CN104371920A - 用于细胞培养的液滴换液操作装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于细胞载体培养的液滴换液操作装置，包括废液抽取控制器、培养液补加控制器、液滴输出管路和液滴输入管路，所述液滴输出管路和液滴输入管路的两终端均连接液滴操作针以吸取/输出液滴；所述废液抽取控制器通过所述液滴输出管路将培养载体上的细胞液滴中的废液抽出并控制抽出的废液流量，而所述培养液补加控制器通过所述液滴输入管路将培养液输送至所述培养载体上的细胞液滴中并控制输送的培养液流量。

Description

用于细胞培养的液滴换液操作装置
技术领域
本发明涉及细胞培养技术领域，尤其涉及一种用于细胞培养的液滴换液操作装置。 
背景技术
对于生物工程技术而言，细胞培养通常是一个必不可少的过程。因为生物产品多数是从细胞得来，而通过细胞培养可以获得特定的的细胞或其代谢产物，细胞培养技术是生物技术中的基础技术。 
细胞培养一般都会在培养皿内进行，将培养液送入培养皿中，待经过一段时间的培养后，有时需进行细胞和培养液的分离，换入新的培养液。目前由于没有专门的细胞换液设备，上述的过程都是由全人工进行的，有可能带来培养液的污染，影响培养效果；人工换液不仅操作复杂，而且效率较低，换液精确度不足。 
常用的实验室细胞培养方法还包括微液滴培养法。以早期受精卵为例，目前常用的微液滴培养方法模拟了受精卵发育过程中阶段性的体内环境，而由于细胞的代谢作用，微液滴环境和细胞是相互影响的，正常体内环境下，早期胚胎的发育环境受组织器官功能的直接调控而保持实时更新，在更新中维持相对稳态，微液滴缺乏自动调控功能，不能满足细胞在不同发育阶段对环境的不同要求，这一模拟方法并不完备，因而培养液系统设计为序列液体系统，并具备有限的缓冲能力，对应细胞发育特定阶段不同的环境要求。 
微液滴序列培养方法是人工模拟体外细胞生理环境的成功尝试，将不同功能类型、不同发育阶段的细胞或者细胞集群按特定方法体外组合培养，例如所谓增材制造方法体外培养具有多种细胞类型的活体组织，将得益于微液滴培养方法。微液滴培养可以作为增材孵育人工活体组织的前置工序。 
由于微液滴细胞培养技术的前景广阔，因此建立一套替代人工换液操作的细胞培养换液装置，维持微液滴环境的相对稳态，满足细胞不同发育阶段的环境要求，是一个迫切需要解决的技术问题。 
发明内容
本发明的多个方面提供一种用于细胞培养的液滴换液操作装置，能有效实现细胞培养过程中的自动连续控制换液，提高换液效率和精确度。 
本发明提供了一种用于细胞培养的液滴换液操作装置，包括废液抽取控制器、培养液补加控制器、液滴输出管路和液滴输入管路，所述液滴输出管路和液滴输入管路的两终端均连接液滴操作针以吸取/输出液滴；所述废液抽取控制器通过所述液滴输出管路将培养载体上的细胞液滴中的废液抽出并控制抽出的废液流量，而所述培养液补加控制器通过所述液滴输入管路将培养液输送至所述培养载体上的细胞液滴中并控制输送的培养液流量。 
作为上述技术方案的改进，所述液滴换液操作装置置于环境可控的细胞培养箱内。 
作为上述技术方案的改进，所述废液抽取控制器和所述培养液补加控制器为蠕动泵或步进电机。 
作为上述技术方案的改进，还包括中央控制器，所述中央控制器分别与所述废液抽取控制器和所述培养液补加控制器连接，以控制所述废液抽取控制器和所述培养液补加控制器工作。 
作为上述技术方案的改进，还包括与所述中央控制器连接的细胞图像获取设备，用于获取所述培养载体上的细胞液滴中的细胞图像信息，利于操作人确认细胞发育状态并对培养环境的调整方案作出判断。 
作为上述技术方案的改进，还包括与所述中央控制器连接的培养液选取动作设备，用于接收所述中央控制器的指令来移动所述液滴输入管路到盛有不同 培养液的容器中以获取对应的培养液。 
作为上述技术方案的改进，所述液滴输出管路和液滴输入管路的两终端连接的液滴操作针均为可拆卸的液滴操作针，所述液滴换液操作装置还包括液滴操作针更换动作设备，用于对所述液滴输出管路和液滴输入管路的两终端连接的液滴操作针进行自动更换。 
作为上述技术方案的改进，还包括用于收集经由所述液滴输出管路抽出的培养载体上的细胞液滴中的废液的废液收集容器。 
作为上述技术方案的改进，所述培养载体表面上设有多个用于承载所述卵细胞液滴的凹坑，且所述培养载体表面以及凹坑表面均为超疏水表面。 
与现有技术相比，本发明公开的用于细胞培养的液滴换液操作装置具有如下有益效果： 
1、可在细胞培养过程中实现自动细胞培养液连续更换，细胞培养液流速可根据实验要求进行调节；也可自动间歇换液。 
2、换液过程全部自动化，不涉及人工操作，换液量控制精度高。 
3、可以依据细胞图像判断细胞发育状态，从而变更或者维持换液方案。 
4、在细胞换液过程中能够维持微液滴环境的相对稳态，满足细胞不同发育阶段的环境要求。 
附图说明
图1是本发明实施例中一种用于细胞培养的液滴换液操作装置的结构示意图。 
图2是本发明实施例中一种活体细胞培养载体的结构的俯视示意图。 
图3是本发明实施例中一种活体细胞培养载体的结构的剖面示意图。 
图4是本发明实施例中一种活体细胞培养载体的放大结构示意图。 
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 
参见图1，是本发明实施例提供的一种用于细胞培养的液滴换液操作装置的结构示意图。该用于细胞培养的液滴换液操作装置包括废液抽取控制器301、培养液补加控制器302、液滴输出管路303和液滴输入管路304以及中央控制器309，所述液滴输出管路303和液滴输入管路304的两终端均连接液滴操作针305以吸取/输出液滴。所述废液抽取控制器301与所述液滴输出管路303连通，并通过控制所述液滴输出管路303的开启/关闭以及控制开启的大小来实现是否将培养载体1上的细胞液滴24中的废液抽出及控制抽出的废液流量。而所述培养液补加控制器302与所述液滴输入管路304连通，并通过所述液滴输入管路304的开启/关闭以及控制开启的大小来实现是否将培养液输送至所述培养载体上的细胞液滴中并控制输送的培养液流量。 
所述中央控制器309分别与所述废液抽取控制器301和所述培养液补加控制器302连接，以控制所述废液抽取控制器301和所述培养液补加控制器302工作。具体的，所述中央控制器309通过控制所述废液抽取控制器301，来实现控制所述液滴输出管路303的开启/关闭以及控制开启的大小来实现是否将培养载体1上的细胞液滴中的废液抽出及控制抽出的废液流量，以及通过控制所述培养液补加控制器302，来控制所述液滴输入管路304的开启/关闭以及控制开启的大小来实现是否将培养液输送至所述培养载体上的细胞液滴中并控制输送的培养液流量。 
可以理解的，本发明实施例提供的一种用于细胞培养的液滴换液操作装置适于设置在环境可控的细胞培养箱(图未示)内。例如，通过在细胞培养箱内设有用于控制调整培养箱体内的温度、湿度、压力和气体分压的环境管理装置，以实现维持细胞液滴在换液操作过程中的环境的相对稳态，满足细胞不同发育阶段的环境要求。 
在本实施例中，还包括分别与所述中央控制器309连接的细胞图像获取设备308和显示器309a。该细胞图像获取设备308用于获取所述培养载体1上的细胞液滴24中的细胞图像信息，并将获取的细胞图像信息发送给所述中央控制器309。所述中央控制器309对所述细胞图像获取设备308发送过来的细胞图像信息进行处理(例如，将细胞图像获取设备308获取的每一标记位置的图像信息逐次储存为特定位置的图像集合)，以获得更清晰的细胞图像信息，并将处理后的细胞图像信息通过所述显示器309a显示出来。术者可以随时通过该显示器309a调阅任意标记位置的图像集合，判断细胞的发育状态并记录。 
在本实施例中，所述废液抽取控制器301和所述培养液补加控制器302为蠕动泵或步进电机。 
在本实施例中，所述细胞图像获取设备308包括相互配合的光纤冷光源设备和CCD，光纤冷光源设备设于培养载体1上，以照射所述培养载体1上的细胞液滴24，从而成像于设于所述培养载体1的另一侧并正对所述光纤冷光源的CCD上。由CCD成像后的细胞图像发送给所述中央控制器309进行图像处理后得到较为完善的图像。 
优选的，在本实施例的用于细胞培养的液滴换液操作装置中，所述液滴输出管路303和液滴输入管路304的两终端连接的液滴操作针305均为可拆卸的液滴操作针，因此，本实施例的液滴换液操作装置还包括液滴操作针更换动作设备306。该液滴操作针更换动作设备306与所述中央控制器309连接，以接收控制指令。该液滴操作针更换动作设备306用于对所述液滴输出管路301和液滴输入管路302的两终端连接的液滴操作针进行自动更换。具体的，在每次需要对培养载体1上的细胞液滴24进行换液操作前或者换液操作完成后，所述中央控制器309向液滴操作针更换动作设备306发送控制指令，指示该液滴操作针更换动作设备306对相应的液滴输出管路303和/或液滴输入管路304进行液滴操作针305更换。 
优选的，本实施例的用于细胞培养的液滴换液操作装置还包括与所述中央控制器309连接的培养液选取动作设备307。该培养液选取动作设备307用于接收所述中央控制器309的指令来移动所述液滴输入管路304到盛有不同培养液的容器310中以获取对应的培养液。 
另外，本实施例还包括用于收集经由所述液滴输出管路303抽出的培养载体1上的细胞液滴24中的废液的废液收集容器311。 
参见图2～4，是实施例提供的一种活体细胞培养载体1的结构示意图。该活体细胞培养载体1包括载体主体11，该载体主体11为块状结构，优选为方形或者长方形。所述载体主体11的表面111向下凹设有多个凹坑12，所述凹坑12用于承载活体细胞液滴。其中，所述载体主体11的表面111以及每一所述凹坑12的表面121均为超疏水表面。例如，所述载体主体11的表面111以及每一所述凹坑12的表面121均为铺设了一层超疏水材料的超疏水表面，或者所述载体主体11的表面111以及每一所述凹坑12的表面121均为经过超疏水处理的超疏水表面。 
所述载体主体11的表面111上在每一所述凹坑12的边缘凸起设置闭合环状的限制部13，且所述限制部13的表面为亲油表面。具有亲油表面特性的闭合环状凸起限制部13能够限制活体细胞液滴之外的培养油外溢，保证活体细胞液滴始终处于独立的培养环境。 
例如，如图4所示，在所述凹坑表面121均为超疏水表面的培养载体上进行受精和培养时，含有细胞501的细胞液滴(水溶液)502在凹坑表面121的超疏水表面上呈球形，和凹坑表面121的接触面积很小，没有粘附在其表面上(相当于悬浮状态)，在重力环境下可以自动精确定位到凹坑表面121(且是凹坑表面121的最低点)上。而在每一所述凹坑12的边缘凸起设置闭合环状的限制部13，且所述限制部13的表面为亲油表面，能够限制细胞液滴(水溶液)502之外的培养油503(用于覆盖凹坑表面121及置于该凹坑表面121内的细胞液滴502)外溢，从而保证细胞液滴(水溶液)502始终处于独立的培养环境。 
在本实施例中，如图3所示，每一所述凹坑12的表面121为弧面，优选为半圆球面。每一所述凹坑12的大小一致，凹坑12的深度和宽度根据实验需求而设置不同。 
在本实施例中，所述载体主体11上的多个凹坑12呈单行直线排列在所述载体主体11的表面111上，从而是构成的载体1为单列多单元培养载体。 
本实施例使用的活体细胞培养载体通过在载体1表面上设有多个用于承载活体细胞液滴的凹坑12，且所述载体表面111以及凹坑表面121均为经过超疏水处理的超疏水表面，这样，当在这样的培养载体上进行受精和培养时，由于细胞液滴(水溶液)在培养载体的超疏水表面上呈球形，和表面的接触面积很小，没有粘附在其表面上。另外，由于载体表面上的凹坑边缘凸起设置闭合环状的限制部，且该限制部具有亲油表面特性，能够限制细胞液滴之外的培养油外溢，保证细胞液滴始终处于独立的培养环境中。超疏水表面承载培养液滴，覆盖培养油，这一结构可以保证培养液滴完整无残留转移。由于细胞的比重稍大于培养液，培养液比重大于培养油，在超疏水表面上，培养液滴基本处于悬浮状态，在重力环境中，液滴自动定位于培养载体表面的最低点，从而利于受精和培养操作，有利于液滴的转移。 
优选的，本实施例的用于细胞培养的液滴换液操作装置可内置于一个活体细胞培养箱中，该活体细胞培养箱内置有环境管理装置以调整培养箱内的温度、湿度、压力和气体分压，从而保证满足细胞培养环境要求，使培养载体1上的细胞液滴24不会因为换液而影响到正常细胞培养。 
综上所述，本发明公开的用于细胞培养的液滴换液操作装置具有如下有益效果： 
1、可在细胞培养过程中实现自动细胞培养液连续更换，细胞培养液流速可根据实验要求进行调节；也可自动间歇换液。 
2、换液过程全部自动化，不涉及人工操作，换液量控制精度高。 
3、液滴可以完整无残留转移的培养方法，可直接连接增材制造人工体外多 细胞类型复杂活体组织的装置，作为体外孵育人工活体组织的前驱工序装置。 
4、可应用于无重力环境(如地外空间)的人工辅助生殖行为和细胞培养。 
5、在细胞换液过程中能够维持微液滴环境的相对稳态，满足细胞不同发育阶段的环境要求。 
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种用于细胞载体培养的液滴换液操作装置，其特征在于，包括废液抽取控制器、培养液补加控制器、液滴输出管路和液滴输入管路，所述液滴输出管路和液滴输入管路的两终端均连接液滴操作针以吸取/输出液滴；所述废液抽取控制器通过所述液滴输出管路将培养载体上的细胞液滴中的废液抽出并控制抽出的废液流量，而所述培养液补加控制器通过所述液滴输入管路将培养液输送至所述培养载体上的细胞液滴中并控制输送的培养液流量。
2.如权利要求1所述的用于细胞培养的液滴换液操作装置，其特征在于，所述液滴换液操作装置置于环境可控的细胞培养箱内。
3.如权利要求1所述的用于细胞培养的液滴换液操作装置，其特征在于，所述废液抽取控制器和所述培养液补加控制器为蠕动泵或步进电机。
4.如权利要求3所述的用于细胞培养的液滴换液操作装置，其特征在于，还包括中央控制器，所述中央控制器分别与所述废液抽取控制器和所述培养液补加控制器连接，以控制所述废液抽取控制器和所述培养液补加控制器工作。
5.如权利要求4所述的用于细胞培养的液滴换液操作装置，其特征在于，还包括与所述中央控制器连接的细胞图像获取设备，用于获取所述培养载体上的细胞液滴中的细胞图像信息。
6.如权利要求5所述的用于细胞培养的液滴换液操作装置，其特征在于，还包括与所述中央控制器连接的培养液选取动作设备，用于接收所述中央控制器的指令来移动所述液滴输入管路到盛有不同培养液的容器中以获取对应的培养液。
7.如权利要求1所述的用于细胞培养的液滴换液操作装置，其特征在于，所述液滴输出管路和液滴输入管路的两终端连接的液滴操作针均为可拆卸的液滴操作针，所述液滴换液操作装置还包括液滴操作针更换动作设备，用于对所述液滴输出管路和液滴输入管路的两终端连接的液滴操作针进行自动更换。
8.如权利要求1所述的用于细胞培养的液滴换液操作装置，其特征在于，还包括用于收集经由所述液滴输出管路抽出的培养载体上的细胞液滴中的废液的废液收集容器。
9.如权利要求1所述的用于细胞培养的液滴换液操作装置，其特征在于，所述培养载体表面上设有多个用于承载所述卵细胞液滴的凹坑，且所述培养载体表面以及凹坑表面均为超疏水表面。
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