CN104480008A - 用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透装置，包括从上至下依次紧贴叠放的贮液层、第一圆片层、半透膜以及第二圆片层，贮液层的底部开设有贮液腔，第一圆片层开设有第一渗透孔，第二圆片层开设有第二渗透孔，贮液腔、第一渗透孔以及第二渗透孔上下对应，且贮液层的顶部连接有具有内孔的钢针，钢针的底端接近第一渗透孔设置。本发明还公开一种采用半透膜自动微渗透装置的系统，其结构简单，换液周期长、频率低，能够提供较为稳定的细胞培养环境。

Description

用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透装置及系统
技术领域
本发明涉及生物医学器件技术领域，尤其涉及一种用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透装置及系统。
背景技术
由于干细胞生活在比较复杂的物理、化学以及生物因素下，传统的培养方法不能很好地模拟其生理环境，且受到各种限制。而微控芯片可以更好的模拟干细胞在体内复杂的生活环境，以高通量和可变的方式精确控制各种参数。
基于目前的研究发现，微控芯片内部的液体持续流动是一个很大的技术难题，因为多数芯片中的进液端口以及出液端口只是插入充满一定液体的Tip头，利用两边Tip头的液面差来实现一定的液体流动，但是这样的芯片培养细胞存在着换液周期频繁、换液难度大的问题，同时对于芯片长时间培养特殊细胞，如神经元以及胚胎干细胞等时存在一定难度。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透装置及系统，其结构简单，换液周期长、频率低，能够提供较为稳定的细胞培养环境。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透装置，包括从上至下依次紧贴叠放的贮液层、第一圆片层、半透膜以及第二圆片层，所述贮液层的底部开设有贮液腔，所述第一圆片层开设有第一渗透孔，所述第二圆片层开设有第二渗透孔，所述贮液腔、所述第一渗透孔以及所述第二渗透孔上下对应，且所述贮液层的顶部连接有具有内孔的钢针，所述钢针的底端接近所述第一渗透孔设置。
其中，所述贮液层的顶部开设有与所述贮液腔连通的连通孔，所述钢针穿过所述连通孔设置。
其中，所述贮液层的底部还开设有多个第一连接孔，所述第一圆片层开设有多个贯通第一圆片层并与所述第一连接孔一一对应的第二连接孔，所述第二圆片层开设有多个贯通第二圆片层并与所述第二连接孔一一对应的第三连接孔，所述第二圆片层、所述第一圆片层、及所述贮液层通过连接件依次穿过所述第三连接孔、所述第二连接孔、所述第一连接孔实现连接。
其中，所述连接件为螺钉。
其中，所述第二圆片层、所述第一圆片层、及所述贮液层均为圆柱形结构或者方块结构。
其中，所述第二圆片层、所述第一圆片层、及所述贮液层均为圆柱形结构。
其中，所述第一渗透孔与所述第二渗透孔的直径为5mm；所述半透膜为分子量是8000道尔顿的半透膜；所述第一圆片层与所述第二圆片层的直径为40mm，所述第一圆片层的厚度为1.5mm，所述第二圆片层的厚度为5mm；所述贮液腔的内径为20mm、高度为15mm；所述钢针的直径为0.6mm，所述钢针的高度为25mm。
其中，所述第二圆片层、所述第一圆片层、及所述贮液层均为有机玻璃板。
一种采用所述的半透膜自动微渗透装置的用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透系统，包括微控芯片，还包括位于同一水平面上的溶液池和贮液池，所述溶液池中放置有聚乙二醇溶液，并在所述聚乙二醇溶液中浸入半透膜自动微渗透装置，所述半透膜自动微渗透装置的贮液腔中注满DI水，所述钢针通过连接管与所述微控芯片的出液端连通，所述贮液池中放置有培养基并通过连接管与所述微控芯片的进液端连通。
本发明的有益效果为：
本发明的半透膜自动微渗透装置，是利用微渗透动力的夹具，其解决了微控芯片内细胞培养液流动性差，换液麻烦的问题，实现了微控芯片内干细胞的长时程培养；同时该半透膜自动微渗透装置的微渗透动力比传统的外部蠕动泵抽样的动力更加稳定，另外装置携带方便，有利于芯片内进行三维培养的实验。
本发明的采用半透膜自动微渗透装置的用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透系统，在工作时，贮液池中的培养基从微控芯片的进液端进入微控芯片后进行细胞培养，而为了使得进入微控芯片后的培养液流动起来，在出液端连接动力装置，这个动力装置就是包括溶液池和溶液池中的半透膜自动微渗透装置，由于只有DI水能透过半透膜，而聚乙二醇溶液无法透过半透膜，所以，贮液腔中的DI水中的分子会透过半透膜，进而导致贮液腔中的分子量减少产生一拉拽力，从而使得微控芯片中的培养液分子从进液端到出液端流动起来，又经出液端流至钢针的底端出口处，长时间使用后，贮液池中的培养基会减小使得浓度变小，只需要单独更换贮液池中的培养液即可，其结构简单，换液周期长、频率低，能够提供较为稳定的细胞培养环境。
附图说明
图1是本发明的用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透装置的立体结构示意图。
图2是图1中的半透膜自动微渗透装置的剖面结构示意图。
图3是图2中的半透膜自动微渗透装置在A向的结构示意图。
图4是本发明的用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透系统的连接示意图。
图中：100-半透膜自动微渗透装置；200-溶液池；300-出液端；400-进液端；500-贮液池；600-连接管；
1-贮液层；2-第一圆片层；3-第二圆片层；4-半透膜；5-钢针；11-贮液腔；12-连通孔；13-第一连接孔；21-第一渗透孔；22-第二连接孔；31-第二渗透孔；32-第三连接孔。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1至3所示，一种用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透装置100，包括从上至下依次紧贴叠放的贮液层1、第一圆片层2、半透膜4以及第二圆片层3，贮液层1的底部开设有贮液腔11，第一圆片层2开设有第一渗透孔21，第二圆片层3开设有第二渗透孔31，贮液腔11、第一渗透孔21以及第二渗透孔31上下对应，且贮液层1的顶部连接有具有内孔的钢针5，钢针5的底端接近第一渗透孔21设置。
本发明的半透膜自动微渗透装置，是利用微渗透动力的夹具，其解决了微控芯片内细胞培养液流动性差，换液麻烦的问题，实现了微控芯片内干细胞的长时程培养；同时该半透膜自动微渗透装置的微渗透动力比传统的外部蠕动泵抽样的动力更加稳定，另外装置携带方便，有利于芯片内进行三维培养的实验。
优选的，贮液层1的顶部开设有与贮液腔11连通的连通孔12，钢针5穿过连通孔12设置。
优选的，贮液层1的底部还开设有多个第一连接孔13，第一圆片层2开设有多个贯通第一圆片层2并与第一连接孔13一一对应的第二连接孔22，第二圆片层3开设有多个贯通第二圆片层3并与第二连接孔22一一对应的第三连接孔32，第二圆片层3、第一圆片层2、及贮液层1通过连接件依次穿过第三连接孔32、第二连接孔22、第一连接孔13实现连接。进一步优选的，连接件为螺钉。通过螺钉实现贮液层1、第二圆片层3、第一圆片层2之间的连接，其结构简单，容易实现，还方便拆卸，有利于清理或者检查内部，其锁紧力比较容易把握，进而可以使得第二圆片层3、第一圆片层2紧密而稳定地夹住半透膜4，最终保证渗透效果。
优选的，钢针与贮液层1之间的连接处、以及贮液层1与第一圆片层2之间都是需要形成密封连接的。
其中，第二圆片层3、第一圆片层2、及贮液层1均为圆柱形结构或者方块结构。根据实际需要，可以选择圆柱形或者方块形状的外部形状，其选择比较灵活自如。优选的，在本实施例中，第二圆片层3、第一圆片层2、及贮液层1均为圆柱形结构，可以较好地节省空间。
优选的，第一渗透孔21与第二渗透孔31的直径为5mm；半透膜4为分子量是8000道尔顿的半透膜；第一圆片层2与第二圆片层3的直径为40mm，第一圆片层2的厚度为1.5mm，第二圆片层3的厚度为5mm；贮液腔11的内径为20mm、高度为15mm；钢针5的直径为0.6mm，钢针5的高度为25mm。
优选的，第二圆片层3、第一圆片层2、及贮液层1均为有机玻璃板，因而能够很好的实现气密性的问题同时也解决了半透膜的封接问题。
该装置排除外界重力的影响，形成恒速的微渗透动力，从而可以使干细胞的培养环境慢慢进行液体的交换；能够提供无菌的环境，细胞培养的关键因素；通过简单的半透膜就可以形成恒速的微渗透动力，装置的实现较为简易；装置的气密性好，从而保证液体能够持续流动。
优选地，所述自动抽样的半透膜装置中圆片层1中心位置渗透孔的直径为5mm，同时含有四个固定螺丝钉的小孔，另外圆片层1以及圆片层2的直径都为40mm。下方的小型装置的示意图也可以看出，贮液层的中央的直径为20mm，钢针的直径为0.6mm，钢针的高度为25mm。同时贮液层的厚度为15mm，贮液中心位置水池的距顶端为6.50mm，另外圆片层1的厚度为1.50mm以及圆片2的厚度为5mm。将贮液层，圆片层1与圆片层2三层组合在一起即为一个小型立体装置。该装置中的各个部分都是可以自由组装以及拆卸，每次使用之前只需要将贮液层中的气泡排尽即可。另外装置中的各个部分只需要组装之后，用四颗螺丝钉拧紧即可使用。
该装置具有微渗透动力，贮液腔内部中通入DI水(超纯水)之后，放入PEG溶液(聚乙二醇溶液)之后，可以实现持续不断的微渗透动力。该装置通过层状夹具设计，主体材料利用透明度极佳的有机玻璃板，很好的实现了装置的气密性的问题，且相比于PDMS(聚二甲基硅氧烷)的主体材料，其硬度有了一定的提升。该装置的的外驱动力只需要通过简单的半透膜就可以实现，而且可以达到长时程以及恒速的目的，其在一定时间内(4-5days之内)其抽样速度较为恒定，该抽样速度在干细胞的长时程培养具有一定的优越性。装置便于拆卸。已经通过实验证明，采用基于半透膜的自动微渗透装置，结合细胞培养实验，可以实现干细胞芯片培养液控制在一定的流速，同时该装置在使用三天之后仍然能够保持持续抽样的动力。
如图4所示，一种采用的半透膜自动微渗透装置的用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透系统，包括微控芯片，还包括位于同一水平面上的溶液池200和贮液池500，溶液池200中放置有聚乙二醇溶液，并在聚乙二醇溶液中浸入半透膜自动微渗透装置100，半透膜自动微渗透装置100的贮液腔11中注满DI水，钢针5通过连接管600与微控芯片的出液端300连通，贮液池500中放置有培养基并通过连接管600与微控芯片的进液端400连通。
本发明的采用半透膜自动微渗透装置的用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透系统，在工作时，贮液池中的培养基从微控芯片的进液端进入微控芯片后进行细胞培养，而为了使得进入微控芯片后的培养液流动起来，在出液端连接动力装置，这个动力装置就是包括溶液池和溶液池中的半透膜自动微渗透装置，由于只有DI水能透过半透膜，而聚乙二醇溶液无法透过半透膜，所以，贮液腔中的DI水中的分子会透过半透膜，进而导致贮液腔中的分子量减少产生一拉拽力，从而使得微控芯片中的培养液分子从进液端到出液端流动起来，又经出液端流至钢针的底端出口处，长时间使用后，贮液池中的培养基会减小使得浓度变小，只需要单独更换贮液池中的培养液即可，其结构简单，换液周期长、频率低，能够提供较为稳定的细胞培养环境。
根据本发明设计了如下一个实验：PEG(分子量：20000)，管线总长2m，半透膜(8000Da)，配制三种不同浓度的PEG溶液，分别是0.005M，0.01M以及0.05M三种浓度，然后计算在3h之内该渗透装置的体积渗透速率，0.05M的PEG溶液在3h之内的渗透速率是0.73微升/min，而当烧杯中的PEG浓度为0.01M的时候，其速率只有0.217微升/min。其中，图4中的箭头方向为液体的流动方式，注意保持贮液池与溶液池位置保持在一条水平线，该半透膜自动微渗透装置在使用三天之后仍然能够保持持续的动力，其为为液滴芯片内部的PEG水凝胶微球的干细胞三维培养提供了一个较为稳定的细胞培养环境，同时在一定程度上该装置也有利于芯片内部中干细胞的代谢产物的及时排放。
优选的，管路中利用气泡的方式，将培养基与DI水隔开，这样子可以避免细胞培养基与水混在一起，而气泡一般是在培养基的废液出口端中的管路人工产生一个小气泡，从而实现了培养基与水分开的目的。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透装置(100)，其特征在于，包括从上至下依次紧贴叠放的贮液层(1)、第一圆片层(2)、半透膜(4)以及第二圆片层(3)，所述贮液层(1)的底部开设有贮液腔(11)，所述第一圆片层(2)开设有第一渗透孔(21)，所述第二圆片层(3)开设有第二渗透孔(31)，所述贮液腔(11)、所述第一渗透孔(21)以及所述第二渗透孔(31)上下对应，且所述贮液层(1)的顶部连接有具有内孔的钢针(5)，所述钢针(5)的底端接近所述第一渗透孔(21)设置。
2.根据权利要求1所述的半透膜自动微渗透装置(100)，其特征在于，所述贮液层(1)的顶部开设有与所述贮液腔(11)连通的连通孔(12)，所述钢针(5)穿过所述连通孔(12)设置。
3.根据权利要求1所述的半透膜自动微渗透装置(100)，其特征在于，所述贮液层(1)的底部还开设有多个第一连接孔(13)，所述第一圆片层(2)开设有多个贯通第一圆片层(2)并与所述第一连接孔(13)一一对应的第二连接孔(22)，所述第二圆片层(3)开设有多个贯通第二圆片层(3)并与所述第二连接孔(22)一一对应的第三连接孔(32)，所述第二圆片层(3)、所述第一圆片层(2)、及所述贮液层(1)通过连接件依次穿过所述第三连接孔(32)、所述第二连接孔(22)、所述第一连接孔(13)实现连接。
4.根据权利要求3所述的半透膜自动微渗透装置(100)，其特征在于，所述连接件为螺钉。
5.根据权利要求1所述的半透膜自动微渗透装置(100)，其特征在于，所述第二圆片层(3)、所述第一圆片层(2)、及所述贮液层(1)均为圆柱形结构或者方块结构。
6.根据权利要求5所述的半透膜自动微渗透装置(100)，其特征在于，所述第二圆片层(3)、所述第一圆片层(2)、及所述贮液层(1)均为圆柱形结构。
7.根据权利要求6所述的半透膜自动微渗透装置(100)，其特征在于，所述第一渗透孔(21)与所述第二渗透孔(31)的直径为5mm；所述半透膜(4)为分子量是8000道尔顿的半透膜；所述第一圆片层(2)与所述第二圆片层(3)的直径为40mm，所述第一圆片层(2)的厚度为1.5mm，所述第二圆片层(3)的厚度为5mm；所述贮液腔(11)的内径为20mm、高度为15mm；所述钢针(5)的直径为0.6mm，所述钢针(5)的高度为25mm。
8.根据权利要求1所述的半透膜自动微渗透装置(100)，其特征在于，所述第二圆片层(3)、所述第一圆片层(2)、及所述贮液层(1)均为有机玻璃板。
9.一种采用权利要求1至8任一项所述的半透膜自动微渗透装置(100)的用于细胞长时程培养的半透膜自动微渗透系统，包括微控芯片，其特征在于，还包括位于同一水平面上的溶液池(200)和贮液池(500)，所述溶液池(200)中放置有聚乙二醇溶液，并在所述聚乙二醇溶液中浸入半透膜自动微渗透装置(100)，所述半透膜自动微渗透装置(100)的贮液腔(11)中注满DI水，所述钢针(5)通过连接管(600)与所述微控芯片的出液端(300)连通，所述贮液池(500)中放置有培养基并通过连接管(600)与所述微控芯片的进液端(400)连通。
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