liquid, the composition of which is an aqueous solution of silver salts or deionized water. As a concentration measuring sensor, a solid electrolyte sensor, for example Figaro SK-25F, or a sensor representing a second-type electrode, or an NDIR sensor, for example SprintIR GC-0017, or a fluorescent sensor, for example Presens CD1, can be used.

Поставленная задача решается тем, что устройство поддержания концентрации растворенных газов в культуральной среде, находящейся в ячейке с клеточной моделью и циркулирующей по микрофлюидным каналам микрофлюидной системы, выполненным в слое из газопроницаемого материала, с использованием каналов подачи газа, выполненных также в слое из газопроницаемого материала, независимо от микрофлюидных каналов, с возможностью подключения к источнику газа через клапан, включает, по крайней мере, один датчик для измерения концентрации углекислого газа и/или кислорода, размещенный в отдельной измерительной ячейке, выполненной в слое из газопроницаемого материала, не соединенной с упомянутыми каналами и ячейкой с клеточной моделью; соединенный с датчиком ПИД-регулятор, выполненный с возможностью подачи управляющего сигнала на клапан. При этом заявляемому устройству также могут быть присущи конструктивные признаки, реализующие перечисленные выше признаки способа.The problem is solved in that a device for maintaining the concentration of dissolved gases in a culture medium located in a cell with a cellular model and circulating through microfluidic channels of the microfluidic system, made in a layer of gas-permeable material, using gas supply channels made in a layer of gas-permeable material, irrespective of microfluidic channels, with the possibility of connecting to a gas source through a valve, includes at least one sensor for measuring carbon dioxide concentration gas and / or oxygen, placed in a separate measuring cell, made in a layer of gas-permeable material, not connected to said channels and a cell with a cell model; PID controller connected to the sensor, configured to supply a control signal to the valve. At the same time, the claimed device may also have inherent design features that implement the above-mentioned features of the method.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 представлено схематичное изображение микрофлюидной системы - вид сверху и сбоку, соответственно, на фиг. 3 представлен горизонтальный разрез слоя газопроницаемого материала в плоскости микрофлюидных каналов и канала подачи газовой смеси, на фиг. 4 и фиг. 5 представлен вертикальный разрез микрофлюидной системы, проходящий через измерительную ячейку с установленным в ней датчиком (два варианта), на фиг. 6 представлена структурная схема заявляемого устройства поддержания концентрации растворенных газов в культуральной среде микрофлюидной системы.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 and 2 show a schematic representation of a microfluidic system - a top view and a side view, respectively, in FIG. 3 shows a horizontal section through a layer of gas-permeable material in the plane of microfluidic channels and a gas mixture supply channel; FIG. 4 and FIG. 5 shows a vertical section of a microfluidic system passing through a measuring cell with a sensor installed in it (two options), FIG. 6 presents a structural diagram of the inventive device for maintaining the concentration of dissolved gases in the culture medium of the microfluidic system.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - канал подачи газа, 2 - пластина, 3 - слой стекла, 4 - вход канала подачи газа, 5 - выход канала подачи газа, 6 - микрофлюидные каналы (микроканалы), 7 - слой газопроницаемого материала, 8 - измерительная ячейка, 9 - ячейка с клетками (или ячейка с клеточной моделью), 10 - крышка ячейки с клетками, 11 - датчик, 12 - флюоресцентный чувствительный элемент, 13 - световод, 14 - ПИД-регулятор, 15 - электромагнитный клапан, 16 - регулятор давления газа, 17 - источник газа.The positions in the drawings indicate: 1 - gas supply channel, 2 - plate, 3 - glass layer, 4 - gas supply channel inlet, 5 - gas supply channel outlet, 6 - microfluidic channels (microchannels), 7 - layer of gas-permeable material, 8 - measuring cell, 9 - cell with cells (or cell with a cell model), 10 - cell cover with cells, 11 - sensor, 12 - fluorescent sensor, 13 - light guide, 14 - PID controller, 15 - solenoid valve, 16 - gas pressure regulator, 17 - gas source.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Изобретение предназначено для использования в микрофлюидных системах (микробиореакторах) для создания и культивирования клеточных моделей органов и тканей млекопитающих. Конструкция микрофлюидной системы представляет собой, как правило, трехслойную структуру (фиг. 1-5), верхний слой которой образован пластиной 2, выполненной, например, из поликарбоната толщиной 10 мм, на которой отлит слой из газопроницаемого материала 7, например, полимерного оптически прозрачного полидиметилсилоксана (ПДМС) толщиной 2 мм и размерами 25×75 мм, содержащий объединенные системой микрофлюидных (микрожидкостных) каналов (микроканалов), ячейки 9 для культивирования клеточных моделей тканей и органов млекопитающих в проточном или замкнутом режимах, а также нижний слой, образованный стандартным предметным стеклом 3 толщиной 1 мм, герметизирующий микрофлюидные каналы в слое ПДМС.The invention is intended for use in microfluidic systems (microbioreactors) for creating and culturing cell models of mammalian organs and tissues. The design of the microfluidic system is, as a rule, a three-layer structure (Fig. 1-5), the upper layer of which is formed by a plate 2 made, for example, of polycarbonate 10 mm thick, on which a layer of gas-permeable material 7 is cast, for example, of polymer optically transparent polydimethylsiloxane (PDMS) with a thickness of 2 mm and a size of 25 × 75 mm, containing cells 9 for culturing cell models of mammalian tissues and organs in a flow or behind a system of microfluidic (microfluidic) channels (microchannels) closed modes, as well as the lower layer formed by a standard glass slide 3 with a thickness of 1 mm, sealing microfluidic channels in the PDMS layer.

Для поддержания концентрации растворенных газов в культуральной среде конструкция микрофлюидной системы дополнительно снабжена одним или несколькими независимыми (от микрофлюидных каналов) каналами подачи газа 1, имеющими вход 4 и выход 5, выполненными в слое газопроницаемого материала 7 (ПДМС), и, по крайней мере, одним датчиком измерения концентрации газа 11 (например, углекислого газа и/или кислорода), который также размещен в упомянутом слое. При этом в предпочтительном варианте осуществления изобретения каналы подачи газа 1 размещены внутри контура микрофлюидного канала 6 (фиг. 3), а газопроницаемый слой 7 снабжен, по крайней мере, одной измерительной ячейкой 8 для размещения датчика 11. Заявляемое устройство поддержания концентрации растворенных газов в культуральной среде содержит также контроллер 14, соединенный с датчиком 11 (12, 13), электромагнитный клапан 15 и регулятор давления газа 16, расположенные со стороны входа 4 канала подачи газа 1, через которые осуществляется соединение канала подачи газа 1 с источником газа 17, при этом контроллер 14 выполнен с возможностью подачи управляющих команд на электромагнитный клапан 15.To maintain the concentration of dissolved gases in the culture medium, the design of the microfluidic system is additionally equipped with one or more independent (from microfluidic channels) gas supply channels 1 having an inlet 4 and an outlet 5 made in a layer of gas-permeable material 7 (PDMS), and at least one sensor for measuring the concentration of gas 11 (for example, carbon dioxide and / or oxygen), which is also located in the said layer. Moreover, in a preferred embodiment of the invention, the gas supply channels 1 are placed inside the contour of the microfluidic channel 6 (Fig. 3), and the gas-permeable layer 7 is provided with at least one measuring cell 8 for receiving the sensor 11. The inventive device for maintaining the concentration of dissolved gases in the culture the medium also contains a controller 14 connected to the sensor 11 (12, 13), an electromagnetic valve 15 and a gas pressure regulator 16 located on the input side 4 of the gas supply channel 1, through which it is connected e a gas supply channel 1 from the gas source 17, the controller 14 is adapted to supply control instructions to the solenoid valve 15.

Предпочтительным в конструкции заявляемого устройства является расположение измерительной ячейки 8 с датчиком 11 в непосредственной близости с ячейкой для клеток 9 (на расстоянии 1-2 мм).Preferred in the design of the claimed device is the location of the measuring cell 8 with the sensor 11 in close proximity to the cell for cells 9 (at a distance of 1-2 mm).

Ячейки 9 и микроканалы 6 заполнены культуральной средой. Культуральная среда приводится в движение с помощью насоса, который может быть встроен в конструкцию микроканала. В одном из вариантов выполнения встроенный насос состоит из управляемых пневматически двух клапанов и рабочей камеры, которые представляют собой гибкие тонкостенные мембраны. Каждая ячейка 9 снабжена крышкой 10, герметично закрывающей ячейку.Cells 9 and microchannels 6 are filled with culture medium. The culture medium is driven by a pump, which can be integrated into the microchannel design. In one embodiment, the integrated pump consists of pneumatically controlled two valves and a working chamber, which are flexible thin-walled membranes. Each cell 9 is provided with a lid 10, which hermetically closes the cell.

Обратная связь, определяющая промежутки времени подачи газа, основана на косвенной оценке концентрации растворенного газа в культуральной среде, размещенной в микрофлюидных каналах, на основании данных датчика 11 (или 12, 13) о концентрации газа в измерительной ячейке 8. В частности, регулирование концентрацией растворенных газов осуществляется посредством периодического или постоянного контроля текущих параметров концентрации с помощью датчика 11 и подачи на вход 4 канала подачи газа 1 газа или смеси газов с заданными параметрами (в зависимости от требуемого соотношения концентраций в ячейке, например чистый углекислый газ или смесь углекислого газа и кислорода в соотношении 1:1) в течение определенных промежутков времени. Промежутки времени могут выбираться в соответствии с принципом пропорционально-интегро-дифференциирующего регулятора (ПИД-регулятора). В частности, промежуток времени может являться суммой трех слагаемых, первое из которых (сигнал рассогласования) пропорционально разности заданной концентрации в измерительной ячейке 8 (входного сигнала) и измеренной концентрацей в измерительной ячейке 8 (сигнала обратной связи), второе - интегралу сигнала рассогласования, третье - производной сигнала рассогласования.The feedback determining the time intervals for gas supply is based on an indirect estimate of the concentration of dissolved gas in the culture medium located in microfluidic channels, based on the data of the sensor 11 (or 12, 13) on the gas concentration in the measuring cell 8. In particular, the regulation of the concentration of dissolved of gases is carried out by periodically or continuously monitoring the current concentration parameters using the sensor 11 and supplying gas 4 to the input 4 of the gas supply channel 1 or a mixture of gases with specified parameters (depending spine on the desired concentration ratio in the cell, such as pure carbon dioxide or a mixture of carbon dioxide and oxygen in the ratio 1: 1) during certain time intervals. The time intervals can be selected in accordance with the principle of the proportional-integro-differentiating controller (PID controller). In particular, the time interval can be the sum of three terms, the first of which (the mismatch signal) is proportional to the difference between the given concentration in the measuring cell 8 (input signal) and the measured concentration in the measuring cell 8 (feedback signal), the second to the integral of the mismatch signal, and the third - derivative of the error signal.

Коэффициенты ПИД-регулятора могут быть подобраны экспериментально с обеспечением минимального времени выхода концентраций газов на заданные.The coefficients of the PID controller can be selected experimentally with a minimum time for the exit of gas concentrations to the given ones.

Заданная концентрация в измерительной ячейке 8 определяется исходя из требуемой концентрации в ячейке 9 на основе соотношения между концентрациями в измерительной ячейке 8 и ячейке 9, полученной с помощью численного моделирования диффузии в слое газопроницаемого материала 7 газа из канала подачи газа 1 или экспериментально. При этом концентрация газа в измерительной ячейке 8 линейно зависит от концентрации растворенного газа в микрофлюидных каналах 6 благодаря диффузии газов через газопроницаемый материал микрофлюидного устройства 7. Требуемые концентрации газов зависят от типа культивируемых клеток, например: для клеток почки требуется 9,5% кислорода, для клеток мозга - 4,4%.The predetermined concentration in the measuring cell 8 is determined based on the desired concentration in the cell 9 on the basis of the ratio between the concentrations in the measuring cell 8 and the cell 9 obtained by numerical simulation of diffusion in the layer of gas-permeable gas 7 from the gas supply channel 1 or experimentally. The gas concentration in the measuring cell 8 linearly depends on the concentration of dissolved gas in the microfluidic channels 6 due to the diffusion of gases through the gas-permeable material of the microfluidic device 7. The required gas concentrations depend on the type of cultured cells, for example: 9.5% oxygen is required for kidney cells, for brain cells - 4.4%.

Газы могут подаваться из баллонов со сжатым газом, в том числе через газовый смеситель. Регулировка подачи может осуществляться как с помощью пропорционального клапана, так и с помощью пилотного электромагнитного клапана. На выходе 5 канала подачи газа 1 может стоять пассивный клапан, препятствующий свободному обмену между каналом подачи газа и атмосферой. Измерение концентраций растворенных газов производится как минимум одним датчиком концентрации газа 11 (или 12, 13), герметично установленным в измерительной ячейке 8. Причем измерительная ячейка 8 не соединена ни с одним из каналов микрофлюидной системы (6 и 1). Возможен вариант выполнения устройства, при котором измерительная ячейка 8 расположена в слое из газопроницаемого материала 7 на участке между ячейкой с клетками 9 и каналом подачи газа 1. Возможен также вариант выполнения устройства, при котором использованы, по крайней мере, две измерительные ячейки 8, одна из которых предназначена для измерения концентрации кислорода, а вторая - углекислого газа, расположенные, например, на равноудаленном расстоянии от ячейки 9. Для датчиков на основе флуоресцентных меток (12, 13) предпочтителен вариант выполнения устройства, при котором измерительная ячейка 8 заполнена контрольной жидкостью, представляющей собой дионизированную воду. Для датчиков на основе электрохимических сенсоров предпочтителен вариант выполнения устройства, при котором измерительная ячейка 8 заполнена контрольной жидкостью, представляющей собой водный раствор солей серебра. На фиг. 4 и 5 показаны варианты размещения датчиков в измерительной ячейке 8. В конструкции на фиг. 5 представлен пример использования оптического датчика, содержащего флюоресцентный чувствительный элемент 12 (например дисковый элемент CD1 фирмы PreSens) и световод 13 с, как минимум, одним волокном накачки и, как минимум, одним волокном регистрации флюоресценции. В качестве оптического датчика может быть использован EOM-CO2-mini или EOM-O2-micro.Gases can be supplied from compressed gas cylinders, including through a gas mixer. The feed can be adjusted using either a proportional valve or a pilot solenoid valve. At the output 5 of the gas supply channel 1, there can be a passive valve preventing the free exchange between the gas supply channel and the atmosphere. The concentration of dissolved gases is measured by at least one gas concentration sensor 11 (or 12, 13) hermetically installed in the measuring cell 8. Moreover, the measuring cell 8 is not connected to any of the channels of the microfluidic system (6 and 1). A possible embodiment of the device, in which the measuring cell 8 is located in the layer of gas-permeable material 7 in the area between the cell with the cells 9 and the gas supply channel 1. A possible embodiment of the device, in which at least two measuring cells 8 are used, one of which it is intended to measure oxygen concentration, and the second one - carbon dioxide, located, for example, at an equidistant distance from cell 9. For sensors based on fluorescent labels (12, 13), the preferred option is ying unit, wherein the measuring cell 8 filled with a control fluid, which is a deionized water. For sensors based on electrochemical sensors, an embodiment of the device is preferable in which the measuring cell 8 is filled with a control liquid, which is an aqueous solution of silver salts. In FIG. 4 and 5 show the placement of sensors in the measuring cell 8. In the design of FIG. Figure 5 shows an example of the use of an optical sensor containing a fluorescent sensing element 12 (for example, PreSens disk element CD1) and a light guide 13 with at least one pump fiber and at least one fluorescence detection fiber. As an optical sensor, EOM-CO2-mini or EOM-O2-micro can be used.

Кроме того, возможно использование любых известных из уровня техники датчиков, имеющих соответствующие характеристики (измерение CO2 или O2 в диапазоне парциального давления от 0 до 10% с точностью не хуже 0,5% и частотой не менее 0,03 Гц), позволяющих их размещать в микрофлюидных системах, в частности датчиков с твердым электролитом, например Figaro SK-25F; датчиков, представляющих собой электрод второго рода; NDIR датчиков, например SprintIR GC-0017, флуоресцентных датчиков и т.д.In addition, it is possible to use any sensors known from the prior art that have the appropriate characteristics (measuring CO 2 or O 2 in the partial pressure range from 0 to 10% with an accuracy of no worse than 0.5% and a frequency of at least 0.03 Hz), allowing they should be placed in microfluidic systems, in particular sensors with solid electrolyte, for example Figaro SK-25F; sensors representing an electrode of the second kind; NDIR sensors, e.g. SprintIR GC-0017, fluorescent sensors, etc.

Алгоритм работы заявляемого устройства включает:The algorithm of the claimed device includes:

- периодическое (не реже 1 раза в минуту) или постоянное измерение значений концентрации газа датчиком 11 (или 12, 13),- periodic (at least 1 time per minute) or continuous measurement of gas concentration values by the sensor 11 (or 12, 13),

- расчет, например с помощью ПИД-регулятора 14, длительности подачи газа на основе суммы сигнала рассогласования, его интеграла и производной с соответствующими коэффициентами,- calculation, for example using the PID controller 14, the gas supply duration based on the sum of the error signal, its integral and derivative with the corresponding coefficients,

- подачу газа из источника 17 на вход 4 соответствующего канала 1 в течение рассчитанной длительности.- the supply of gas from the source 17 to the input 4 of the corresponding channel 1 for the calculated duration.

ПИД-регулирование обеспечивает достаточно высокую точность при управлении процессом автоматического поддержания заданного значения измеряемого параметра - концентрации кислорода и/или углекислого газа, растворенных в культуральной среде, находящейся в ячейке с клетками, который включает расчет необходимого количества газа и времени его подачи, представляет собой устройство, выполненное, как правило, на базе микроконтроллера, располагаемого в цепи обратной связи, и в который поступает информация от датчика концентрации упомянутых газов о текущей концентрации, при этом память микроконтроллера содержит заданные параметры концентрации, которые должны быть в измерительной ячейке.PID control provides a sufficiently high accuracy when controlling the process of automatically maintaining a given value of a measured parameter — the concentration of oxygen and / or carbon dioxide dissolved in a culture medium in a cell with cells, which includes calculating the required amount of gas and its delivery time, is a device , made, as a rule, on the basis of a microcontroller located in the feedback circuit, and which receives information from the concentration sensor of the above a call about the current concentration, while the memory of the microcontroller contains the specified concentration parameters, which should be in the measuring cell.

Пример конкретного выполненияConcrete example

Заявляемое устройство поддержания концентрации растворенных газов в культуральной среде было апробировано на микрофлюидной системе, изготовленной в газопроницаемом слое полидиметилсилоксана с толщиной 2 мм и размерами 25×75 мм, герметизированной предметным стеклом и отлитой на слое поликарбоната. Каналы 1 и 6 имели высоту 100 мкм и ширину 400 мкм. Канал 1 имел длину 280 мм. В качестве контрольно-измерительного оборудования был использован прибор Presens ЕОМ CO2-mini с датчиками CD1, размещенными в ячейках 9 (для контроля) и 8, расположенных на расстоянии 2 мм. Диаметры ячеек составляли 5,6 мм. Ячейка 8 была заполнена деионизированной водой. Микрофлюидная система имела встроенный насос со средним объемным расходом 5 мкл/мин. В качестве ПИД-регулятора использовался регулятор ЕМСО ESM-4420. В качестве исполнительных механизмов были использованы регулятор давления Festo LRP-1/4-0,7 с установленным давлением 10 кПа и электромагнитный клапан Festo МН-1. Источником газа служил баллон со сжиженным углекислым газом с двухступенчатым редуктором (40 кПа). В качестве значения нормы было установлено значение концентрации, соответствующее 5% CO2. Коэффициент, связывающий концентрации в измерительной и клеточной ячейках (зависящий в т.ч. от коэффициента диффузии газа в газопроницаемом материале), составил 1,24. Подбор коэффициентов ПИД-регулятора осуществлялся им автоматически по встроенному алгоритму.The inventive device for maintaining the concentration of dissolved gases in the culture medium was tested on a microfluidic system made in a gas-permeable layer of polydimethylsiloxane with a thickness of 2 mm and a size of 25 × 75 mm, sealed with a glass slide and cast on a polycarbonate layer. Channels 1 and 6 had a height of 100 μm and a width of 400 μm. Channel 1 was 280 mm long. As a test equipment, the Presens EOM CO2-mini instrument was used with CD1 sensors located in cells 9 (for monitoring) and 8 located at a distance of 2 mm. The cell diameters were 5.6 mm. Cell 8 was filled with deionized water. The microfluidic system had an integrated pump with an average volumetric flow rate of 5 μl / min. The EMCO ESM-4420 controller was used as the PID controller. As actuators, the Festo LRP-1 / 4-0.7 pressure regulator with a set pressure of 10 kPa and the Festo MN-1 solenoid valve were used. The gas source was a cylinder with liquefied carbon dioxide with a two-stage gearbox (40 kPa). As a norm value, a concentration value corresponding to 5% CO 2 was established . The coefficient linking the concentrations in the measuring and cell cells (depending, inter alia, on the diffusion coefficient of gas in a gas-permeable material) was 1.24. The selection of the PID controller coefficients was carried out automatically by the built-in algorithm.

Культивируемые в заявляемом устройстве клетки HeLa не показали статистически значимых отличий в показателях жизнеспособности от клеток, культивируемых в CO2-инкубаторе.Cultured in the inventive device, HeLa cells did not show statistically significant differences in viability from cells cultured in a CO 2 incubator.

Применение устройства существенно упрощает использование микрофлюидных систем для культивирования клеточных моделей, поскольку позволяет работать с ними вне CO2-инкубатора без стрессирования клеточных моделей. В частности, становится возможным длительное наблюдение за моделями с помощью стандартных инвертированных микроскопов.The use of the device greatly simplifies the use of microfluidic systems for the cultivation of cell models, since it allows you to work with them outside a CO 2 incubator without stressing cell models. In particular, it becomes possible to monitor models for a long time using standard inverted microscopes.

Преимуществами данного устройства являются низкий объем жидкости (культуральной среды) в каналах микрофлюидной системы и отсутствие взаимного влияния датчика и культивируемых клеток.The advantages of this device are the low volume of fluid (culture medium) in the channels of the microfluidic system and the absence of the mutual influence of the sensor and cultured cells.

Claims (10)

1. Устройство поддержания концентрации растворенных газов в культуральной среде, находящейся в ячейке с клеточной моделью и циркулирующей по микрофлюидным каналам микрофлюидной системы, выполненным в слое из газопроницаемого материала, с использованием каналов подачи газа, выполненных также в слое из газопроницаемого материала, независимо от микрофлюидных каналов, с возможностью подключения к источнику газа через клапан, включающее, по крайней мере, один датчик для измерения концентрации углекислого газа и/или кислорода, размещенный в отдельной измерительной ячейке, выполненной в слое из газопроницаемого материала, не соединенной с упомянутыми каналами и ячейкой с клеточной моделью, где измерительная ячейка с датчиком размещена от ячейки с клеточной моделью на расстоянии не более 40% от диаметра ячейки с клеточной моделью; а также соединенный с датчиком пропорционально-интегро-дифференцирующий регулятор, выполненный с возможностью подачи управляющего сигнала на клапан.1. A device for maintaining the concentration of dissolved gases in a culture medium located in a cell with a cell model and circulating through microfluidic channels of a microfluidic system made in a layer of gas-permeable material, using gas supply channels made also in a layer of gas-permeable material, regardless of microfluidic channels , with the ability to connect to a gas source through a valve comprising at least one sensor for measuring the concentration of carbon dioxide and / or oxygen, placed separate measurement cell formed in the layer of gas permeable material are not connected with said channels and a cell with a cell model, where the measuring cell with a sensor placed on the cell with the cell model is not more than 40% of the cell diameter to cell model; as well as a proportional-integro-differentiating controller connected to the sensor, configured to supply a control signal to the valve. 2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что измерительная ячейка с датчиком размещена на участке между микрофлюидным каналом и каналом подачи газа.2. The device according to claim 1, characterized in that the measuring cell with the sensor is located in the area between the microfluidic channel and the gas supply channel. 3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что использованы, по крайней мере, две измерительные ячейки с датчиками, одна из которых предназначена для измерения концентрации кислорода, а вторая - углекислого газа.3. The device according to claim 1, characterized in that at least two measuring cells with sensors are used, one of which is designed to measure oxygen concentration, and the second - carbon dioxide. 4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что измерительная ячейка заполнена контрольной жидкостью, состав которой представляет собой водный раствор солей серебра или деионизированную воду.4. The device according to claim 1, characterized in that the measuring cell is filled with a control liquid, the composition of which is an aqueous solution of silver salts or deionized water. 5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что в качестве датчика измерения концентрации используют датчик с твердым электролитом, например Figaro SK-25F, или датчик, представляющий собой электрод второго рода, или NDIR датчик, например SprintIR GC-0017, или флуоресцентный датчик, например Presens CD1.5. The device according to claim 1, characterized in that a solid electrolyte sensor, for example Figaro SK-25F, or a sensor representing a second-type electrode, or an NDIR sensor, for example SprintIR GC-0017, or fluorescent, is used as a concentration measurement sensor sensor, e.g. Presens CD1. 6. Способ автоматического поддержания концентрации растворенных газов в культуральной среде, находящейся в ячейке с клеточной моделью и циркулирующей по микрофлюидным каналам микрофлюидной системы, выполненным в слое из газопроницаемого материала, с использованием каналов подачи газа, выполненных также в слое из газопроницаемого материала, независимо от микрофлюидных каналов, основанный на использовании пропорционально-интегро-дифференцирующего регулирования, в котором в качестве измеряемого параметра используют значение концентрации кислорода и/или углекислого газа в слое из газопроницаемого материала, по крайней мере, в одной отдельной измерительной ячейке, не соединенной с упомянутыми каналами и ячейкой с клеточной моделью, а в качестве заданного параметра - параметр, рассчитанный исходя из требуемого параметра концентрации упомянутых газов в ячейке с клеточной моделью с учетом коэффициента связи концентраций в измерительной и клеточной ячейках, при этом измерение концентрации газов осуществляют непрерывно или периодически - не реже 1 раза в минуту с помощью, по крайней мере, одного датчика, размещенного в измерительной ячейке, расположенной от ячейки с клеточной моделью на расстоянии не более 40% диаметра ячейки с клеточной моделью.6. A method for automatically maintaining the concentration of dissolved gases in a culture medium located in a cell with a cell model and circulating through microfluidic channels of a microfluidic system made in a layer of gas-permeable material, using gas supply channels made also in a layer of gas-permeable material, regardless of microfluidic channels, based on the use of proportional-integro-differentiating regulation, in which the value of concentra oxygen and / or carbon dioxide in a layer of gas-permeable material in at least one separate measuring cell not connected to the said channels and a cell with a cell model, and as a given parameter, a parameter calculated based on the required concentration parameter of the said gases in a cell with a cell model, taking into account the coefficient of coupling of concentrations in the measuring and cell cells, while the measurement of gas concentration is carried out continuously or periodically - at least 1 time per minute using at least one sensor located in the measuring cell located from the cell with the cell model at a distance of not more than 40% of the diameter of the cell with the cell model. 7. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что измерительную ячейку размещают на участке между микрофлюидным каналом и каналом подачи газа.7. The method according to p. 6, characterized in that the measuring cell is placed in the area between the microfluidic channel and the gas supply channel. 8. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что использованы, по крайней мере, две измерительные ячейки, одна из которых предназначена для измерения концентрации кислорода, а вторая - углекислого газа.8. The method according to p. 6, characterized in that at least two measuring cells are used, one of which is designed to measure oxygen concentration, and the second - carbon dioxide. 9. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что измерительная ячейка заполнена контрольной жидкостью, состав которой представляет собой водный раствор солей серебра или деионизированную воду.9. The method according to p. 6, characterized in that the measuring cell is filled with a control liquid, the composition of which is an aqueous solution of silver salts or deionized water. 10. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что в качестве датчика измерения концентрации используют датчик с твердым электролитом, например Figaro SK-25F, или датчик, представляющий собой электрод второго рода, или NDIR датчик, например SprintIR GC-0017, или флуоресцентный датчик, например Presens CD1. 10. The method according to claim 6, characterized in that as a concentration measuring sensor, a solid electrolyte sensor, for example Figaro SK-25F, or a sensor representing a second-type electrode, or an NDIR sensor, for example SprintIR GC-0017, or fluorescent, is used sensor, e.g. Presens CD1.
RU2015114927/10A 2015-04-22 2015-04-22 Device and method for automated maintenance of concentration of dissolved gases in culture medium in microfluid system RU2587628C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015114927/10A RU2587628C1 (en) 2015-04-22 2015-04-22 Device and method for automated maintenance of concentration of dissolved gases in culture medium in microfluid system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015114927/10A RU2587628C1 (en) 2015-04-22 2015-04-22 Device and method for automated maintenance of concentration of dissolved gases in culture medium in microfluid system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2587628C1 true RU2587628C1 (en) 2016-06-20

Family

ID=56132277

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015114927/10A RU2587628C1 (en) 2015-04-22 2015-04-22 Device and method for automated maintenance of concentration of dissolved gases in culture medium in microfluid system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2587628C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019088983A1 (en) * 2017-10-30 2019-05-09 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Microfluidic devices
WO2019088984A1 (en) * 2017-10-30 2019-05-09 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Microfluidic devices
EP3978596A1 (en) 2020-10-02 2022-04-06 Sorbonne Universite Device for providing a liquid medium with a controlled flow rate and with a controlled dissolved gas concentration
EP4245839A1 (en) * 2022-03-14 2023-09-20 Fluigent Method for monitoring at least one substance produced or consumed by a living entity

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1139999A2 (en) * 1982-05-19 1985-02-15 Всесоюзный научно-исследовательский институт биологического приборостроения Device for determination of content of gases diluted in liquid
US5188962A (en) * 1990-10-09 1993-02-23 Eisai Co., Ltd. Cell cultivating apparatus
US20090220935A1 (en) * 2006-03-10 2009-09-03 Massachusetts Instutite Of Technology Apparatus and method for dissolved oxygen control in parallel integrated bioreactor array
RU2458344C2 (en) * 2008-03-03 2012-08-10 Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. Microfluidic device and method of measuring thermophysical characteristics of formation fluid

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1139999A2 (en) * 1982-05-19 1985-02-15 Всесоюзный научно-исследовательский институт биологического приборостроения Device for determination of content of gases diluted in liquid
US5188962A (en) * 1990-10-09 1993-02-23 Eisai Co., Ltd. Cell cultivating apparatus
US20090220935A1 (en) * 2006-03-10 2009-09-03 Massachusetts Instutite Of Technology Apparatus and method for dissolved oxygen control in parallel integrated bioreactor array
RU2458344C2 (en) * 2008-03-03 2012-08-10 Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. Microfluidic device and method of measuring thermophysical characteristics of formation fluid

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019088983A1 (en) * 2017-10-30 2019-05-09 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Microfluidic devices
WO2019088984A1 (en) * 2017-10-30 2019-05-09 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Microfluidic devices
US11478793B2 (en) 2017-10-30 2022-10-25 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Microfluidic devices
US11583861B2 (en) 2017-10-30 2023-02-21 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Microfluidic devices
EP3978596A1 (en) 2020-10-02 2022-04-06 Sorbonne Universite Device for providing a liquid medium with a controlled flow rate and with a controlled dissolved gas concentration
WO2022069662A1 (en) 2020-10-02 2022-04-07 Sorbonne Universite Device for providing a liquid medium with a controlled flow rate and with a controlled dissolved gas concentration
EP4245839A1 (en) * 2022-03-14 2023-09-20 Fluigent Method for monitoring at least one substance produced or consumed by a living entity
WO2023174828A1 (en) * 2022-03-14 2023-09-21 Fluigent Method for monitoring at least one substance produced or consumed by a living entity

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Brennan et al. Oxygen control with microfluidics
US9388374B2 (en) Microfluidic cell culture systems
RU2587628C1 (en) Device and method for automated maintenance of concentration of dissolved gases in culture medium in microfluid system
US8709793B2 (en) Bioreactor device, and method and system for fabricating tissues in the bioreactor device
US20110104730A1 (en) Mesoscale bioreactor platform for perfusion
US20110229961A1 (en) Active microfluidic system for in vitro culture
US20060270025A1 (en) Microfermentor device and cell based screening
US20050026134A1 (en) Systems and methods for control of pH and other reactor environment conditions
US20160319234A1 (en) Continuously controlled hollow fiber bioreactor
US20050032204A1 (en) Microreactor architecture and methods
US20060019333A1 (en) Control of reactor environmental conditions
US20080274539A1 (en) Bioreactor for Studying the Effects of Imposed Stimuli on Cellular Activity
US20020110905A1 (en) Perfusion system for cultured cells
US20110229927A1 (en) Sample port of a cell culture system
WO2004069983A9 (en) Microreactor architecture and methods
WO2010013016A2 (en) Apparatus and method for sample processing or storage
WO2003103813A2 (en) Materials and reactor systems having humidity and gas control
EP3978596A1 (en) Device for providing a liquid medium with a controlled flow rate and with a controlled dissolved gas concentration
Takano et al. On-chip incubation system for long-term microfluidic cell culture
EP4245839A1 (en) Method for monitoring at least one substance produced or consumed by a living entity
CN117844636A (en) Microfluidic cell perfusion culture device and system based on standard porous plate
CN117903937A (en) Microfluidic cartridge for automatic perfusion culture of cells
CN117210327A (en) Microfluidic organ culture real-time monitoring system and method thereof
KR20200019021A (en) Cell culture apparatus and cell culture system using the same
AU2007201793A1 (en) Microfermentor device and cell based screening method