CN106047691B - 一种3d细胞培养系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可在细胞实验和生物工程生产中应用的3D立体细胞培养系统。该系统包括细胞培养皿、无菌软管、蠕动泵、光纤传感器、信号处理系统、温度控制器、气体控制仪、细胞培养液储罐、二氧化碳储气罐、计算机及配套控制软件和光源。其工作原理是通过光纤传感器实时监测细胞培养皿中的温度、pH和细胞密度等信息，并通过计算机分析处理，从而控制相关组件精确调节相应的培养条件，以维持细胞培养基中各种指标的平衡和稳定。由于该系统可自动完成细胞观察、更换培养液、测量温度和酸碱度等复杂繁琐的实验操作，代替人工劳动，节省人力成本，而且系统对培养条件控制精准，保证了的实验因素的稳定与统一。

Description

一种3D细胞培养系统
技术领域
本发明涉及一种可在细胞实验和生物工程生产中应用的3D细胞培养系统，可自动通过传感器和各种调控部件维持稳定的细胞培养条件，具有自动化、智能化、无人看管和可实时监控等特点，该应用可降低劳动成本，提高实验效率，属于生物实验设备技术领域。
背景技术
细胞培养是用无菌操作的方法将动物体内的组织（或器官）取出，模拟动物体内的生理条件，在体外进行培养，使其不断地生长、繁殖，人们借以观察细胞的生长、繁殖、细胞分化以及细胞衰老等过程的生命现象。细胞培养的突出优点，一是便于研究各种物理、化学等外界因素对细胞生长发育和分化等的影响；二是细胞培养便于人们对细胞内结构（如细胞骨架等）、细胞生长及发育等过程的观察。因而细胞培养是探索和显示细胞生命活动规律的一种简便易行的实验技术。细胞培养技术目前已广泛地被应用于生物学的各个领域。如分子生物学、细胞生物学、遗传学、免疫学、肿瘤学及病毒学等。近年来发展起来的核移植、细胞杂交、DNA介导的基因转移以及一些物理图谱的建立,也都需要与细胞培养紧密结合。因此，细胞培养技术是当今传统生化实验技术中的重要环节。传统的细胞培养方法主要分为原代细胞培养和传代细胞培养。其中，原代细胞培养又分单层细胞培养和悬浮培养；传代细胞培养又分贴壁型细胞的传代和悬浮型细胞的传代。
然而，细胞培养是一种操作繁琐而又要求十分严谨的实验技术。要使细胞能在体外长期生长，必须满足两个基本要求：一是供给细胞存活所必须的条件，如适量的水、无机盐、氨基酸、维生素、葡萄糖及其有关的生长因子、氧气、适宜的温度，注意外环境酸碱度与渗透压的调节。二是严格控制无菌条件。传统的人工细胞培养，不仅费时费力，经常出现差错，甚至导致细胞的污染，而且人工检测细胞培养环境无法实现实时分析与控制，对细胞实验或工业生产带来不利影响。因此急需研发一种全自动、无人看管、实时监测和自动维持平衡的3D立体细胞培养技术和培养系统。
本发明成果就是在上述背景下经过研究探索，不断试验、调试和优化中研制出的一种新型3D立体细胞培养技术和培养系统。本发明采用光纤传感器，实时监测培养环境中的各项指标，通过计算机精确控制培养基中的细胞培养条件，使细胞稳定生长并维持系统的平衡，省去各项繁杂的检测操作，统一于一项检测手段，省时省力，降低了细胞染菌受污染的几率，大大提高细胞实验的效率。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，满足日益增长的细胞实验需求，提供一种能够全自动、无人看管、实时监测和自动维持平衡的3D细胞培养系统。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种3D细胞培养系统，包括包括细胞培养皿、无菌软管、蠕动泵、光纤传感器、信号处理系统、温度控制器、气体控制仪、细胞培养液储罐、二氧化碳储气罐、计算机及配套控制软件和光源。
本发明装置的结构为：细胞培养皿底部连接两支无菌软管、一个温度控制器和通入一束光纤传感器，其中两支无菌软管分别接在蠕动泵和气体控制仪上，并且通过细胞培养液储罐和二氧化碳储气罐向细胞培养皿中输送细胞培养液和二氧化碳气体；其中光纤传感器一端连接在光源上，另一端接入信号处理系统；蠕动泵、气体控制仪温度控制器和信号处理系统都与计算机连接，用以获取调控指令和进行数据分析，实现自动控制。
本发明装置的工作原理为：根据光纤传感器所采集到的温度、pH和细胞密度等信息，通过计算机控制调整其温度、二氧化碳浓度和培养液量，使其维持适宜的培养条件，以便细胞持续稳定的生长。
其中细胞培养皿为一个细胞实验通用培养皿或由多个培养皿联合构成细胞培养板，并且底部设有若干接口：其底部通过一束光纤传感器，包括温度传感器、pH传感器和折射率传感器，分别可以测量培养液的温度、酸碱度和细胞密度；底部通有无菌软管，可通过蠕动泵和气体控制仪向细胞培养皿中添加培养基和二氧化碳；底部加装温度控制器，可对培养基内部温度进行调控。
其中光纤传感器的结构分为两个光纤传输区段和一个感受区段。其中一个传输区段接收光源发出的标准激光的注入，标准激光传输至感受区段时受到所测环境的影响而发生变化从而成为信号光，另一个传输区段将测量的信号光传输至信号处理系统中进行处理；感受区段由三根并行排列的特种光纤构成，包括温度传感器、pH传感器和折射率传感器构成，可分别测量细胞培养液的温度、酸碱度和细胞密度。
其中光源为普通的激光器，其作用是向光纤传感器中注入标准激光。
其中蠕动泵、温度控制器和气体控制仪分别接受计算机的控制，为培养皿添加培养液、调节温度和充入二氧化碳。
其中细胞培养液储罐和二氧化碳储气罐分别与蠕动泵和气体控制仪相连接，为细胞培养皿提供原料。
本发明装置测量温度的目的主要是为了给计算机对温度的控制提供反馈信息，以便计算机通过温控仪调节培养温度，使细胞在适宜的温度下生长。因为一切生物化学反应或活动都离不开酶的催化作用，酶作为一种蛋白质，只有在温度适宜的情况下才能保证其结构和功能的稳定，所以为细胞培养提供合适的温度，有利于细胞生长。
本发明装置测量pH值得目的主要是为了给计算机对pH的控制提供反馈信息，以便计算机通过控制气体控制仪，调节二氧化碳含量，维持一定的pH值。因为细胞培养需要7.0~7.4的合适pH值，一方面可以维持酶活性，另一方面也有一定的抑菌作用。通常在培养液的缓冲体系中由Na2CO3-NaHCO3缓冲对来调节，而细胞代谢会消耗HCO3 -，从而使pH升高，因而通入二氧化碳可使pH维持合适的水平。
本发明装置测量折射率主要为了给计算机控制细胞密度提供反馈信息，以便计算机通过控制蠕动泵，调节培养液的量，使培养液量与细胞数量成合适的比例。因为随着细胞的生长繁殖，对培养液的消耗量增大，排泄出的代谢废物增多，会使得细胞培养环境变得恶劣，不利于细胞培养。因此需要添加更多的培养液以维持适宜的生长条件。对于悬浮细胞，整个细胞悬浮液的折射率会随细胞密度的增大而增大，因此可以通过测量折射率来获知细胞密度，从而通过计算机精确控制蠕动泵泵入新的培养液，以维持系统的稳定与平衡。
本发明装置通过细胞培养皿中的光纤传感器，实时监测温度、pH和细胞密度的变化，通过计算机自动控制温控仪、连接有二氧化碳储罐的气体控制仪、连接有培养液储罐的蠕动泵，来精确调节细胞培养温度、pH和细胞的密度，以维持细胞平衡、稳定地生长。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.传统的人工细胞培养，需要对工作人员进行专业培训，实验操作十分繁琐，耗时费力，效率低下。而本发明全自动、无人看管的3D立体细胞培养系统，可代替人工劳动，节约劳动成本，省时省力，提高效率。
2.传统的人工细胞培养，由于人为操作的因素，对细胞培养条件的检测不准确，而且只能是间断测量，不能反映实时的情况变动。而本发明由先进的光纤传感系统，可对培养条件精确地实时监测，及时掌握细胞状况。
3.传统的人工细胞培养，细胞更换培养液、扩大培养、温度调节等操作十分繁琐，而且人工难以保证培养条件的统一，并且稍有不慎容易染菌。而本发明通过计算机精确控制加料加气调温过程，能够保证实验因素的单一和培养条件的统一，并且无人化操作，避免染菌。
附图说明
图1是单培养皿系统的示意图
图2是多培养皿系统的示意图
图3是多培养皿系统俯视图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下
实施例一：
在本实施例中，参见图1，本3D细胞培养系统，包括包括细胞培养皿（1）、无菌软管（2）、蠕动泵（3）、光纤传感器（4）、信号处理系统（5）、温度控制器（6）、气体控制仪（7）、细胞培养液储罐（8）、二氧化碳储气罐（9）、计算机及配套控制软件（10）和光源（11）。其特征在于所述细胞培养皿（1）底部接通两支无菌软管（2）、插入一个温度控制器（6）和通入光纤传感器（4），所述两支无菌软管（2）分别经蠕动泵（3）和气体控制仪（7），接通细胞培养液储罐（8）和二氧化碳储气罐（9），从而向细胞培养皿（1）中输送细胞培养液和二氧化碳气体；所述光纤传感器（4）一端连接光源（11），另一端接入信号处理系统（5）；所述蠕动泵（3）、气体控制仪（7）温度控制器（6）和信号处理系统（5）都与计算机（10）电连接，用以获取调控指令和进行数据分析，实现自动控制；本系统的工作原理：为根据光纤传感器（4）所采集到的温度、pH和细胞密度信息，通过计算机（10）控制调整其温度、二氧化碳浓度和培养液量，使其维持给定的培养条件，以便细胞持续稳定的生长。
该系统工作时，首先在培养皿（1）中加入细胞培养液并植入待培养的细胞闭盖培养，整个系统的主要部分（培养皿或多孔培养板）置于密闭环境中。开启系统，通过光源（11）将标准激光耦合注入光纤传感器（4）的输入端，并确保每根光纤中的光都相同。激光在光纤中传输进入位于培养皿底部中央位置的光纤感受区段。感受区段分别受到温度、pH和折射率的影响，改变原先输入的光信号，改变后的光信号沿着光纤继续传输，传出培养皿（1），输入信号处理系统（5）进行处理后信息传至计算机（10）进行分析，从而获得培养皿中的温度、pH和细胞密度等信息。同时计算机（10）根据当前实时测量的温度、pH和细胞密度，分别发出指令控制温度控制仪（6）对培养基加热或停止加热来调节温度，控制气体控制仪（7）通过二氧化碳储罐（9）向培养基中通二氧化碳，控制蠕动泵通过细胞培养基储罐（8）向培养皿中添加培养基。此过程中每个步骤都是在传感器和计算机的精确监测和控制下完成的，不需要人为干预，以此确保能够维持细胞培养系统的各项平衡和稳定，利于细胞的正常生长。
本实施例能全自动、无人看管地对细胞培养条件进行实时监测并通过计算机精确调节，维持系统的平衡与稳定，达到了设计的目的。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
所述细胞培养皿（1）的结构为一个细胞实验通用培养皿或由多个培养皿联合构成细胞培养板，其底部设有若干接口，通有一束光纤传感器（4）用以检测培养液中的温度、pH值和折射率；接有两支无菌软管（2），可通过蠕动泵（3）和气体控制仪（7）向细胞培养皿中添加培养基和二氧化碳；加装温度控制器（6），可对培养基内部温度进行调控。
所述光纤传感器（4）的结构分为两个光纤传输区段和一个感受区段。其中一个光纤传输区段接收光源（11）发出的标准激光的注入，标准激光传输至感受区段时受到所测环境的影响而发生变化从而成为信号光，另一个光纤传输区段将测量的信号光传输至信号处理系统（5）中进行处理；感受区段由3根并行排列的特种光纤构成，既由温度传感器、pH传感器和折射率传感器构成，可分别测量细胞培养液的温度、酸碱度和细胞密度。
所述光纤传感器（4）可实时监测细胞培养皿（1）中的温度、pH和细胞密度信息，通过计算机（10）分析处理，从而控制相关组件以维持细胞培养基中各种指标的平衡和稳定。
实施例三：
在本实施例中，可以将本系统与多孔细胞培养板结合（图2，图3），又称为多培养皿系统，每个培养孔或皿中都独立安装与实施例一种相同的光纤传感器（4）、无菌软（2）管和温度控制仪（6）等配套设备，并在培养板上合理布置好光纤、软管和电线的线路（图3）。整个系统中所有培养皿可同时且独立工作，每孔或皿可实现不同的培养条件，分别由计算机单独控制，以满足不同的细胞实验需求。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种3D细胞培养系统，包括细胞培养皿（1）、无菌软管（2）、蠕动泵（3）、光纤传感器（4）、信号处理系统（5）、温度控制器（6）、气体控制仪（7）、细胞培养液储罐（8）、二氧化碳储气罐（9）、计算机（10）和光源（11），其特征在于：所述细胞培养皿（1）底部接通两支无菌软管（2）、插入一个温度控制器（6）和通入光纤传感器（4），所述两支无菌软管（2）分别经蠕动泵（3）和气体控制仪（7），接通细胞培养液储罐（8）和二氧化碳储气罐（9），从而向细胞培养皿（1）中输送细胞培养液和二氧化碳气体；所述光纤传感器（4）一端连接光源（11），另一端接入信号处理系统（5）；所述蠕动泵（3）、气体控制仪（7）、温度控制器（6）和信号处理系统（5）都与计算机（10）电连接，用以获取调控指令和进行数据分析，实现自动控制；本系统的工作原理：为根据光纤传感器（4）所采集到的温度、pH和细胞密度信息，通过计算机（10）控制调整其温度、二氧化碳浓度和培养液量，使其维持给定的培养条件，以便细胞持续稳定的生长。
2.根据权利要求1所述3D细胞培养系统，其特征在于：所述细胞培养皿（1）的结构为一个细胞实验通用培养皿或由多个培养皿联合构成细胞培养板，其底部设有若干接口，通有一束光纤传感器（4）用以检测培养液中的温度、pH值和折射率；接有两支无菌软管（2），可通过蠕动泵（3）和气体控制仪（7）向细胞培养皿中添加培养基和二氧化碳；加装温度控制器（6），可对培养基内部温度进行调控。
3.根据权利要求1所述3D细胞培养系统，其特征在于：所述光纤传感器（4）的结构分为两个光纤传输区段和一个感受区段，其中一个光纤传输区段接收光源（11）发出的标准激光的注入，标准激光传输至感受区段时受到所测环境的影响而发生变化从而成为信号光，另一个光纤传输区段将测量的信号光传输至信号处理系统（5）中进行处理；感受区段由3根并行排列的特种光纤构成，既由温度传感器、pH传感器和折射率传感器构成，可分别测量细胞培养液的温度、酸碱度和细胞密度。
4.根据权利要求1所述3D细胞培养系统，其特征在于：所述光纤传感器（4）可实时监测细胞培养皿（1）中的温度、pH和细胞密度信息，通过计算机（10）分析处理，从而控制相关组件以维持细胞培养基中各种指标的平衡和稳定。
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