CN106085854B - 一种基于血液透析器的细胞培养装置 - Google Patents

一种基于血液透析器的细胞培养装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于血液透析器的细胞培养装置，属于细胞培养领域。一种基于血液透析器的细胞培养装置，包括液路循环单元和环境控制单元，所述的液路循环单元包括主培养袋和次培养袋，所述的主培养袋和血液透析器主体的内部两端相连形成主循环回路，所述的次培养袋和血液透析器主体的外部两端相连形成次循环回路，所述的主循环回路设有主循环泵、次循环回路设有次循环泵。本发明操作方便，计量精准，可拓展性和可维护性较强，能够方便医务工作者进行免疫细胞治疗。

Description

一种基于血液透析器的细胞培养装置
技术领域
本发明涉及一种细胞培养领域，特别是涉及一种基于血液透析器的细胞培养装置。
背景技术
免疫细胞治疗是采集人体自身免疫细胞，经过体外培养，使其数量成千上倍增多，靶向性杀伤功能增强，然后再输回到人体来灭杀血液及组织中的病原体、癌细胞、突变的细胞，打破免疫耐受，激活和增强机体的免疫能力，兼顾治疗和保健的双重功效。免疫细胞治疗的流程是：1、在GMP实验室里，分离单个核细胞置于培养瓶中，加入培养液和细胞因子刺激细胞活化增值。2、经过7~14天细胞培养，细胞数增至原有数量的几百到上千倍，免疫杀伤能力增加20~100倍。3、采血后的第7~14天，开始回输DC、CIK细胞。4、经过多个疗程的治疗，有效杀除患者体内肿瘤细胞，促进康复，改善患者的生活质量。
干细胞培养是指在体外模拟体内的生理环境，培养从机体取出的细胞，并使之生存和生长的技术。体外细胞培养必须注意三个环节：营养、生存环境和废液的排除。体外培养细胞所需的营养是由培养基提供的。体外培养必须模拟体内细胞生长环境。环境因素主要是指无菌环境、合适的温度、一定的渗透压和气体环境。 干细胞是一种自我更新、高度增殖以及多种分化潜能的未分化细胞。各种功能细胞的生成以及调控依赖于各种微环境、细菌生长因子、基质细胞、细胞外基质层多种因素的相互作用与平衡，并涉及有关细胞增值，分化，迁移，定居，衰老、凋亡、癌变等多虚声明科学中的基本机制。
目前，传统的细胞培养装置功能单一，结构简单，操作繁杂,培养效率低下，不能很好的满足医务人员的多方面生物试验的需求，增加了医务人员的工作强度。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提供一种基于血液透析器的细胞培养装置。
技术方案
一种基于血液透析器的细胞培养装置，包括液路循环单元和环境控制单元，所述的液路循环单元包括主培养袋和次培养袋，所述的主培养袋和血液透析器主体的内部两端相连形成主循环回路，所述的次培养袋和血液透析器主体的外部两端相连形成次循环回路，所述的主循环回路设有主循环泵，次循环回路设有次循环泵。所述的主循环回路和次循环回路上均设有液路压力检测装置。所述的血液透析器由毛细管柱和外壳构成，所述的血液透析器主体的内部是指毛细管柱的内部，所述的血液透析器主体的外部指毛细管柱的外部。
进一步的技术方案，所述的细胞培养装置还包括中控单元；所述的中控单元是连接液路循环单元和环境控制单元的控制模块。所述的环境控制单元包括温控控制系统、CO2浓度控制系统和紫外灯消毒灭菌装置，所述的液路压力检测装置包括主循环液路压力检测装置和次循环液路压力检测装置。所述的双温控制系统，利用制冷和制热设备，将样品采集存储区域温度控制在0-4摄氏度，其他装置所在区域设定在25-37摄氏度。
进一步的技术方案，所述的主循环泵和次循环泵均是蠕动泵。
进一步的技术方案，所述的细胞培养装置还包括贮存培养袋，所述的贮存培养袋通过注射泵与主培养袋相连。
进一步的技术方案，所述的细胞培养装置还包括样品采集存储单元，所述的样品采集存储单元和液路循环单元相连，所述的样品采集存储单元包括样本采集系统和样本存储系统，用于完成主循环回路中样品的抽取和存储。
进一步的技术方案，所述的主循环回路设有pH检测装置；所述的次循环回路上设有pH检测装置。
进一步的技术方案，所述的pH检测装置是颜色传感器，所述的颜色传感器用于检测培养基的pH值。在细胞生长增殖过程中，由于培养基中含有酚红指示剂，可以利用颜色识别器获取RGB三色值来判断pH，细胞密度高对于培养基中的营养物质分泌速度快，会迅速改变培养基中的pH值，以此为依据来判断是否添加新鲜培养基或排出废弃培养基，与此同时，可以根据通过判断pH的变化速率来判断主循环回路中细胞的密度。
进一步的技术方案，所述的主培养袋下面设有主摇摆机和主称重传感器，次培养袋下面设有次摇摆机和次称重传感器，所述的主称重传感器设于主摇摆机上，所述的次称重传感器设于次摇摆机上。
进一步的技术方案， 所述的主摇摆器和主称重传感器以及次摇摆机和次称重传感器包括平衡控制方法和非平衡控制方法：
W1表示主培养袋的重量，W2表示次培养袋的重量，W3表示设定的非平衡时W1与W2之间差值， W4表示设定的平衡时W1与W2之间的差值；
所述的非平衡控制方法为：当W1-W2>W3,主循环泵速度加快，次循环泵速度减慢，透析方向由主循环回路流向次循环回路直至当W2-W1>W3时，主循环泵速度减慢，次循环泵速度加快，透析方向由次循环回路流向主循环回路直至再次出现W1-W2>W3,重复上述步骤，做往复周期性运动；
所述的平衡控制方法为：当W1-W2>W4, 主循环泵速度快，次循环泵速度减慢，透析方向由主循环回路流向次循环回路；或者当W2-W1>W4，主循环泵速度减慢，次循环泵速度加快，透析方向由次循环回路流向主循环回路，主循环泵和次循环泵速度相同，直至两个循环透析速度相同时，|W1-W2|<=W4，达到平衡状态；当W4数值无限小时，W1和W2接近相等。
进一步的技术方案，所述的主培养袋和次培养袋采用封闭式培养，主培养袋和次培养袋的材质为透气材料。
进一步的技术方案，所述的透气材料为EVA材料或PE材料。
进一步的技术方案，所述的血液透析器在运行中呈现竖直或者倾斜状态血液透析器可以是竖直、水平、倾斜放置，但是使用过程中至少有一段时间是倾斜或者竖直状态的。
本发明的工作流程如下：
本发明利用血液透析器的透析功能，进行循环液路的营养物质交换，在此基础上创造主次循环回路的方式，蠕动泵作为液路运行的动力源，维持主次循环回路的正常运行。液路从装有新鲜培养基的贮存培养袋中抽取新鲜培养基，经过主循环回路，在主培养袋中汇集，次循环回路从血液透析器中透析培养基，经过回路最终在次培养袋上汇集， 有称重功能的摇摆机既可以实时获取主次培养袋的重量，又可以摇匀其中的营养物质，最终废旧培养液由泵从次循环抽出到废液袋。在细胞培养过程中，可以通过样品采集存储单元进行在线样品采集和贮存。颜色传感器用于识别液路中培养基颜色，从而判断培养基中的pH，以此来判断是否加入新鲜培养基或者排出废液。
本发明可以采用人工使用医用注射器向主循环回路中注入原始细胞液，其中细胞因子注入方式有两种，一是提前跟培养基混合注入，二是摇匀原始细胞液之后，手动注入。注射完原始细胞液和细胞因子之后，开始建立5%CO2浓度环境，等待其建立完毕之后，细胞开始在液路中进行增殖生长。
双温控制系统为装置提供两套恒温系统，一套是用于细胞培养的25~37℃可调的恒温系统，另一套是用于样品采集存储单元保存需要的4℃的恒温系统。紫外灯消毒灭菌装置为整套装置提供杀毒灭菌功能。液路压力检测装置用来监控液路循环中液体的压力，保证系统液路正常运行。中控单元用于控制细胞培养的整套流程，包括环境建立、运行、停止控制，液路建立、运行、停止控制，摇摆机和称重传感器的非平衡控制和平衡控制，颜色识别算法处理，样品采集存储单元开始采样、停止采样、贮存等操作。
有益效果：
1、本发明在含有细胞的培养基通过血液透析器时，细胞等生物大分子物质会在血液透析器的主循环回路中内移动，而水、无机盐等小分子物质会进入血液透析器的外壁进入次循环回路。
3、本发明操作方便，计量精准，可拓展性和可维护性较强，能够方便医务工作者进行免疫细胞治疗。
4、仪器通过双液路循环系统，利用血液透析器的特性，不断将主循环中的细胞代谢废物透析到次循环中，而次循环中的营养物质透析到主循环中，供细胞生长繁殖。而细胞因子等物质在主循环中因为其分子体积大而得到保留，能够有效防止细胞因子等物质的流失，提高生物利用率。并且可以根据需要向主循环回路中不断加入新的培养基，也能够从次循环回路中不断抽离废弃培养基，维持主循环回路中的培养基对细胞等生物生长的物质供应。
5、本发明中的培养基能够循环使用，节约成本，并且根据pH值、细胞浓度的变化从而判断细胞的生长情况和培养基的利用情况，随时调整培养基量，实时监控，达到很好的控制细胞等生物的生长速度的目的。
6、本发明中的颜色传感器用于测量pH，能够实现实时监控，灵敏度高。
7、本发明中通过摇摆称重装置获取主次循环中培养袋中的重量变化，实时调整液路系统平衡，并且能够不断摇匀培养基，不断调整以保证细胞健康快速成长。
8、本发明中的样品采集存储单元能够完成自动采样，并且能够低温保存样品，保证试验样品的质量。
9、本发明中主培养袋和次培养袋采用封闭式培养，但是培养袋的材质为透气材料制成，能够实现自主透气，直接与培养箱内CO2完成气体交换。袋口封闭，内部形成无菌环境，最大程度上减少污染，培养袋平铺在摇摆机上，增大培养基液与气体接触面积，利于在有限的空间中大量培养细胞。
10、使用本发明培养的大部分细胞存在于主培养袋内，方便采集细胞进行后续操作，且获得方法简单，步骤少，减少人工与细胞接触机会，减少污染可能。
11、所述的血液透析器常在医疗血液透析领域使用;本发明使用的血液透析器以及相适配的管线，接头均广泛使用在医疗血液透析领域。本仪器安全性高，适合人体回输细胞的培养。
附图说明
图1 是本发明的细胞培养装置的结构示意图；
附图标记：1、主循环回路；2、次循环回路；3、主循环泵；4、次循环泵；5、主循环液路压力检测装置；6、次循环液路压力检测装置；7、pH检测装置；9、主培养袋；10、次培养袋；11、主摇摆机和主称重传感器；12、次摇摆机和次称重传感器；13、贮存培养袋；14、废液袋；15、血液透析器；16、样品采集存储单元；17、双温控制系统；18、紫外灯消毒灭菌装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例
如图1所示，一种基于血液透析器的细胞培养装置，包括液路循环单元和环境控制单元，所述的液路循环单元包括主培养袋9和次培养袋10，所述的主培养袋9和血液透析器15主体的内部两端相连形成主循环回路1，所述的次培养袋10和血液透析器主体15的外部两端相连形成次循环回路2，所述的主循环回路1设有主循环泵3，次循环回路2设有次循环泵4。所述的主循环回路和次循环回路上均设有液路压力检测装置。所述的环境控制单元包括双温控制系统17、CO2浓度控制系统和紫外灯消毒灭菌装置18，所述的液路压力检测装置包括主循环液路压力检测装置5和次循环液路压力检测装置6。
所述的细胞培养装置还包括中控单元；所述的中控单元是连接液路循环单元和环境控制单元的控制模块。
所述的主循环泵3和次循环泵4均是蠕动泵。
所述的细胞培养装置还包括贮存培养袋13，所述的贮存培养袋13通过注射泵与主培养袋9相连。
所述的细胞培养装置还包括样品采集存储单元16，所述的样品采集存储单元16和液路循环单元相连，所述的样品采集存储单元16包括样本采集系统和样本存储系统，用于完成主循环回路1中样品的抽取和存储。
所述的主循环回路1设有pH检测装置7；所述的次循环回路2上设有pH检测装置7。
所述的pH检测装置7是颜色传感器，所述的颜色传感器用于检测培养基的pH值。在细胞生长增殖过程中，由于培养基中含有酚红指示剂，可以利用颜色识别器获取RGB三色值来判断pH，细胞密度高对于培养基中的营养物质分泌速度快，会迅速改变培养基中的pH值，以此为依据来判断是否添加新鲜培养基或排出废弃培养基，与此同时，可以根据通过判断pH的变化速率来判断主循环回路中细胞的密度。
所述的主培养袋9下面设有11主摇摆机和主称重传感器，次培养袋10下面设有12次摇摆机和次称重传感器，所述的主称重传感器设于主摇摆机上，所述的次称重传感器设于次摇摆机上。
所述的主摇摆机11和主称重传感器以及次摇摆机12和次称重传感器的控制方法包括平衡控制方法和非平衡控制方法：
W1表示主培养袋9的重量，W2表示次培养袋10的重量，W3表示设定的非平衡时W1与W2之间差值， W4表示设定的平衡时W1与W2之间的差值；
所述的非平衡控制方法为：当W1-W2>W3,主循环泵3速度加快，次循环泵4速度减慢，透析方向由主循环回路1流向次循环回路2直至当W2-W1>W3时，主循环泵3速度减慢，次循环泵4速度加快，透析方向由次循环回路2流向主循环回路1直至再次出现W1-W2>W3,重复上述步骤，做往复周期性运动；
所述的平衡控制方法为：当W1-W2>W4, 主循环泵3速度快，次循环泵4速度减慢，透析方向由主循环回路1流向次循环回路2；或者当W2-W1>W4，主循环泵3速度减慢，次循环泵4速度加快，透析方向由次循环回路2流向主循环回路1，主循环泵3和次循环泵4速度相同，直至两个循环透析速度相同时，|W1-W2|<=W4，达到平衡状态；当W4数值无限小时，W1和W2接近相等。
所述的主培养袋9和次培养袋10采用封闭式培养，主培养袋9和次培养袋10的材质为透气材料制成，为EVA材料。也可以是PE材料。
所述的血液透析器15在运行中呈现竖直或者倾斜状态血液透析器15可以是竖直、水平、倾斜放置，但是使用过程中至少有一段时间是倾斜或者竖直状态的。

Claims (10)

1.一种基于血液透析器的细胞培养装置，包括液路循环单元和环境控制单元，其特征在于，所述的液路循环单元包括主培养袋和次培养袋，所述的主培养袋和血液透析器主体的内部两端相连形成主循环回路，所述的次培养袋和血液透析器主体的外部两端相连形成次循环回路，所述的主循环回路设有主循环泵、次循环回路设有次循环泵；
所述的主培养袋下面设有主摇摆机和主称重传感器，次培养袋下面设有次摇摆机和次称重传感器，所述的主称重传感器设于主摇摆机上，所述的次称重传感器设于次摇摆机上；所述的摇摆器和称重传感器的控制方法包括平衡控制方法和非平衡控制方法：
W1表示主培养袋的重量，W2表示次培养袋的重量，W3表示设定的非平衡时W1与W2之间差值，W4表示设定的平衡时W1与W2之间的差值；所述的非平衡控制方法为：当W1-W2>W3,主循环泵速度加快，次循环泵速度减慢，透析方向由主循环回路流向次循环回路直至当W2-W1>W3时，主循环泵速度减慢，次循环泵速度加快，透析方向由次循环回路流向主循环回路直至再次出现W1-W2>W3,重复上述步骤，做往复周期性运动；所述的平衡控制方法为：当W1-W2>W4,主循环泵速度快，次循环泵速度减慢，透析方向由主循环回路流向次循环回路；或者当W2-W1>W4，主循环泵速度减慢，次循环泵速度加快，透析方向由次循环回路流向主循环回路，主循环泵和次循环泵速度相同，直至两个循环透析速度相同时，|W1-W2|<=W4，达到平衡状态；当W4数值无限小时，W1和W2接近相等。
2.根据权利要求1所述的一种基于血液透析器的细胞培养装置，其特征在于，所述的细胞培养装置还包括中控单元；所述的中控单元是连接液路循环单元和环境控制单元的控制模块；所述的环境控制单元包括温度控制系统、CO2浓度控制系统和紫外灯消毒灭菌装置。
3.根据权利要求1所述的一种基于血液透析器的细胞培养装置，其特征在于，所述的主循环泵和次循环泵均是蠕动泵。
4.根据权利要求1所述的一种基于血液透析器的细胞培养装置，其特征在于，所述的细胞培养装置还包括贮存培养袋，所述的贮存培养袋通过注射泵与主培养袋相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于血液透析器的细胞培养装置，其特征在于，所述的细胞培养装置还包括样品采集存储单元，所述的样品采集存储单元和液路循环单元相连，所述的样品采集存储单元包括样本采集系统和样本存储系统，用于完成主循环回路中样品的抽取和存储。
6.根据权利要求1所述的一种基于血液透析器的细胞培养装置，其特征在于，
所述的主循环回路设有pH检测装置；所述的次循环回路上设有pH检测装置。
7.根据权利要求6所述的一种基于血液透析器的细胞培养装置，其特征在于，所述的pH检测装置是颜色传感器，所述的颜色传感器用于检测培养基的pH值。
8.根据权利要求1所述的一种基于血液透析器的细胞培养装置，其特征在于，所述的主培养袋和次培养袋采用封闭式培养，主培养袋和次培养袋的材质为透气材料。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种基于血液透析器的细胞培养装置，其特征在于，所述的血液透析器在运行中呈现竖直或者倾斜状态。
10.根据权利要求1所述的一种基于血液透析器的细胞培养装置，其特征在于，所述的血液透析器内的中空纤维膜孔径的分子截留量小于30KD。
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