CN106190835A - 一种灌注式细胞培养系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及细胞培养技术领域，尤其涉及一种灌注式细胞培养系统及方法。能够模拟体内培养环境，为细胞培养提供稳定的温度和二氧化碳浓度，提高细胞的体外培养效果。克服了现有技术中细胞体外培养的二氧化碳浓度和温度难以有效控制的缺陷。本发明实施例提供一种灌注式细胞培养系统，包括：培养箱和反应器；培养箱内设置有用于通入含有二氧化碳气体的气体流道，气体流道的进口设置在培养箱上，气体流道的进口连通有气源；所述系统还包括控制装置和用于对培养箱进行加热的加热装置；控制装置用于对气源的阀门开度和加热装置的开启与关闭进行控制，使得培养箱内的二氧化碳浓度保持在第一预设范围，温度保持在第二预设范围。

Description

一种灌注式细胞培养系统及方法

技术领域

本发明涉及细胞培养技术领域，尤其涉及一种灌注式细胞培养系统及方法。

背景技术

细胞培养泛指所有体外培养，其含义是指从动物活体体内取出组织，通过机械的方法或酶消化的方法将组织分离成单细胞，模拟体内生理环境等特定的体内条件下，进行孵育培养，使之生存并生长。

现有的细胞培养方式分为两种，一种为静态培养，通常使用培养瓶或者培养皿，将细胞置于培养器皿中，人为观察其生产状态不定时给予换液，为细胞提供充足的养分；另一种为灌注式培养，即将细胞接种于反应器内，可为细胞或组织源源不断的提供培养液供其生长。

静态培养的方式中，培养液需定期更换，静态培养系统不能保持环境恒定，人工操作的效率和精度不高，且易对培养环境造成污染。灌注式培养可减少人工操作从而减少污染的几率，但是，细胞培养过程除了需要连续不断地提供培养液之外，还需要保证稳定的细胞培养环境，例如：稳定的温度和二氧化碳浓度，然而，现有的灌注式细胞培养系统参见图1所示，包括主体01、反应器02和反应器盖013，所述反应器02包括培养室021、进液管022和出液管023；培养室021置于主体01内；进液管022穿过主体01的一侧与培养室021连通；出液管023穿过主体01的另一侧与培养室021连通。该系统中细胞在所述主体01内进行培养时，所需的温度和二氧化碳浓度均难以得到有效控制，难以获得令人满意的细胞培养效果，对细胞的体外培养造成了限制。

发明内容

为达到上述目的，本发明实施例提供一种灌注式细胞培养系统及方法，能够模拟体内培养环境，为细胞培养提供稳定的温度和二氧化碳浓度，提高细胞的体外培养效果。

一方面，本发明实施例提供一种灌注式细胞培养系统，包括：培养箱和反应器；所述培养箱内设置有用于通入含有二氧化碳气体的气体流道，所述气体流道的进口设置在所述培养箱上，所述气体流道的进口连通有气源；

所述系统还包括控制装置和用于对所述培养箱进行加热的加热装置；

所述控制装置用于对所述气源的阀门开度和所述加热装置的开启与关闭进行控制，使得所述培养箱内的二氧化碳浓度保持在第一预设范围，温度保持在第二预设范围。

优选的，所述控制装置用于获取二氧化碳的消耗模型和温度变化模型，并根据所述二氧化碳的消耗模型对所述气源的阀门开度进行调节，根据所述温度的变化模型对所述加热装置的开启与关闭进行控制；

或者，所述培养箱内还设置有二氧化碳传感器和温度传感器，所述控制装置用于根据所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度对所述气源的阀门开度进行调节，根据所述温度传感器发送的温度信号对所述加热器的开启与关闭进行控制。

进一步地，所述培养箱包括由有机硅聚合物材料制成的反应器基座和密封盖，所述反应器基座上开设有反应器安装槽，所述密封盖盖设于所述反应器安装槽的上方，所述反应器安装槽底部设有用于支撑所述反应器的支撑凸起，以使所述反应器的底部与所述反应器安装槽底部之间形成所述气体流道，所述气体流道的进口设置在所述反应器的底部和所述反应器安装槽的底部之间。

可选的，所述系统还包括培养液提供装置，所述培养液提供装置包括注射泵组件和安装于所述注射泵组件上的注射器，所述注射器的输出端与所述培养液输入管连通，所述注射泵组件可推动所述注射器的活塞在注射方向上运动。

进一步可选的，所述注射泵组件包括注射泵、注射器夹持器、推板和用于固定所述注射器夹持器的底座，所述注射器夹持器用于固定所述注射器筒体，所述注射器夹持器与所述底座可拆卸连接，所述推板上设置有凹槽，所述注射器的活塞杆柄嵌设于所述凹槽内，所述推板用于向所述注射器的活塞杆柄施加推力，以推动所述注射器的活塞在注射方向上运动。

优选的，所述注射泵包括步进电机、驱动器和丝杆，所述步进电机的信号输出端与所述控制装置电连接，所述控制装置的信号输出端与所述驱动器的信号输入端电连接，所述丝杆与所述步进电机传动连接，所述控制装置还用于获取所述步进电机的驱动脉冲信号，并根据所述步进电机的驱动脉冲信号对所述驱动器的驱动电压进行调节，使得所述步进电机带动所述丝杆将旋转运动转化为直线运动，推动所述注射器以所述预设灌注速度向所述培养液输入管内灌注培养液。

进一步优选的，所述系统还包括废液收集装置，所述废液收集装置包括试管和试管架，所述试管放置于所述试管架上，所述试管与所述废液输出管连通，用于盛放所述细胞培养产生的废液。

可选的，所述废液收集装置还包括用于放置试管架的存储盒和半导体制冷片，所述试管架置于所述存储盒内，所述存储盒的至少一个侧壁由导热材料制成，所述半导体制冷片包括制冷面和散热面，所述半导体制冷片的制冷面与所述由导热材料制成的侧壁外表面接触，所述散热面连接有散热器。

进一步可选的，所述半导体制冷片连接有电源，所述控制装置的信号输入端与所述半导体制冷片的冷端电连接，所述控制装置的信号输出端与所述电源电连接，所述控制装置还用于接收所述半导体制冷片的冷端的温度信号，并根据所述半导体制冷片的冷端的温度信号对所述电源的开启与关闭进行控制，使得所述半导体制冷片的冷端的温度保持在第三预设范围。

另一方面，本发明实施例提供一种灌注式细胞培养方法，应用于如上所述的灌注式细胞培养系统，所述方法包括：

步骤1)将细胞处于培养箱中进行灌注式培养；

步骤2)所述控制装置控制所述气源的阀门开度和所述加热装置的开启与关闭，使得所述培养箱内的二氧化碳浓度保持在第一预设范围，温度保持在第二预设范围。

优选的，所述控制装置控制所述气源的阀门开度和所述加热装置的开启与关闭具体包括：

根据实验获取二氧化碳的消耗模型和温度变化模型，并根据二氧化碳的消耗模型对所述气源的阀门开度进行调节，根据温度的变化模型对所述加热装置的开启与关闭进行控制；

或者，所述控制装置根据所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度对所述气源的阀门开度进行调节，根据所述温度传感器发送的温度信号对所述加热器的开启与关闭进行控制，使得所述培养箱内的二氧化碳浓度保持在第一预设范围，温度保持在第二预设范围。

优选的，所述控制装置根据二氧化碳的消耗模型对所述气源的阀门开度进行调节具体包括：

根据任一时刻的二氧化碳的消耗量与所述气源的二氧化碳通入量计算任一时刻培养箱内的二氧化碳浓度，若确定所述第一预设范围的上限与所述培养箱内的二氧化碳浓度之间的差值小于等于第一预设阈值时，则控制所述气源的阀门开度调小，若确定所述培养箱内的二氧化碳浓度与所述第一预设范围的下限之间的差值小于等于所述第一预设阈值时，则控制所述气源的阀门开度调大；

所述根据温度的变化模型对所述加热装置的开启与关闭进行控制具体包括：

根据任一时刻的温度变化速率和任一时间段计算任一时刻培养箱内的温度，若确定所述第二预设范围的上限与所述培养箱内的温度之间的差值小于等于第二预设阈值时，则控制所述加热装置关闭；若确定培养箱内的温度与所述第二预设范围的下限之间的差值小于等于所述第二预设阈值时，则控制所述加热装置开启。

可选的，所述控制装置根据所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度对所述气源的阀门开度进行调节具体包括：

若确定所述第一预设范围的上限与所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度之间的差值小于等于所述第三预设阈值时，则控制所述气源的阀门开度调小，若确定所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度与所述第二预设范围的下限之间的差值小于等于所述第三预设阈值时，则控制所述气源的阀门开度调大；

根据所述温度传感器发送的温度信号对所述加热器的开启与关闭进行控制具体包括：

若确定所述温度传感器发送的温度欲超出所述第二预设范围的上限时，则关闭所述加热装置，若确定所述温度传感器发送的温度欲低于所述第二预设范围的下限时，则开启所述加热装置。

进一步可选的，所述将细胞处于培养箱中进行灌注式培养具体包括：所述控制装置接收所述步进电机的驱动脉冲信号，并根据所述步进电机的驱动脉冲信号对所述驱动器的驱动电压进行调节，使得所述注射泵推动所述注射器的活塞以所述预设灌注速度向所述培养液输入管中灌注培养液。

优选的，所述步骤1)还包括：将所述细胞培养所产生的废液通过废液输出管输出至所述废液收集装置的所述试管中。

进一步优选的，所述步骤1)还包括：通过所述控制装置接收所述半导体制冷片的冷端的温度信号，并根据所述半导体制冷片的冷端的温度信号控制所述电源的开启与关闭，使得所述半导体制冷片的冷端的温度保持在第三预设范围。

本发明实施例提供一种灌注式细胞培养系统及方法，其中，通过在所述培养箱内设置用于通入含有二氧化碳气体的气体流道，并将所述气体流道的进口连通气源，能够通过气源向所述培养箱内的流道内通入含有二氧化碳的气体，并通过控制装置对所述气源的阀门开度进行控制，能够对通入所述培养箱内的气体流量进行控制，从而能够对所述培养箱内的二氧化碳浓度进行控制，同时，所述控制装置还能够对所述加热装置的开启与关闭进行控制，从而能够对所述培养箱内的温度进行控制，在此过程中，能够为所述细胞培养提供稳定的二氧化碳浓度和温度，从而能够模拟体内生理环境，提高细胞的体外培养效果。克服了现有技术中细胞体外培养的二氧化碳浓度和温度难以有效控制，使得细胞培养效果差的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的一种灌注式细胞培养系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种灌注式细胞培养系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种灌注式细胞培养系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种反应器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种培养箱的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种反应器基座的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种灌注式细胞培养系统的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种注射泵组件的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种注射器夹持器夹持注射器的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的另一种灌注式细胞培养系统的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的另一种灌注式细胞培养系统的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的再一种灌注式细胞培养系统的结构示意图；

图13为本发明实施例提供的一种灌注式细胞培养方法的流程图。

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做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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一方面，本发明实施例提供一种灌注式细胞培养系统，参见图2，包括：培养箱1和反应器2；其特征在于，

所述培养箱1内设置有用于通入含有二氧化碳气体的气体流道11，所述气体流道11的进口设置在所述培养箱1上，所述气体流道11的进口连通有气源3；

所述系统还包括控制装置4和用于对所述培养箱1进行加热的加热装置5；

所述控制装置4用于对所述气源3的阀门开度和所述加热装置5的开启与关闭进行控制，使得所述培养箱1内的二氧化碳浓度保持在第一预设范围，温度保持在第二预设范围。

本发明实施例提供一种灌注式细胞培养系统，其中，通过在所述培养箱1内设置用于通入含有二氧化碳气体的气体流道11，并将所述气体流道11的进口连通气源3，能够通过气源3向所述培养箱1内的流道内通入含有二氧化碳的气体，并通过控制装置4对所述气源3的阀门开度进行控制，能够对通入所述培养箱1内的气体流量进行控制，从而能够对所述培养箱1内的二氧化碳浓度进行控制，同时，所述控制装置4还能够对所述加热装置5的开启与关闭进行控制，从而能够对所述培养箱1内的温度进行控制，能够模拟体内生理环境，提高细胞的体外培养效果。克服了现有技术中细胞体外培养的二氧化碳浓度和温度难以有效控制，使得细胞培养效果差的缺陷。

其中，所述控制装置1可以为电脑，也可以为单片机，所述单片机可以包括一个或多个处理器、存储器、用户接口、网络接口以及通信总线。

通信总线用于单片机中各组成部件之间的通信。用户接口用于插接外部设备，例如触摸屏、鼠标及键盘等，以接收用户输入的信息。网络接口用于所述单片机与外部进行互相通信，该网络接口主要包括有线接口和无线接口。

存储器可用于存储软件程序以及模块，数据库，如本发明实施例中所述的二氧化碳浓度控制方法和温度控制方法对应的程序指令/模块。存储器可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器可进一步包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至所述控制设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

处理器通过运行存储在存储器内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如，处理器通过调用存储器中的温度控制方法的应用程序，以实现快速而准确的温度控制过程，处理器通过调用存储器中的二氧化碳浓度控制方法的应用程序，以实现快速而准确的二氧化碳浓度控制方法。

当然，所述控制装置4还可以为PID控制器(Proportion IntegrationDifferentiation；比例-积分-微分控制器)，所述PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使控制对象更加准确。因此，PID控制器中的参数整定可以依靠经验或者现场调试来确定。

其中，所述第一预设范围和所述第二预设范围可以由用户事先设定。

本发明的一实施例中，所述控制装置4用于获取二氧化碳的消耗模型和温度变化模型，并根据所述二氧化碳的消耗模型对所述气源3的阀门开度进行调节，根据所述温度的变化模型对所述加热装置5的开启与关闭进行控制；

或者，参见图3，所述培养箱1内还设置有二氧化碳传感器001和温度传感器002，所述控制装置4用于根据所述二氧化碳传感器001发送的二氧化碳浓度对所述气源3的阀门开度进行调节，根据所述温度传感器002发送的温度信号对所述加热装置5的开启与关闭进行控制。

其中，所述二氧化碳的消耗模型是指通过二氧化碳消耗的阶段分析，从干预理论中整合出二氧化碳浓度改变的过程和其中的一些主要规则。本发明实施例中，通过依据二氧化碳的消耗模型，能够对所述培养箱1中二氧化碳的浓度进行计算，从而能够根据计算所获得的程序对所述气源3的阀门开度进行调节，使得所述二氧化碳的浓度保持在所述第一预设范围内；同样的，通过依据温度的变化模型，能够对所述培养箱1中的任意时刻的温度进行计算，从而能够根据计算结果对所述加热装置5的开启与关闭进行控制，使得温度保持在所述第二预设范围内；通过在所述培养箱1内设置二氧化碳传感器001和温度传感器002，能够直接获取所述培养箱1内的二氧化碳浓度和温度，从而能够根据检测到的二氧化碳浓度和用户预设的二氧化碳浓度之间的差值对气源3的阀门开度进行直接控制，根据检测到的温度和用户预设的温度之间的差值对加热装置5的开启与关闭进行控制。

本发明的一实施例中，当所述培养箱1内设置有二氧化碳传感器001和温度传感器002时，所述控制装置4包括二氧化碳变送器和PID温度控制器。

其中，对所述反应器2的结构不做限定。只要能够通过灌注向细胞输送培养液即可。

本发明的一实施例中，参见图4，所述反应器2包括培养室21和分别与所述培养室21连通的培养液输入管22和废液输出管23。

其中，对所述培养箱1的具体结构不做限定，只要能够为细胞培养提供容纳空间，便于空气交换并隔绝细菌即可。

本发明的一实施例中，参见图5与图6，所述培养箱1包括由有机硅聚合物材料制成的反应器基座12和密封盖13，所述反应器基座12上开设有反应器安装槽14，所述密封盖13盖设于所述反应器安装槽14的上方，所述反应器安装槽14底部设有用于支撑所述反应器2的支撑凸起6，以使所述反应器2的底部与所述反应器安装槽14底部之间形成所述气体流道11，所述气体流道11的气体进口位于所述反应器2的底部和所述反应器安装槽14的底部之间。

在本发明实施例中，由于有机硅聚合物材料具有良好的通透性，可与外界进行气体交换，氧气、二氧化碳可渗透到所述培养箱1内，从而能够使得所述培养箱1呈密闭状而气体可透过，能够保持所述培养箱1内外气压平衡；通过在反应器安装槽14底部设置支撑凸起6，能够在所述反应器2的底部与所述反应器安装槽14底部之间形成气体流道11，并且所述气体流道11的气体进口位于所述反应器2的底部和所述反应器安装槽14的底部之间，能够使通入的气体处于所述反应器2的周围，与所述气体流道的进口设置在所述反应器2的上部相比，能够避免在操作过程中培养液发生外溅而堵塞所述气体流道11的进口。

本发明的又一实施例中，参见图5和图6，所述反应器基座14的上表面开设有用于安装培养液输入管22的输入管安装槽15以及用于安装废液输出管23的输出管安装槽16，所述反应器安装槽14位于所述输入管安装槽15和输出管安装槽16之间且分别与所述输入管安装槽15和输出管安装槽16贯通。

在本发明实施例中，所述培养液输入管22可以安装在所述输入管安装槽15内，所述废液输出管23可以安装在所述输出管安装槽16内，能够对所述培养液输入管22和所述废液输出管23进行固定，提高细胞培养装置的一体化程度，操作方便。

需要说明的是，对所述加热装置5不做限定，加热装置5可以为通过辐射、对流或者传导的加热装置。

本发明的一实施例中，所述加热装置5为电热板，所述反应器基座14由可导热的有机硅聚合物材料制成，所述电热板设置在所述反应器基座14的底部，且与所述反应器基座14的下表面贴合设置。通过将所述电热板设置在所述反应器基座14的底部，使得所述培养箱1内的结构较为小巧紧凑，并且所述电热板与所述反应器基座14直接进行热传导，加热效果更佳，进一步地，由于所述反应器基座14的上表面开设有输入管安装槽15和输出管安装槽16，所述反应器基座14由可导热的有机硅聚合物材料制成，具有良好的导热性能，还能够对所述培养液输入管22和所述废液输出管23进行热传导，对源源不断提供给所述培养室21的培养液进行预热。其中，所述输入管安装槽15的长度可以适当长一点，能够提高培养液的预热效果。

本发明的一实施例中，参见图5，所述密封盖13靠近所述培养液输入管22和所述废液输出管23处设置有缺口17，所述缺口17用于对所述培养液出入管22和所述废液输出管23进行避让，所述缺口17与所述培养液输入管22和所述废液输出管23之间的空隙内填充有密封条(图中未示出)。

在本发明实施例中，能够在对所述培养液输入管22和所述废液输出管23进行避让的同时，保持所述培养箱1的密封性，减少二氧化碳损失，避免外界细菌或者尘土进入。

其中，所述密封条可以为高密度海绵，这样还有利于气体的流通。

由于大量实验或者生产需要，参见图4，所述培养室21可以为多个，相对应地，所述培养液输入管22和所述废液输出管23也为多个，每一个所述培养室21对应连接一个培养液输入管22和一个废液输出管23，并且所述培养室21沿一直线依次排列，所述培养液输入管22和所述废液输出管23分别位于所述直线的相对两侧。进一步地，所述气体流道11的进口也可以为多个，分别对应于每一个所述培养室21的位置设置。

相对应于所述培养室21，所述支撑凸起6为多个，且相对应设置在所述直线的两侧，这样，使得所述气体流道11分布更加均匀，能够提高所述培养箱1中气体分布的均匀性。

其中，所述二氧化碳传感器31可以为固态电介质传感器，也可以为光学传感器，光学传感器的稳定性和精度更高，优选为光学传感器。

还需要说明的是，由于在细胞培养过程中，根据细胞培养的需氧情况，可以对通入所述培养箱1中的氧气浓度也进行检测，因此，可以在所述培养箱1中设置氧气传感器，当然，若所述细胞培养对其他气体浓度有要求，还可以设置用于检测其他气体浓度的气体传感器，因此，所述气源可以为含有二氧化碳、氧气的混合气体，也可以为二氧化碳气体，还可以为含有二氧化碳、氧气和其他气体的混合气体。

本发明的一实施例中，参见图7，所述系统还包括培养液提供装置7，所述培养液提供装置7包括注射泵组件71和安装于所述注射泵组件8上的注射器72，所述注射器72的输出端与所述培养液输入管22连通，所述注射泵组件71可推动所述注射器72的活塞在注射方向上运动。

通过注射泵组件71推动所述注射器72向所述培养液输入管22内灌注细胞培养液，能够为细胞培养提供稳定流速的细胞培养液，提高细胞培养条件的稳定性。

本发明的又一实施例中，参见图8和图9，所述注射泵组件71包括注射泵(图中未示出)、注射器夹持器711、推板712和用于固定所述注射器夹持器711的底座713，所述注射器夹持器711用于固定所述注射器72筒体，所述注射器夹持器711与所述底座713可拆卸连接，所述推板712上设置有凹槽(图中未示出)，所述注射器72的活塞杆柄嵌设于所述凹槽内，所述推板712用于向所述注射器72的活塞杆柄施加推力，以推动所述注射器72的活塞在注射方向上运动。

通过将注射器夹持器711与所述底座713可拆卸连接，在所述注射器72需要换液或者增加培养液时，可以将所述注射器夹持器711拆卸下来，放置于高度适当的操作台上对其进行操作，还可以对其进行消毒，之后将所述注射器夹持器711安装在所述底座713上，方便操作；通过在所述推板712上设置凹槽，可以将所述注射器72的活塞杆柄嵌设于所述凹槽内，在所述推板712推动所述注射器72的活塞在注射方向上运动时，能够防止所述注射器72的活塞杆柄与所述推板712之间发生相对滑动，并对所述注射器72的活塞施加较为均匀的推力。

本发明的一实施例中，所述注射泵72通常包括步进电机、驱动器和丝杆，所述步进电机的信号输出端与所述控制装置电连接，所述控制装置的信号输出端与所述驱动器的信号输入端电连接，所述丝杆与所述步进电机传动连接，所述控制装置还用于获取所述步进电机的驱动脉冲信号，并根据所述步进电机的驱动脉冲信号对所述驱动器的驱动电压进行调节，使得所述步进电机带动所述丝杆将旋转运动转化为直线运动，推动所述注射器以所述预设灌注速度向所述培养液输入管内灌注培养液。

通过控制装置4，能够对所述注射泵72实现自动化控制，提高所述系统的自动化程度。

其中，所述控制装置可以包括继电器，继电器一般都有能反映一定输入变量(如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等)的感应机构(输入部分)；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构(输出部分)，在这里，所述输入变量是指所述步进电机的脉冲信号，所述被控电路是指驱动器的驱动电压。

其中，脉冲是指一个物理量在短持续时间内突变后迅速回到其初始状态的过程，脉冲信号包括了脉冲的个数、脉冲的频率等参数，通过脉冲信号来控制所述驱动器的驱动电压，能够使得所述步进电机在预设脉冲信号下工作。在此过程中，预设脉冲信号可以通过所述控制装置根据预设灌注速度、所述步进电机的功率和所述丝杆的精度来进行确定。

其中，所述注射器72可以为一个也可以为多个。

本发明的又一实施例中，参见图8和图9，所述注射器72为多个，所述注射器夹持器711包括下夹板714、上夹板715和夹紧件716，所述夹紧件可给上夹板714和下夹板715施加夹紧力，以将多个所述注射器72的外筒夹持固定于所述上夹板714和下夹板715之间；所述夹紧件716包括旋钮和弹性部件，所述旋钮包括螺杆和固定于螺杆一端的旋转把手，所述螺杆穿过所述上夹板714的过孔后与所述下夹板715上的螺纹孔配合连接，所述弹性部件设置于所述旋转把手与所述上夹板714之间，所述旋钮相邻两侧的注射器72之间的间距大于或等于所述上夹板的宽度M。

在本发明实施例中，通过旋转所述旋钮，能够将上夹板714旋转90度置于所述旋钮两侧的注射器72之间，从而能够实现对所述注射器72的换液或者补液，进一步地，由于所述旋钮和所述上夹板714之间设置有弹性部件，可以通过旋转所述旋钮增大所述上夹板714和所述下夹板715之间的间距，也能够实现对所述注射器72进行换液或者补液。

本发明的一实施例中，参见图10，所述系统还包括废液收集装置8，所述废液收集装置8包括试管81和试管架82，所述试管81放置于所述试管架82上，所述试管81与所述废液输出管23连通，用于盛放所述细胞培养产生的废液。通过将所述细胞培养产生的废液收集起来，能够减少废液排放，并有利于对废液中细胞的代谢物进行研究。

在此，为了与所述废液输出管23的个数相对应，所述试管81也可以为多个，并且可以在所述废液输出管23的末端连接针头，将其插入试管81的管盖，以实现静脉灌注培养液。

本发明的又一实施例中，参见图11，所述废液收集装置8还包括用于放置试管架82的存储盒83和半导体制冷片84，所述试管架82置于所述存储盒83内，所述存储盒83的至少一个侧壁由导热材料制成，所述半导体制冷片84包括制冷面和散热面，所述半导体制冷片84的制冷面与所述由导热材料制成的侧壁外表面接触，所述散热面连接有散热器。

通过设置存储盒83和半导体制冷片84，并且将所述半导体制冷片84的制冷面和所述存储盒83的导热材料制成的侧壁外表面接触，能够对所述存储盒83内的空气进行换热，从而对所述存储盒83内的废液进行制冷，能够对所述废液进行保存，更有利于对废液中细胞代谢物的研究。

半导体制冷片由一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联接的热电偶对组成，当其中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端，由P型元件流道N型元件的接头放出热量，成为热端；吸热和放热的大小由通过电流的大小和半导体材料N、P的元件对数来决定。

本发明的又一实施例中，所述半导体制冷片84连接有电源(图中未示出)，所述控制装置的信号输入端与所述半导体制冷片的冷端电连接，所述控制装置的信号输出端与所述电源电连接，所述控制装置还用于接收所述半导体制冷片的冷端的温度信号，并根据所述半导体制冷片的冷端的温度信号对所述电源的开启与关闭进行控制，使得所述半导体制冷片的冷端的温度保持在第三预设范围。

通过所述控制装置，能够对通过所述半导体制冷片84的电流进行自动化控制，从而进一步提高系统的自动化程度。

其中，所述控制装置接收所述半导体制冷片的冷端发送的温度信号，对所述电源的开启与关闭进行控制，具体为，若所述半导体制冷片的冷端发送的温度信号与所述第三预设范围的上限之间的差值较为接近时，则控制所述电源关闭，若所述半导体制冷片的冷端发送的温度信号与所述第三预设范围的下限之间的差值较为接近时，则控制所述电源开启。

本发明的又一实施例中，所述第三预设范围为8-10℃。通过保持所述半导体制冷片的冷端保持在8-10℃，能够防止废液在室温下保存时间较短，从而会影响后续的研究与测试。

本发明的一实施例中，参见图12，所述废液收集装置8还包括导热材料制成的盒状外壳85，所述存储盒83设置于所述盒状外壳85内，所述盒状外壳85与所述存储盒83之间形成有空气对流通道，所述盒状外壳85的任一侧壁上设置有连通所述盒装外壳85内外的风扇86，所述散热器位于所述空气对流通道上，所述风扇86位于所述空气对流通道的出口处。

通过设置盒状外壳85，能够将所述散热器产生的热量通过风扇86沿空气对流通道导至所述盒状壳体85的外部，提高制冷效果。

另一方面，本发明实施例提供一种灌注式细胞培养方法，应用于如上所述的灌注式细胞培养系统，参见图13，所述方法包括：

步骤1)将细胞处于培养箱中进行灌注式培养；

步骤2)所述控制装置控制所述气源的阀门开度和所述加热装置的开启与关闭，使得所述培养箱内的二氧化碳浓度保持在第一预设范围，温度保持在第二预设范围。

本发明实施例提供一种灌注式细胞培养方法，对细胞进行灌注式培养，并通过所述控制装置控制气源向所述培养箱中通入含有二氧化碳的气体的阀门开度，对所述培养箱内的二氧化碳浓度进行调节，同时，通过所述控制装置控制所述加热装置的开启与关闭，对所述培养箱内的温度进行调节，能够为所述细胞培养提供稳定的二氧化碳浓度和温度，从而能够模拟体内生理环境，提高细胞的体外培养效果。克服了现有技术中细胞体外培养的二氧化碳浓度和温度难以有效控制，使得细胞培养效果差的缺陷。

其中，第一预设范围可以根据细胞培养的需氧情况进行合理设置，若细胞培养需氧量较多，则适当控制所述二氧化碳的浓度减小一些，反之，则适当控制所述二氧化碳的浓度增大一些。同样的，第二预设范围也可以根据细胞培养的温度需求进行合理设置，通常人体细胞培养的温度保持在35-37℃为佳。

本发明的一实施例中，所述控制装置控制所述气源的阀门开度和所述加热装置的开启与关闭具体包括：

根据实验获取二氧化碳的消耗模型和温度变化模型，并根据二氧化碳的消耗模型对所述气源的阀门开度进行调节，根据温度的变化模型对所述加热装置的开启与关闭进行控制；

或者，所述控制装置根据所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度对所述气源的阀门开度进行调节，根据所述温度传感器发送的温度信号对所述加热器的开启与关闭进行控制，使得所述培养箱内的二氧化碳浓度保持在第一预设范围，温度保持在第二预设范围。

需要说明的是，由于所述控制装置可以为PID控制器(Proportion IntegrationDifferentiation；比例-积分-微分控制器)，所述PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。其中，所述参考值即为第一预设范围内的值或者第二预设范围内的值。

示例性的，以所述第二控制模块为PID控制器为例进行说明。当所检测的温度偏离所希望的给定值(在此指第二预设范围)时，PID控制可根据测量信号与给定值的偏差进行比例、积分、微分运算，从而输出某个适当的控制信号，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的目的。

比例运算是指输出控制量与偏差的比例关系，比例参数设定值越大，控制的灵敏度越低，设定值越小，控制的灵敏度越高，例如比例参数设定为4％，表示测量值偏离给定值4％时，输出控制量变化100％。积分运算的目的是消除偏差，只要偏差存在，积分作用将控制量向使偏差消除的方向移动，积分时间是表示积分作用强度的单位，设定的积分时间越短，积分作用越强，例如积分时间设定为240秒时，表示对固定的偏差，积分作用的输出量达到和比例作用相同的输出量需要240秒，比例作用和积分作用是对控制结果的修正动作，响应较慢，微分作用是为了消除其缺点而补充的，微分作用根据偏差产生的速度对输出量进行修正，使控制过程进口恢复到原来的控制状态，微分时间是表示微分作用强度的单位，设定的微分时间越长，则以微分作用的修正越强。

本发明的一实施例中，所述第一预设范围为1％-2％。通过控制所述二氧化碳的浓度为1％-2％，能够为细胞提供所述细胞培养所需的二氧化碳，同时，还能够对所述密闭培养箱的pH值进行调节。

其中，所述气源可以为含有二氧化碳的混合气瓶，也可以为二氧化碳气瓶，根据二氧化碳浓度的不同，可以对所述气源的控制阀门进行调节来控制进入所述密闭培养箱中气体的流量，从而实现对所述二氧化碳浓度的控制。

本发明的又一实施例中，所述第二预设范围为35-37℃。通常细胞在接近于体温的条件下培养更接近于体内培养，温度过高或者过低都会对细胞的活性造成影响。

本发明的又一实施例中，所述控制装置根据二氧化碳的消耗模型对所述气源的阀门开度进行调节具体包括：

根据任一时刻的二氧化碳的消耗量与所述气源的二氧化碳通入量计算任一时刻培养箱内的二氧化碳浓度，若确定所述第一预设范围的上限与所述培养箱内的二氧化碳浓度之间的差值小于等于第一预设阈值时，则控制所述气源的阀门开度调小，若确定所述培养箱内的二氧化碳浓度与所述第一预设范围的下限之间的差值小于等于所述第一预设阈值时，则控制所述气源的阀门开度调大；

所述根据温度的变化模型对所述加热装置的开启与关闭进行控制具体包括：

根据任一时刻的温度变化速率和任一时间段计算任一时刻培养箱内的温度，若确定所述第二预设范围的上限与所述培养箱内的温度之间的差值小于等于第二预设阈值时，则控制所述加热装置关闭；若确定培养箱内的温度与所述第二预设范围的下限之间的差值小于等于所述第二预设阈值时，则控制所述加热装置开启。

在本发明实施例中，所述控制装置通过二氧化碳的消耗量和含有二氧化碳的气体的通入量来计算获得培养箱内二氧化碳的浓度，并与用户所设定的第一预设范围的上限和下限相比较，根据二氧化碳浓度和所述第一预设范围的上限或者下限之间的差值来控制所述气源的阀门开度，这样，能够实现对所述二氧化碳浓度的精确控制，同理，也能够实现对所述温度的精确控制。

其中，所述控制装置控制所述气源的阀门开度调大或者调小的调节度也可以通过控制装置根据逻辑运算获取，例如，根据所述培养箱内的二氧化碳浓度与所述第一预设范围的上限和下限之间的差值大小，计算获取调节度的大小，这样，能够实现精确控制。

本发明的又一实施例中，所述控制装置根据所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度对所述气源的阀门开度进行调节具体包括：

若确定所述第一预设范围的上限与所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度之间的差值小于等于所述第三预设阈值时，则控制所述气源的阀门开度调小，若确定所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度与所述第二预设范围的下限之间的差值小于等于所述第三预设阈值时，则控制所述气源的阀门开度调大；

根据所述温度传感器发送的温度信号对所述加热器的开启与关闭进行控制具体包括：

若确定所述温度传感器发送的温度欲超出所述第二预设范围的上限时，则关闭所述加热装置，若确定所述温度传感器发送的温度欲低于所述第二预设范围的下限时，则开启所述加热装置。

在本发明实施例中，所述控制装置通过二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度与用户所设定的第一预设范围的上限和下限相比较，根据二氧化碳浓度和所述第一预设范围的上限或者下限之间的差值来控制所述气源的阀门开度，这样，能够实现对所述二氧化碳浓度的精确控制，同理，也能够实现对所述温度的精确控制。

其中，所述控制装置控制所述气源的阀门开度调大或者调小的调节度也可以通过控制装置根据逻辑运算获取，例如，根据所述培养箱内的二氧化碳浓度与所述第一预设范围的上限和下限之间的差值大小，计算获取调节度的大小，这样，能够实现精确控制。

本发明的一实施例中，所述将细胞处于培养箱中进行灌注式培养具体包括：所述控制装置接收所述步进电机的驱动脉冲信号，并根据所述步进电机的驱动脉冲信号对所述驱动器的驱动电压进行调节，使得所述注射泵推动所述注射器的活塞以所述预设灌注速度向所述培养液输入管中灌注培养液。

通过控制装置，能够对所述注射器的灌注速度进行自动调节，根据不同的细胞可以设定不同的灌注速度，提高细胞培养条件的稳定性。其中，所述预设灌注速度可以通过用户根据经验设定而获得，也可以根据逻辑运算获取。

本发明的又一实施例中，所述预设灌注速度大于等于0.0001μL/min。该预设灌注速度最低可以达到0.0001μL/min，相当于静脉注射，更接近于体内培养。

其中，所述预设灌注速度根据逻辑运算获取时，可以根据步进电机的脉冲信号、丝杆的螺纹精度和驱动器的驱动功率等复杂计算来获取。

本发明的一实施例中，所述步骤2)中所述细胞所产生的废液通过所述废液输出管输出至所述废液收集装置的所述试管中。

在本发明实施例中，将细胞产生的废液收集起来，为细胞的代谢物研究提供了条件。

本发明的一实施例中，所述步骤1)还包括：通过所述控制装置接收所述半导体制冷片的冷端的温度信号，并根据所述半导体制冷片的冷端的温度信号控制所述电源的开启与关闭，使得所述半导体制冷片的冷端的温度保持在第三预设范围。

通过控制装置，能够对所述废液收集装置的温度进行自动调节，延长废液的保存时间，为细胞的代谢物研究创造了条件。

本发明的又一实施例中，所述第三预设范围为8-10℃。能够防止在室温下保存使得保存时间有限，不利于细胞的代谢物的研究和测试。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种灌注式细胞培养系统，包括：培养箱和反应器；其特征在于，

所述培养箱内设置有用于通入含有二氧化碳气体的气体流道，所述气体流道的进口设置在所述培养箱上，所述气体流道的进口连通有气源；

所述系统还包括控制装置和用于对所述培养箱进行加热的加热装置；

所述控制装置用于对所述气源的阀门开度和所述加热装置的开启与关闭进行控制，使得所述培养箱内的二氧化碳浓度保持在第一预设范围，温度保持在第二预设范围。

2.根据权利要求1所述的灌注式细胞培养系统，其特征在于，

所述控制装置用于获取二氧化碳的消耗模型和温度变化模型，并根据所述二氧化碳的消耗模型对所述气源的阀门开度进行调节，根据所述温度的变化模型对所述加热装置的开启与关闭进行控制；

或者，所述培养箱内还设置有二氧化碳传感器和温度传感器，所述控制装置用于根据所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度对所述气源的阀门开度进行调节，根据所述温度传感器发送的温度信号对所述加热器的开启与关闭进行控制。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，

所述培养箱包括由有机硅聚合物材料制成的反应器基座和密封盖，所述反应器基座上开设有反应器安装槽，所述密封盖盖设于所述反应器安装槽的上方，所述反应器安装槽底部设有用于支撑所述反应器的支撑凸起，以使所述反应器的底部与所述反应器安装槽底部之间形成所述气体流道，所述气体流道的进口设置在所述反应器的底部与所述反应器安装槽的底部之间。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述反应器包括培养室和分别与所述培养室连通的培养液输入管和废液输出管；

所述系统还包括培养液提供装置，所述培养液提供装置包括注射泵组件和安装于所述注射泵组件上的注射器，所述注射器的输出端与所述培养液输入管连通，所述注射泵组件可推动所述注射器的活塞在注射方向上运动。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述注射泵组件包括注射泵、注射器夹持器、推板和用于固定所述注射器夹持器的底座，所述注射器夹持器用于固定所述注射器筒体，所述注射器夹持器与所述底座可拆卸连接，所述推板上设置有凹槽，所述注射器的活塞杆柄嵌设于所述凹槽内，所述推板用于向所述注射器的活塞杆柄施加推力，以推动所述注射器的活塞在注射方向上运动。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述注射泵包括步进电机、驱动器和丝杆，所述步进电机的信号输出端与所述控制装置电连接，所述控制装置的信号输出端与所述驱动器的信号输入端电连接，所述丝杆与所述步进电机传动连接，所述控制装置还用于获取所述步进电机的驱动脉冲信号，并根据所述步进电机的驱动脉冲信号对所述驱动器的驱动电压进行调节，使得所述步进电机带动所述丝杆将旋转运动转化为直线运动，推动所述注射器以所述预设灌注速度向所述培养液输入管内灌注培养液。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述系统还包括废液收集装置，所述废液收集装置包括试管和试管架，所述试管放置于所述试管架上，所述试管与所述废液输出管连通，用于盛放所述细胞培养产生的废液。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述废液收集装置还包括用于放置试管架的存储盒和半导体制冷片，所述试管架置于所述存储盒内，所述存储盒的至少一个侧壁由导热材料制成，所述半导体制冷片包括制冷面和散热面，所述半导体制冷片的制冷面与所述由导热材料制成的侧壁外表面接触，所述散热面连接有散热器。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，

所述半导体制冷片连接有电源，所述控制装置的信号输入端与所述半导体制冷片的冷端电连接，所述控制装置的信号输出端与所述电源电连接，所述控制装置还用于接收所述半导体制冷片的冷端的温度信号，并根据所述半导体制冷片的冷端的温度信号对所述电源的开启与关闭进行控制，使得所述半导体制冷片的冷端的温度保持在第三预设范围。

10.一种灌注式细胞培养方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的灌注式细胞培养系统，所述方法包括：

步骤1)将细胞处于培养箱中进行灌注式培养；

步骤2)所述控制装置控制所述气源的阀门开度和所述加热装置的开启与关闭，使得所述培养箱内的二氧化碳浓度保持在第一预设范围，温度保持在第二预设范围。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，

所述控制装置控制所述气源的阀门开度和所述加热装置的开启与关闭具体包括：

根据实验获取二氧化碳的消耗模型和温度变化模型，并根据二氧化碳的消耗模型对所述气源的阀门开度进行调节，根据温度的变化模型对所述加热装置的开启与关闭进行控制；

或者，所述控制装置根据所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度对所述气源的阀门开度进行调节，根据所述温度传感器发送的温度信号对所述加热器的开启与关闭进行控制，使得所述培养箱内的二氧化碳浓度保持在第一预设范围，温度保持在第二预设范围。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述控制装置根据二氧化碳的消耗模型对所述气源的阀门开度进行调节具体包括：

根据任一时刻的二氧化碳的消耗量与所述气源的二氧化碳通入量计算任一时刻培养箱内的二氧化碳浓度，若确定所述第一预设范围的上限与所述培养箱内的二氧化碳浓度之间的差值小于等于第一预设阈值时，则控制所述气源的阀门开度调小，若确定所述培养箱内的二氧化碳浓度与所述第一预设范围的下限之间的差值小于等于所述第一预设阈值时，则控制所述气源的阀门开度调大；

所述根据温度的变化模型对所述加热装置的开启与关闭进行控制具体包括：

根据任一时刻的温度变化速率和任一时间段计算任一时刻培养箱内的温度，若确定所述第二预设范围的上限与所述培养箱内的温度之间的差值小于等于第二预设阈值时，则控制所述加热装置关闭；若确定培养箱内的温度与所述第二预设范围的下限之间的差值小于等于所述第二预设阈值时，则控制所述加热装置开启。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述控制装置根据所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度对所述气源的阀门开度进行调节具体包括：

若确定所述第一预设范围的上限与所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度之间的差值小于等于所述第三预设阈值时，则控制所述气源的阀门开度调小，若确定所述二氧化碳传感器发送的二氧化碳浓度与所述第二预设范围的下限之间的差值小于等于所述第三预设阈值时，则控制所述气源的阀门开度调大；

根据所述温度传感器发送的温度信号对所述加热器的开启与关闭进行控制具体包括：

若确定所述温度传感器发送的温度欲超出所述第二预设范围的上限时，则关闭所述加热装置，若确定所述温度传感器发送的温度欲低于所述第二预设范围的下限时，则开启所述加热装置。

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，

所述对所述细胞进行灌注式培养具体包括：所述控制装置接收所述步进电机的驱动脉冲信号，并根据所述步进电机的驱动脉冲信号对所述驱动器的驱动电压进行调节，使得所述注射泵推动所述注射器的活塞以所述预设灌注速度向所述培养液输入管中灌注培养液。

15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，

所述步骤1)还包括：将所述细胞培养所产生的废液通过废液输出管输出至所述废液收集装置的所述试管中。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，

所述步骤1)还包括：通过所述控制装置接收所述半导体制冷片的冷端的温度信号，并根据所述半导体制冷片的冷端的温度信号控制所述电源的开启与关闭，使得所述半导体制冷片的冷端的温度保持在第三预设范围。