CN102706810B - 用于一次性生物反应器的复合传感器组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于监测生物工艺的复合传感器组件，其适用于聚合物生物工艺容器或适用于下游设备，其包括：i)包括高表面张力的热塑性塑料的端口，所述端口具有中空管状部分以及底板部分，所述底板部分在生物反应器容器的壁部的孔处可熔地可密封到生物反应器容器；ii)基本上不透明的聚合物监测传感器组件，其包括电和/或光学测量部件。该传感器组件安装在所述端口的中空管状部分的内孔内部，并且粘着地固定在其内。

Description

用于一次性生物反应器的复合传感器组件
背景技术
用于生物工艺的一次性系统在市场上的日益普及是显而易见的，并且通过考虑典型的生物技术制造设备，可容易地理解该普及。实施使用传统玻璃/钢生物反应器、搅拌器以及净化系统的设施所需的基础设施很大，并且构造这种生物工艺系统的时间和花费巨大。要求设备本身以及进出管道使用惰性材料(比如316L电抛光不锈钢)需要大量的初期投资，并且生物反应器(即生物工艺容器)、搅拌器以及下游工艺设备(比如色谱滑动架(chromatography skid)、过滤系统)均占用很大的空间。相反，与传统的刚性玻璃/钢解决方案相比，一次性平台的尺寸和形状因素通常允许更容易的储存和重新配置。与传统设计相比，一次性系统的其他优点包括更低的支撑性基础设施并且节省时间，具体地，包括减少了制备和消毒时间、运行后用更少的净化水清洗容器、并且明显减少了运行后维修时间。此外，当制造或工艺要求改变时，一次性系统及其相关联的塑料管道适合于被快速且有效地重新配置和验证。在本发明的上下文中，我们主要讨论一次性生物反应器，但是原理普遍适用于前述一次性设备中的任意一种，其中这些一次性设备用在上游工艺(USP)场所和下游工艺(DSP)场所两者中的生物工艺中。
虽然已经构想了并在市场中引入了许多不同类型的一次性生物反应器，但是目前两种类型占主导地位。商业上流行的第一种一次性生物反应器通常称为“枕头”或“摇杆(rocker)”袋类型，而且，比如在美国专利No.6,190,913中已进行了描述，该专利的内容通过引用的方式并入此文中。这种类型的袋可由多种不同的聚合物材料构成，但是一般来说，低或超低密度聚乙烯(LDPE)以及乙烯/醋酸乙烯(EVA)共聚物为目前最普通的材料，至少用于该袋的最内层，即，与水性培养基接触的袋表面。有时用于构成一次性生物反应器容器的其他材料包括高密度聚乙烯(HDPE)以及凯夫拉尔(Kevlar)(聚对苯二甲酰对苯二胺)。枕头或摇杆型一次性生物反应器使用袋支撑平台(该袋支撑平台通常围绕单轴摇动)的运动引起的波动来混合生物反应器的内含物以及对生物反应器的内含物进行喷射(通气)。摇杆型一次性生物反应器袋在市场上已经享有一些成功的同时，迄今，一个主要的问题是缺乏强健的一次性传感器，这种传感器可整合到这些摇杆袋内并且优选地与袋共同被辐射消毒。关于强健，我们指的是精确的，对γ或β辐射作用稳定的且能够实时(生物工艺所需要的速度或时间响应内的实时)使用，例如在至少21天内提供1-3秒采样以用于工艺监测和控制。枕头或摇杆袋不是当今使用的唯一类型的一次性生物反应器容器。还存在功能上模仿小型玻璃容器的一次性聚合物硬壳生物反应器，以及较大型的一次性塑料内衬袋，这些内衬袋安装在刚性引导器(pilot)和大规模玻璃/不锈钢搅拌罐生物反应器内(比如见美国专利7,384,783，该专利的内容通过引用的方式并入此文中)。较大的内衬袋通常由多层薄膜层压片构成，这些层压片也将超低密度聚乙烯或EVA至少用于其最内层。
比如，图6显示了由赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific)使用的用于生物反应器容器的CX-14薄膜的结构。通常通过侧端口将传感器引入这些较大的一次性生物反应器中。枕头(摇杆)袋和内衬袋可视为使用本发明的生物工艺监测组件的“聚合物生物反应器容器”。
影响上游和下游应用中的聚合物生物反应器容器和其他类型的一次性设备的一个关键问题通常为如何引入传感器和辅助监测设备或需要多种不同材料的组件(比如机械组件)的方法。通常通过图1(比如见公开申请US2006/0240546)中所示的现有类型的端口，引入这些传感器(一次性和传统的多用途)，或者通过本申请的图2中所示的端口引入传感器，图2中所示的端口特定地用于摇杆袋。图1中所示的端口可用于将允许使用不同类型的感测元件的监测组件引入容器内，而图2中所示的端口通常限于以光纤为基础的一次性传感器系统。这里，我们使用术语“端口”来表示我们的组件的一部分，以便清楚地表明我们替换了这些现有的端口和由单独部件构成的部件组件。然而，要注意的是，在此处所描述的本发明中，实际上不再具有端口或通过所述端口进入容器内的单独的监测部件。端口的概念起源于玻璃和不锈钢生物反应器，其中端口包括在顶板或实际的容器壁内的螺纹开口，传感器或其他部件通过带有O型环密封的螺纹帽被固定到该螺纹开口中。此处更精确的类比为组件是否焊接到不锈钢生物反应器壁或钢顶板内以进行密封。
图1中所示的现有端口的构成材料通常与同其接触的袋的表面材料相同，因为这允许该端口容易地熔化(比如热焊接或超声波焊接)到袋表面。图1中所示的端口包括圆柱形管10和法兰11。这种端口使用机械密封，以防止围绕常规圆柱形传感器或围绕其他引入到端口的管部分的物体的泄漏。该机械密封可为较大区域上的面对面接触造成的摩擦配合(friction fit)，如图3中所示(见公开申请US2006/0240546)。图3更详细地显示了圆柱形物体(比如常规的直径为12mm的电化学溶氧(DO)或pH探头或无菌连接器，比如KleenPakTM)34安装在管状构件31内，并具有大接触面积33。该现有端口具有模仿O型环的形状32和焊接到一次性生物反应器容器的内衬的环形法兰35。同样，该端口实际上可使用图4中所示的O型环密封，图4显示了通过可焊接的聚合物法兰43安装在管状端口构件42内的一次性自由空间光学组件(比如一次性传感器护套)41。O型环44位于端口管状构件内的凹槽45内。尽管这些端口设计通常可在端口和引入的组件之间提供气密和水密密封，但是需要大量时间来使这些组件合格并测试这些组件(证实这些组件用于cGMP)，并且制造一次性聚合物生物反应器容器时，不能简单地直接组装这些组件。此外，存在难以设计出合适的端口组件来支撑传感器组件的情况。在摇杆型一次性生物反应器袋中尤其如此，在摇杆型一次性生物反应器袋中使用基于光纤的一次性传感器时具有缺点，但是引入美国专利7,489,402(该专利的内容通过引用的方式并入此文中)中所描述的最佳设计的基于自由空间的光学传感器组件需要更大的端口。然而，大端口会施压于袋材料，并因此难以构造成使得可确保袋的完整性并同时维持不渗漏密封。
将传感器组件(或其他类型的监测组件)引入一次性生物反应器容器内的优选的方法为简单地直接将这些组件焊接在袋内，其焊接方式与现有端口和通风孔目前连接到一次性袋内衬中的方法相似。迄今，对于大多数传感器或传感器组件而言，这基本上还不可行。不能实施这种将传感器或其他附件引入一次性生物反应器容器或其他一次性设备内的解决方案的原因包括：袋或内衬通常由层压薄膜做成，其中内层通常为高表面张力的聚合物，比如超低密度的LDPE或EVA；而用于传感器组件(比如，无论是自由空间光学传感器还是电传感器)的材料通常需要为聚合物，比如聚碳酸酯、环烯烃、共聚酯或其他热塑性塑料，这些热塑性塑料可以是透明或不透明的、基本上刚性的，可满足医用标准USP Class VIstandards，并且尤其可承受通常用于消毒的50kGy的γ或β辐射且其物理和光学性能不发生明显的变化(比如该材料不易碎或者不改变不透明度)。用于制造袋或容器内衬的层压薄膜可容易地焊接在一起，尽管通常由与一次性生物反应器(比如LDPE、EVA、PVDF或其他聚烯烃)的内层匹配的材料构成的现有端口也可焊接到袋或内衬，但是用于传感器组件本身的最佳材料无法容易地焊接到薄膜内层材料或与内衬具有相同材料的端口(见：“Materialsof Construction for Single-Use Bioprocessing Systems(一次性生物工艺系统的构成材料)”，William Hartzel，Innovations in Pharmaceutical Technology(制药技术创新)，第46页，2007年4月)。我们已发现这两种材料，即传感器组件和袋内衬融合(melt)或粘结在一起时会改变内衬的至少接触层的表面，并且通常会改变两个材料表面。因此，本发明具有这样的能力：构造可直接焊接到袋的复合组件，这种能力为将传感器或组件放入一次性生物传感器容器内提供了重要的新的可能性，并且解决了现有传感器端口设计中存在的许多问题。此外，为了能够在整体上完全优化一次性范例和工艺，自动化软件、硬件以及一次性传感器必须从上游工艺(USP)单元(比如搅拌器和生物反应器)扩张，以便也包括下游生物工艺(DSP)工具，比如使用相似薄膜的色谱组件和过滤滑动架(filter skid)。使得集成数据历史化的柔性模块化设备的出现允许从缓冲收集的一整套处理数据混合到生物工艺产品的最终超滤中。从特定工艺模块的传感器(比如搅拌器、生物反应器以及不同的工艺配置，尤其是在下游侧)中可获得数据，这就允许用户为每个工艺步骤以及其中的交互作用开发模块。一旦从数据库中可得到充分的信息，那么生物工艺工程师就可优化整个工艺的端到端，并且实施产量建模。
如此处所使用的一样，术语生物工艺容器意在包括USP和DSP工具。在DSP中，设备使用此处描述的本发明的制造工艺理想地实施所制造的一次性传感器，以便替换传统的传感器和/或启动新的额外的分析能力。DSP设备所使用的薄膜技术与USP聚合物生物工艺容器中所使用的薄膜技术相似，这样的DSP设备在美国专利7,935,253中进行了描述。用于DSP和USP的理想的“智能”传感器具有与生物工艺容器一起被预校准和被γ或β辐射消毒的能力。这样，传感器与生物工艺容器一起被封闭在运输容器内。因此，整个系统达到无菌，从而在工艺设置的过程中将操作员的时间最小化。比如，在下游应用中，也非常需要测量pH和温度以及光学密度和产品纯度(比如病毒负荷、生物杂质)。在DSP传感器设计中，组合复合材料的能力尤其重要，因为紫外线范围的光学要求进一步明显限制材料选择，并且对可提取物和可滤取物的要求越来越严格。而且，随着一次性搅拌器、生物反应器以及DSP设备的尺寸增大以满足容量，从标准传感器/或端口配置中泄漏的风险增加，并且容器内部压力也增大。由本发明提供的使用先前从结合的角度认为不兼容的材料组合以便提供不渗透性密封的能力，是DSP和USP中重要的促成因素。
附图说明
图1-7为现有技术，而图8-17阐述了本发明。
图1示出了现有技术中的端口设计；
图2示出了现有技术中将基于光纤的传感器引入一次性摇杆袋内的典型的方法；
图3示出了现有技术中具有基于摩擦配合的密封的端口设计；
图4示出了现有技术中基于O型环压缩密封进行密封的端口设计；
图5示出了现有技术中另一形式的端口，其利用光纤输送和收集光学信号；
图6示出了Thermo Fisher CX-14生物反应器薄膜的结构层；
图7为显示现有技术中又一形式的端口的示图，该端口利用光纤输送和收集光学信号；
图8为根据本发明的用于摇杆袋的包括光学和热传感器窗口的传感器单元的顶部侧视图；
图9为根据本发明的传感器单元的剖视图；
图10显示根据本发明的热焊接到一次性生物反应器袋的复合传感器组件，即传感器单元和端口；
图11为根据本发明的可有利地在一次性搅拌罐内衬袋上替换现有的端口设计的自由空间光学传感器组件的部分内部视图；
图12为图11的传感器组件的外部视图；
图13为根据本发明的适用于光学散射或吸收测量的光学传感器组件的剖面图；
图14为根据本发明的复合光学传感器组件的剖视图(在该实例中为衰减全反射光谱装置(ATR spectroscopic device))；
图15为根据本发明的复合光学传感器组件的剖视图，比如离子敏场效应晶体管(ISFET)，其中光学装置与生物反应器容器的内含物接触；
图16为根据本发明的适合于使用近红外(NIR)光谱或拉曼(Raman)光谱查询(interrogation)容器内含物的另一种复合光学传感器组件的剖视图；
图17为美国专利7,384,783的驱动组件的剖视图。如果这种驱动组件由使用本发明的工艺才可结合的材料的组合制造，那么这种驱动组件会大大改善。
具体实施方式
已知目前用于一次性生物传感器中的基于光纤的荧光传感器受到多种限制，所述限制包括：
1.光降解加快，造成寿命和/或测量精度/能力受限；
2.对环境光敏感；
3.对运动或物理扰动敏感。
搅拌罐一次性生物反应器内衬目前使用诸如图3和图4所示的端口配置，来引入传感器和/或采样系统。然而，这些端口限制了可使用的传感器的波形因数(form factor)和形状。
在摇杆型一次性袋的特定情况下，将基于光纤的传感器引入袋内的方法造成这些传感器受到显著限制。如图2中所示，溶氧(DO)以及pH荧光传感器光斑连接到光纤组件22和23的端部。这些光纤通过摇杆袋21的壁被引入，通常在旋转轴24的附近。如图2中所示，光缆通常穿过摇杆袋的顶部被引入，并且在光缆端部的传感器浸入袋底部的生物工艺介质中，其方式与燃料罐内的弹响线(clunk line)相似。由于容器以最大的角度来回地摇动，所以流体25移动到容器的一端或另一端，因此可露出传感器光斑。可见该布置在摇动周期中可促使传感器光斑暴露于顶部空间气体中(与连续地浸入含水生物工艺介质相反)，以及暴露于可加快传感器的光降解的环境光中。这是因为摇杆容器通常填充不到其容量的一半，所以在摇动周期的转变终点期间，在袋的角落收集液体，而使这些光学传感器在每个摇动周期的一小部分时间内靠近未被覆盖的袋的中间。
传感器“光斑(spot)”通常包括渗入纤维素或有机改性玻璃(ormosil glass)之类的惰性多孔材料内的荧光染料(见J.Lakowicz，Principles of FluorescenceSpectroscopy(荧光光谱原理)，第三版，Springer，2006)，并且所谈及的目标分析物扩散到传感器光斑内并且改变染料的荧光性能。气体到传感器光斑的扩散率远远高于液体的扩散率，因此甚至短暂(暂时)暴露于顶部空间气体中也可大大影响传感器的读数，从而造成明显的测量不精确。比如，如果传感器光斑在液体中的响应时间(90％响应)为30秒并且液体中的DO浓度为30％Sat(饱和)，气(顶部空间)相内的响应时间为3秒并且DO大于100％，那么容易看出即使短暂的暴露于顶部空间，也会对所测量的DO值的精度产生大的副作用。
先前已经尝试过解决上述问题。图5中显示了在使用基于光纤的传感器的一次性生物反应器中对环境光问题所提出的一个解决方案(比如见美国专利7,824,902)。此处51为氧敏荧光染料，52为生物兼容材料，比如包括焊接在生物反应器的内衬56内的端口的低密度聚乙烯。54表示光缆，而55为防护罩，该防护罩试图防止环境光直接射到光敏染料上，同时依然允许流体围绕传感器光斑自由地流动。如图所示，光纤54锁定到金属箍57中，该金属箍为端口组件的一部分，而58表示开口，该开口进入位于袋内衬的上面的接收容器。这种解决方案允许将光纤组件和传感器光斑连接到一次性生物反应器，并且也允许遮光罩限制射到光斑上的环境光。这对传感器光斑，比如pH光斑，特别重要，该pH光斑通常不支持不透明涂层，这是因为允许离子(比如H+)穿过传感器光斑的不透明的符合医用标准USP ClassVI的涂层，有的话，其数量也很少。
摇杆型袋和内衬型一次性容器通常由层压薄膜构成，如图6中所示。该图显示了Thermo Fisher CX-14薄膜，其中与生物工艺液体接触的层为A1(低密度聚乙烯，厚度为10.4mil)、然后为层A2(结合A1和A3的厚度为0.9mil的“连接层”)、层A3(厚度为1.0mil的乙烯-乙烯醇共聚物“EVOH”)、层A4(结合A3和A5的另一厚度为0.9mil的“连接层”)、最后为A5(厚度为0.8mil的聚酯)。参考：Thermo Scientific Hyclone BPC Products andCapabilities 2008/2009。并非一次性应用中所使用的所有层压薄膜都需要使用这些材料或该数量的层。
已经尝试了其他的现有技术，使用相似的方法通过将光纤传感器引入穿过袋的底部内的端口，使在一次性摇杆袋中露出传感器的时间最小化，如图7中所示(摘自：Bioprocess Bags Integrally Equipped with Oxygen or pH Sensors(整体上装有氧气或pH传感器的生物工艺袋)，Mark Timmins，Si Chen，Aaron Loren，Steven Archibald，Kurt Christoffersen，Jean-Francois Hamel以及James Kane)。光缆64连接到嵌入端口62中的标准光纤连接器63，该端口62热焊接到一次性生物反应器61的内薄膜层(通常为LDPE或EVA或相似的惰性层)。传感器光斑60连接到光缆的端部。光斑处于袋的底部处或稍处于该底部之上。然而，我们已发现，使用用于低液体容量的设计，在最大的摇动角度和速度下，依然可露出光斑。同样，在这种方法中，没有保护传感器光斑免于受环境光的影响。因此，在这种方法中，传感器光斑依然可暴露于顶部空气气体和环境光中，从而使得测量逼真度妥协，并且使得传感器光斑受到光降解。
光学系统会避免基于光缆的光学传感器的已知问题：其会最小化环境光曝光，并且其会消除这样的可能性：由浸入被腐坏的液体时的传感器对值进行测量，该液体是因为暴露于顶部空间气相中而腐坏的。理想地，在使用用于制造袋的相同设备(比如热焊接设备、接缝密封器)进行构造的正常过程中，该系统也能够连接到袋。本发明成功地解决了这些问题。
我们已发现，使用基于自由空间光学的传感器设计，可解决基于照明的光降解问题。美国专利7,489,402中描述了自由空间光学的使用以及这种传感器的细节及其优点，该专利的全文通过引用的方式并入此文中。该专利中所提出的基本概念为，通过将用于照亮传感器光斑的光量最小化，可大大降低光降解所造成的相位荧光传感器系统中测量精度的偏离(在多数情况下，到不可测量的程度)。与光缆相比，自由空间光学和尺寸适当的光探测器几乎在所有情况下可从荧光传感器光斑中收集更多的光。众所周知，在可收集多少光方面，光纤系统由基本的物理定律限制。描述该问题的物理基本定律称为“亮度守恒”。该限制也适用于自由空间光学，但是该限制的影响几乎没那么严重。由于自由空间光学系统可收集更多的光(与光缆相比，很容易大于系数10)，所以只需更少的光来照亮荧光传感器，因此会使得光降解的速率更低。然而，对于最精确的结果，需要一种方法来最小化或消除光斑暴露于气相以及确保整个光斑总是被浸没，甚至对于低填充容量也是如此，并且也保护光斑不暴露于环境光。
图8到图10中所示的根据本发明的传感器设计尤其适用于在摇杆袋中使用，其物理上可实现并且实际上可实施以避免上述问题。
本发明的复合传感器组件适用于聚合物生物工艺容器，也适用于下游生物工艺设备，并且包括：
i)包括高表面张力的热塑性塑料(比如LDPE或EVA)的端口，该端口具有中空管状部分以及底板部分，底板在生物反应器容器的壁部的孔处可熔地可密封到生物反应器容器；
ii)聚合物传感器(监测)单元，其包括至少一个电和/或光学测量部件(仅仅使用光学时，通常不透明)。该传感器单元安装在端口的中空管状部分的内孔(bore)内部，并且使用后文中所述的根据本发明的特定工艺粘着性地固定在其内。优选地，多个测量部件存在于监测单元中。
在整个说明书中，“高表面张力”优选地表示，对于大部分应用而言，至少30达因/厘米，虽然基于精确的聚合物成分和表面粗糙度，该数字有可能会有些变化。在某些情况下，可优选至少35或至少40达因/厘米的值。
虽然如图所示的端口为圆柱形并且描述为“管状”，但是该术语不解释为要求传感器单元的端口的管状(中空)部分的截面为环形。具体而言，如果传感器单元可密封地连接到端口并且底板具有通向生物容器内含物的孔口，传感器单元和该单元的管状(端口)部分可为任何的几何形状。该端口为传感器单元部件提供进入生物反应器容器的内含物的入口，这些部件包括用于提供射入的光和/或电信号的装置以及用于收集和发送传感器组件部件所发射的测量信号的装置。用于摇杆袋时，该传感器单元优选地(但并非必要地)为圆形，并且大致为盘形，包括基底部分和在基底上延伸的同轴边缘。传感器单元在其基底的内表面内优选地具有杯状凹孔(Depression)。每个测量部件位于所述传感器单元基底内的单独的杯状凹孔内，并且每个所述杯状凹孔优选地包括周围边缘，该周围边缘在传感器单元基底的内表面上延伸。包含光学传感器(监测)部件的杯优选地具有位于其顶部之上的遮光罩。在目前的实际应用中，虽然对被设计用于内衬袋的自由空间光学传感器未作特别要求，但是探头通常为大致圆柱形，并且包含在端口的管状部分的内孔，如图11和12中所示，使用后文所述的特定工艺，传感器单元再次粘着性地固定在其内。
图8显示了自由空间光学传感器单元，其中DO光斑和pH光斑安装在凹陷的“杯”72和73内，在所有正常的摇动角度和摇动速度下，“杯”72和73协助维持生物工艺流体覆盖光斑。通过具有薄316L电抛光不锈钢板的杯71，测量温度。
图9为根据本发明的用于摇杆袋的传感器单元的剖视图，该摇杆袋显示传感器单元的光学不透明部分82以及光学透明部分83。通过将符合医用标准USP Class VI的吸收性着色剂并入到通常透明或半透明的聚合物中，通常可实现该不透明度。如图所示，每个传感器单元位于其自身的杯85内的流体表面的下面。注意，每个杯85优选地具有自身的脊部86，该脊部86改变穿过杯的液体流动，从而在杯中减少收集碎屑，这是因为脊部产生了有助于扫除碎屑的流动模式。需要注意的是，在某些优选的实施例中，整个传感器单元也具有外围脊部84，该外围脊部84用于将液体保留在传感器单元内。脊部的其他有益之处在于，其产生流体流动路径，该路径使在包含杯85的传感器中的微粒碎屑(比如死细胞或其他沉淀物)的收集最小化。与包含杯的pH或DO传感器相比，包含杯87的温度传感器的尺寸和深度略微不同，但是遵循相同的概念，即其被设计来保留液体。其不使用自由空间光学传感器，而利用316L电抛光板，以便生物反应器流体具有良好的导热性，并且其也包含电阻式温度检测器(RTD)、热敏电阻器或等效温度传感器。
用于传感器单元(所述传感器单元包括保持(hold)传感器光斑的杯)的聚合物部分的所选材料，有利地具有下列特征：
受到γ或β辐射消毒后的稳定性(在光学和机械性能方面)；
结构整体性；
低成本；
满足医用标准USP Class VI standards的能力；
不来源于动物成分的(Animal component derived free)；
成型能力；
传感器单元主体的不透光性以及需要发射光的部分的透光性。
满足上面标准的一系列聚合物材料包括聚碳酸酯、环烯烃共聚物、共聚酯、聚苯乙烯和其他本领域技术人员已知的对β或γ辐射作用稳定的热塑性塑料。
如上所述，一次性摇杆袋的最内层通常由LDPE或EVA构成，因为这些聚合物具有化学惰性，并且不与生物材料发生反应，也可用作满足医用标准USPClass VI的薄膜。有时也具有其他的外加强层和/或结合层，所以许多袋除了包括最内的LDPE或EVA层，还包括其他聚合物的其他层。此后，我们将通常提及作为用于构成一次性生物反应器袋的材料的LDPE，但是该袋也可由上述材料中的一种或其他满足医用标准USP Class VI standards的合适的热塑性薄膜制成。
本发明解决的核心问题和难题在于，如果不是至少LDPE受到表面处理，在很多情况下，如果不是LDPE和传感器单元的接口部分受到表面处理，大部分适合于传感器单元的材料就不能热性或容易并有效地结合到LDPE。很难以可靠强健的方式将LDPE结合到不同的聚合物材料，而且依然允许结合的部分承受得住消毒(通常通过γ或β辐射)并且也依然满足医用标准USP Class VI。从自由空间光学装置(或者电气装置或使用光、电和/或化学换能器的装置)的角度来说，这就难以为传感器单元使用最佳材料，而同时保持将该部分(传感器单元)结合到一次性袋的能力。因此，如何同时实施满足测量要求(比如使用寿命长、精确度好、功能性)的传感器单元并且将其密封地融入一次性生物反应器容器内，这不太明显。
为了给相位荧光测定创造最佳的自由空间光学系统，必须使用满足上述要求的材料。因此，必须使用满足所有可应用要求的结合方法将传感器组件结合到一次性生物反应器容器。人们已知知道了各种表面处理的方法，并且有些方法在理论上可用于LDPE或EVA(比如见“Adhesion enhancement of polymer surfaces by atmospheric plasmatreatment(通过常压等离子体处理粘附增强聚合物表面)”，M J Shenton，M C Lowell-Hoare以及G C Stevens，Journal of Physics D：Applied Physics(物理学杂志D：应用物理学)，34(2001)2754-2760)。比如，能够化学蚀刻欲配合的表面，或者产生“元层(metalayer)”，其中表面用更容易结合在一起的材料掺杂。虽然这种方法能够使袋和传感器组件的接口表面部分结合在一起，但是可选择的能提供满足医用标准USP Class VI standards的产品的化学蚀刻剂却非常少。我们已发现，用于LDPE或EVA和大部分其他用于生物反应器袋的内表面层的聚烯烃或乙烯共聚物的更有利的方法是：通过等离子体清洗、紫外线臭氧清洗之类的方法或在配合表面上产生吸收部位的其他方法，对传感器组件(由易熔地结合到袋的聚合物制成)的部分的配合表面以及包含自由空间光学、电子或其组合的刚性传感器单元结构的配合表面进行表面处理。由于大部分一次性袋通过将部件“焊接”在一起(使用热性方法、超声波等等)而制成，因此有利的是产生这样一种部件(即本发明的传感器组件)，其可以以与常规端口和通风孔相同的方式焊接到容器上。
因此，本发明所使用的端口部分地由LDPE或EVA或相似的聚合物制成，该聚合物适合于由已知的方法(比如热塑性焊接)结合到一次性内衬或摇杆袋薄膜(比如可容易地结合到LDPE生物反应器袋内层表面)，该一次性内衬或摇杆袋薄膜与自由空间光学传感器单元相结合，该自由空间光学传感器单元由一个上述特别的聚合物(比如聚碳酸酯、环烯烃共聚物、共聚酯以及聚苯乙烯)制成。根据本发明制造时，到袋的端口以及到传感器单元的端口提供无菌和不透水密封。端口和传感器单元的配合表面中的任一个(或优选地两个一起)进行上述表面处理后，我们已发现使用满足医用标准USP Class VI的粘合剂可使其有利地并且有效地结合在一起，这些粘合剂包括环氧树脂、紫外线固化环氧树脂、氰基丙烯酸盐、硅树脂或聚氨酯中的一种或两种。为了确保所选择的粘合剂在γ或β消毒辐射下不过度交联并且变得易碎，在辐射曝光后，可检查和检验这些粘合剂，以确保根据合适的美国药典标准(USP standards)，适合该应用。
此处所描述的复合传感器组件使用上述表面处理技术，将光学/物理部件结合到LDPE或EVA端口中，该端口随后可使用已知的方法焊接到由LDPE(或EVA)制成的一次性容器。在设计可密封到以下所述一次性生物反应器(或其他一次性工艺设备)的部件时，该方法具有更大程度的自由度，其中该一次性生物反应器使用具有高表面张力的LDPE或EVA之类的材料，并因此具有惰性，且也难以与不同的材料结合。这就减少了通过形状和空间范围受限的刚性或半柔性端口插入部件的需要。图8和图9中所示的根据本发明的单元为根据本发明的传感器组件，其允许使用基于荧光的光学传感器，并且如果需要的话，也使用温度传感器(热探头)。而且，该方法可用于其他不同类型的探头(监测装置)中，这些探头有利地用于一次性工艺设备中，这些工艺设备包括电传感器(比如离子敏场效应晶体管(ISFET))或其他类型的基于光谱方法的光学传感器(比如：近红外或拉曼)。图10显示了根据本发明的复合传感器组件，即传感器单元与端口整合在一起，并且熔化到生物传感器容器壁上。此外，这种结合方法不限于摇杆型一次性袋或聚合物内衬袋，因为本发明的复合组件可容易地焊接到任何需要传感器的一次性聚合物容器、圆柱或容器中。最后，该方法满足这些材料的USP Class VI分类，所以组合的产品依然适用于生物工艺应用。
如图10中所示，传感器组件包括具有光学传感器杯(如图8中72和73所示以及图9中83所示)的传感器单元以及具有高导热性的板块91(比如：316L电抛光不锈钢)，并且该传感器组件也满足USP Class VI standards，因此通过该传感器组件，可感测或测量温度，进行先前所述的等离子体清洗后，使用合适的粘合剂将该传感器组件连接到端口底板92(优选地由LDPE制成)，然后该组件热焊接到袋薄膜93(此处显示为环形)。为了避免信号干扰和光致漂白，可选的遮光罩94也位于光学传感器杯上面。遮光罩也有利地用于荧光传感器光斑上，这些光斑不能支撑或不能用于不透明涂层，比如黑色硅聚合物。遮光罩允许生物反应器流体流向传感器光斑，但是阻止环境光的百分比过大。这就降低了光降解传感器光斑的可能性，也降低了干扰荧光信号检测中所使用的光和电放大的可能性。
图11显示了本发明的一种复合传感器组件，其尤其适用于一次性搅拌罐塑料内衬袋。作为图11中传感器组件的一部分的传感器单元，包括优先地至少部分不透明的光学传感器单元，该光学传感器单元包括如前所述的合适的、符合USP Class VI的、抗γ辐射的、基本上为刚性的、不来源于动物成分的聚合物材料。此处102为透明部件(比如透镜)，该透明部件由相似的材料做成，但是不添加着色剂。荧光传感器光斑(未示出)适当地位于光学部件的顶部。其他光学传感器测量技术，比如近红外光谱或拉曼光谱，不需要传感器光斑。适当的导热区域(比如：用于温度测量的316L电抛光不锈钢板)为103。端口104适当地由容易地焊接到一次性袋内衬的材料做成，且优选地具有圆周法兰105，以促进到生物反应器袋的所述结合。有时也希望传感器单元101和/或端口104具有其他的形状(feature)(即，具有增大的配合表面区域或突出部分)，这样，当借助等离子体处理制备端口的内表面106和传感器单元的外表面时，铂固化硅树脂之类的粘合剂107可容易地粘结到两个表面。图11和12(图11的传感器组件的外部非剖面图)中所示的复合传感器组件使用了自由空间光学传感器单元，但是同样适合于电或化学传感器单元。
图13描述了复合光学组件的剖面图，该复合光学组件尤其适合于光学密度测量(使用紫外线、近红外或可见光)或光学吸收光谱测量。在图13中，120内衬兼容材料(比如LDPE)，121为一次性袋薄膜。复合组件的光学部分包括侧壁124，该侧壁粘着地连接到内衬兼容材料120，123为光学组件的底部(floor)，并且根据所要求的光学性能，底部123可适合地与侧壁124是相同或不同的材料。部件122为光学棱镜，用于折射或反射穿过光学间隙的光束125。通常涂覆棱镜以使棱镜反射光束125，如图所示。穿越间隙的光部分地确定所使用的部件的光学性能，并因此确定了材料选择。棱镜之间的精确分离(光学间隙长度)由材料的吸收和散射性能确定，该材料的特征由该系统表示。光学信号可由光探测器或前面具有过滤器的功率表进行处理，或者可由分光计进行处理。
图14描述了另一复合光学组件的剖视图。尤其地，在此处我们显示了衰减全反射(ATR)光谱装置，G.Muller，K.Abraham以及M.Schaldach，“Quantitative ATRspectroscopy：some basic considerations(定量衰减全反射光谱：一些基本的考虑)”，Appl.Opt.20，1182-1190(1981)。在该剖视图中，131为一次性生物反应器的内衬或薄膜，130为LDPE或其他兼容材料，134为粘着地连接到LDPE的另一合适的聚合物材料。部件136通常为高折射率光学材料(比如Al2O3或YVO4、或高折射率玻璃、聚碳酸酯或类似的材料)。需要高折射率，以便允许受抑衰减全内反射。射入的光在此处表示为135，衰减(evanescent)位置或“反弹位置”表示为136。反弹位置的精确光学折射率和数量由所谈及的分析物在所使用的波长处的吸收系数所需要的敏感度以及本领域技术人员熟知的所有其他因数确定。
图15描述了一种传感器组件的剖视图，该传感器组件包括与生物反应器的内含物接触以便提供读数的电气装置142(比如ISFET)，其中141为一次性生物反应器薄膜，140为复合组件的第一生物反应器兼容材料(比如LDPE)。复合组件的第二兼容材料143粘着地连接到第一生物反应器兼容材料140。基于该装置和其特定的性能，电气元件142可直接塑造为143，使用机械密封(比如使用O型环或类似技术的压缩配合(compression fit))粘着地连接或固定在适当的位置。注意，这种电气装置也可使用化学反应材料涂层作为转换机构，或者包括重叠在电传感器上的微流体网络。
图16显示了另一种复合传感器组件的剖视图，其中151为一次性容器薄膜，150为复合组件的薄膜兼容材料，比如LDPE。复合组件的第二兼容材料显示为154，并且粘着地连接到复合组件的薄膜兼容材料150。项目155表示光学单元，其包括光源和探测系统，该系统可使用分光计或一套过滤器来识别返回光的光谱成分。光源射到大致为管状并且至少部分对光源透明的152上。元件152构造成使得通过该元件可连续地循环生物反应器的内含物，允许精确地非侵入式地在原处检查生物反应器的内含物。如果需要的话，泵156可协助进行循环。所显示的系统也可用于进行生物反应器内含物的近红外吸收光谱测量或拉曼测量。
早先显示了使用本发明的结合步骤制造用于聚合物生物反应器的复合机械组件的适宜性和优点。这是因为许多内衬型一次性生物反应器(以及搅拌器)依赖电机驱动的搅拌器来混合该容器的内含物并协助为该内含物通气。搅拌器轴必须通过对轴有限制的端口引入生物反应器容器内。此处也面临材料兼容性所带来的相似的基本限制。在图17中显示了美国专利7,384,783(该专利的内容通过引用的方式并入此文中)中所描述的搅拌驱动单元。在图17(根据上述专利的图6)中，显示了旋转组件601的局部剖视图，其中旋转组件包括轴承组件670，该轴承组件670位于轮毂620和内壳660之间。此外，显示了下滚柱轴承，或者组件670固定到内壳660。轮毂620可相对于滚柱轴承旋转，并且可包括导向器(guide)624a，用于容纳可协助将轮毂620保持在适当位置的卡环或固定环。如图所示，外壳661必须结合到一次性容器壁699内。这就要求外壳661由与生物反应器容器薄膜兼容的材料构成，或者外壳661必须由薄膜兼容材料超模压(即可结合到薄膜中)。要求材料兼容性将材料的选择限于与LDPE相似的材料，然后，这也限制了选择具有用于应用(比如拉伸强度、弹性、硬度等)的最佳特征的外壳材料的能力。超模压也限制可使用的材料。虽然用于薄膜的超低密度聚乙烯有时可超模压在更坚硬的高密度聚乙烯(HDPE)上，但是甚至高密度聚乙烯对于该应用通常也是次佳的。
如这里所述，通过进行适当的表面处理，更多合适的材料可用于机械单元(比如轮毂620和/或轴承组件670)，并且可粘着地连接到外壳661。这就根据本发明提供了可替换的优选的路径，以与先前描述的传感器单元和端口类似的方式构造搅拌器驱动组件。
可受益于能使用基本上不同的材料的能力的用于生物工艺应用的其他机构包括但不限于喷雾器(通气装置)和采样端口。为了气体质量转移的目的，一次性生物反应器使用复合的熔块或薄膜来提供所需的多孔孔径以将气流转化成具有某些尺寸的气泡，并且其设计受到材料选择和影响传感器的兼容性问题的限制。自动取样器的端口也可需要多种材料，因为接触生物工艺流体的材料有时需要是紫外线透明的，以便在原位被消毒。使用低密度聚乙烯和相似材料目前是不太可能的，因为这些材料在该区域内的吸收性很强。
在不背离本发明的范围和精神的情况下，各种更改和变更对本领域技术人员来说是显而易见的。虽然已经结合特定的优选的实施例描述了本发明，但是要理解的是，所要求的本发明不应过度地限于这种特定的实施例。实际上，对本技术技术人员来说，明显的用于执行本发明的所描述的模式的各种更改应包含在权利要求书的范围内。

Claims (16)

1.一种用于聚合物生物工艺容器的复合传感器组件，其特征在于，所述复合传感器组件包括：
i)包括高表面张力的热塑性塑料的端口，所述端口具有中空部分以及底板部分，至少所述底板部分包括聚合物，所述聚合物在所述生物工艺容器的壁部的孔处能够可熔地密封到所述生物工艺容器；
ii)聚合物监测传感器单元，所述聚合物监测传感器单元包括至少一个电学测量部件和/或化学测量部件和/或光学测量部件，所述聚合物监测传感器单元包括基底部分，所述聚合物监测传感器单元大致为盘形并且尺寸适合于使聚合物监测传感器单元安装在所述端口的中空部分的内孔内部，并且粘着性地固定在其内，所述端口为一个或多个所述聚合物监测传感器单元测量部件提供进入所述生物工艺容器的内含物的入口，一个或多个所述测量部件包括用于提供射入的光信号和/或电信号的装置以及用于收集和发送所述测量部件发射的测量信号的装置,
其中，所述聚合物监测传感器单元由与所述端口的材料不同的材料制成；
其中，在粘结在一起之前，所述端口和所述聚合物监测传感器单元的至少一个接口表面已经受到等离子体、紫外、臭氧或化学表面处理。
2.根据权利要求1所述的复合传感器组件，其中，所述聚合物监测传感器单元包括多个电学测量部件和/或化学测量部件和/或光学测量部件。
3.根据权利要求1或2所述的复合传感器组件，其中，所述聚合物监测传感器单元具有在其基底上延伸的外围边缘。
4.根据权利要求1或2所述的复合传感器组件，其中，所述聚合物监测传感器单元在其基底的内表面内具有杯状凹孔和/或具有大致圆形的形状。
5.根据权利要求2所述的复合传感器组件，其中，每个所述测量部件位于所述聚合物监测传感器单元的基底内的单独的杯状凹孔内，并且其中，每个所述杯状凹孔包括在聚合物监测传感器单元基底的内表面上延伸的周围边缘。
6.根据权利要求5所述的复合传感器组件，其中，至少一个所述杯状凹孔具有位于其顶部之上的遮光罩。
7.根据权利要求1或2所述的复合传感器组件，其中，所述聚合物监测传感器单元包括聚合物，所述聚合物选自聚碳酸酯、共聚酯、环烯烃共聚物、聚烯烃以及聚苯乙烯构成的组。
8.根据权利要求1所述的复合传感器组件，其中符合医用标准USP Class VI的粘合剂存在于所述接口表面之间。
9.根据权利要求8所述的复合传感器组件，其中，所述粘合剂选自环氧树脂、紫外线固化环氧树脂、氰基丙烯酸盐、铂固化硅树脂以及聚氨酯中的一种或两种构成的组。
10.根据权利要求1或2所述的复合传感器组件，其中，所述高表面张力的热塑性塑料包括低或超低密度聚乙烯或乙烯醋酸乙烯共聚物。
11.根据权利要求1或2所述的复合传感器组件，其中，所述聚合物监测传感器单元具有基本管状的配置。
12.根据权利要求11所述的复合传感器组件，其中，所述聚合物监测传感器单元包括基本上不透明的护套。
13.根据权利要求1或2所述的复合传感器组件，其中，所述聚合物监测传感器单元具有遮光罩。
14.根据权利要求1或2所述的复合传感器组件，其中，所述测量部件包括：荧光传感器光斑；自由空间光学密度测量部件；光谱测量部件；或离子敏场效应晶体管单元。
15.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的复合传感器组件的方法，其特征在于，包括：在粘结在一起之前，所述端口的中空部分的内表面或所述复合传感器组件的外围表面中的至少一个受到等离子体、紫外或臭氧清洗。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过将粘合剂插在所述内表面和/或外表面之间进行粘结，所述粘合剂选自环氧树脂、紫外线固化环氧树脂、氰基丙烯酸盐、硅树脂以及聚氨酯中的一种或两种构成的组。
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