CN107904166A - 能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，为了实现远程控制、监控细胞培养而设计。本发明包括：细胞培养箱与细胞培养箱的控制器通过有线或无线方式连接的远程控制终端，细胞培养箱内设有细胞培养瓶、储液瓶、用于对细胞培养箱内的环境参数进行调整的环境设置组件，用于采集细胞培养瓶内细胞生长状况的图像采集装置、的细胞培养瓶和储液瓶通过若干输液管连通，在输液管上分别设有细胞培养液驱动泵，的环境设置组件、细胞培养液驱动泵、图像采集装置分别连接的控制器，各培养瓶分别对应一个图像采集装置，细胞培养箱的外壳上设有用于显示细胞生长状况的显示屏以及与控制器连接的按键。

Description

能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统

技术领域

本发明涉及一种能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统。

背景技术

细胞培养是生物工程技术中一个必不可少的过程，该技术可以由一个细胞经过大量培养成为简单的单细胞或极少分化的多细胞。通过细胞培养可以得到大量的细胞或其代谢产物。由于大多数生物产品都是从细胞得来，因此细胞培养技术是生物技术中最核心、最基础的技术。细胞培养工作现已广泛应用于生物学、医学、新药研发等各个领域，它对整个生命科学研究起到至关重要的作用。

目前，欧美发达国家已纷纷开展相关仪器装置的研发工作，细胞培养系统装置已开始逐步实现商品化发展。根据研究目的的不同，可采用大型自动化细胞培养系统和专用细胞培养系统对不同来源的细胞样品进行离体培养。国外相关产品中，在培养液的自动灌流上还未完全实现自动化，在图像实时监测、参数监测和处理不同类型的细胞样品上也存在一些不足。迄今为止，在细胞培养系统的开发中，国内尚未开发出自主研发的相关产品设备，特别是针对不同生长方式的细胞样品(贴壁细胞和悬浮细胞)进行自动换液和在线监测的细胞培养系统。

鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够实时记录培养箱内细胞生产状况以及实现自动灌流的能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统。

本发明能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，包括：细胞培养箱与所述细胞培养箱的控制器通过有线或无线方式连接的远程控制终端，所述细胞培养箱内设有细胞培养瓶、储液瓶、用于对细胞培养箱内的环境参数进行调整的环境设置组件，用于采集细胞培养瓶内细胞生长状况的图像采集装置、所述的细胞培养瓶和储液瓶通过若干输液管连通，在所述输液管上分别设有细胞培养液驱动泵，所述的环境设置组件、细胞培养液驱动泵、图像采集装置分别连接的控制器，各培养瓶分别对应一个图像采集装置，所述细胞培养箱的外壳上设有用于显示细胞生长状况的显示屏以及与所述控制器连接的按键；

所述控制器根据远程控制终端或本地按键输出的控制指令控制环境设置组件的工作状态，所述输液泵的开启、关闭，以及控制所述图像采集装置工作状态；

所述图像采集装置，用于获取各培养瓶内细胞的实时生长状况图像，并输出该实时生长状况图像至控制器，所述控制器根据远程终端的请求或以预定时间间隔输出输出所述实时生长状况图像至远程终端，所述控制器根据用户按键请求或以预定时间间隔输出输出所述实时生长状况图像至本地显示屏显示；

所述控制器以预定时间间隔采集细胞培养箱当前工作环境参数，并输出该当前工作环境参数至本地显示屏和远程终端；

所述远程终端根据获取的细胞实时生长状况图像以及细胞培养箱当前工作环境参数输出相应的控制指令至控制器，所述控制器根据所述的控制指令控制所述的环境设置组件、输液泵、图像采集装置的工作状态。

进一步地，所述图像采集装置包括调焦电动平台，设置在所述调焦电动平台上的相机组件，设置在所述相机组件镜头前的物镜组件以及激光测距装置；其中，在图像采集装置采集培养瓶图像时，首先通过激光测距装置测量相机组件距离培养瓶的距离，然后通过调焦电动平台调节焦距，最后图像采集装置采集培养瓶的图像，并输出至控制器。

进一步地，所述图像采集装置的物镜可替换，镜头可选配×4，×10，×20，×40，×60五个放大倍率。

进一步地，所述细胞培养箱内设有支架装置，所述支架装置包括底板，设置在所述底板上的中心立板，所述中心立板将细胞培养箱内分隔为左、右两部分，所述中心立板上安装有用于支撑细胞培养瓶的细胞培养瓶支撑件、用于支撑储液瓶的储液瓶支撑件、用于支撑所述图像采集装置的图像采集支撑件以及用于支撑细胞培养液驱动泵的细胞培养液驱动泵支撑件。

进一步地，所述的细胞培养瓶支撑件、输液瓶支撑件均由支板和活动孔板组成，所述支板安装在所述中心立板上，所述活动孔板和所述支板通过活页连接，其中细胞培养瓶支撑件的支板上设有震荡电机，所述的震荡电机的动力输出端与所述活动孔板接触，所述的活动孔板通过震荡电机的驱动以实现活动孔板定量起伏。

进一步地，所述支架装置通过两副滚柱交叉导轨副设置在所述细胞培养箱内，各滚柱交叉导轨副包括：安装于细胞箱侧壁的下导轨和安装于的底板上的上导轨，所述下导轨上设有滚子保持器。

进一步地，所述活动孔板上设有培养瓶固定座，所述培养瓶固定座的形状与培养瓶放置在活动孔板上时与活动孔板接触面的形状相适配以固定所述培养瓶。

进一步地，所述细胞培养瓶包括转染瓶，若干扩增瓶，各转染瓶配分别两台细胞培养液驱动泵，一台负责细胞在改造培养过程中，添加转染用细胞培养液，另一台泵负责扩增培养前移除转染用细胞培养液；各扩增瓶分别配置两台细胞培养液驱动泵，一台负责向细胞培养瓶中扩增接种细胞，另一台泵负责在细胞扩增培养期间向扩增瓶中添加培养液。

进一步地，所述细胞培养液驱动泵为蠕动泵。

进一步地，所述输液管为内径为2mm，壁厚为1mm的硅胶管

借由上述方案，本发明能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统至少具有以下优点：

本发明通过在细胞培养箱内设置图像采集装置，能够实时获取细胞的生长状况，并将细胞的生长状况输出至本地显示终端或远程显示终端，以使用户实时了解细胞的生长状态。

本发明根据所述实时生长状况图像控制各个细胞培养液驱动泵的开启或关闭，以实现培养瓶的自动加液控制。

本发明由于培养瓶要求定期振荡，细胞样本采集图像前必需调节焦距。调节焦距通过调焦电动平台实现，将图像采集装置和物镜组件安装在调焦电动平台上，根据需要控制调焦电动平台的运动方向与运动距离，实现焦距调节。

本发明细胞培养与传代扩增均能全自动实现，全过程全封闭，极大降低了细胞培养面临的污染风险；无需人员辅助操作，能适应贴壁细胞和悬浮细胞的传代要求；细胞培养全过程设备工况参数可实时显示、细胞生长情况图像信息可实时查看；配置的远程监控系统可实现设备远程监测与控制。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统的示意图；

图2是本发明能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统的细胞培养箱的示意图；

图3是本发明能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统的内部支架示意图；

图4是本发明能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统的培养瓶支撑件示意图；

图5是本发明能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统的培养瓶支撑件的震荡示意图；

图6是本发明能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统的储液瓶支撑件的示意图；

图7是本发明能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统的内部支架示意图；

图8是本发明能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统的图像采集装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，包括：细胞培养箱与所述细胞培养箱的控制器通过有线或无线方式连接的远程控制终端01，所述细胞培养箱1内设有细胞培养瓶、储液瓶、用于对细胞培养箱内的环境参数进行调整的环境设置组件，用于采集细胞培养瓶内细胞生长状况的图像采集装置、所述的细胞培养瓶和储液瓶通过若干输液管连通，在所述输液管上分别设有细胞培养液驱动泵，所述的环境设置组件、细胞培养液驱动泵、图像采集装置分别连接的控制器，各培养瓶分别对应一个图像采集装置，所述细胞培养箱的外壳上设有用于显示细胞生长状况的显示屏以及与所述控制器连接的按键11；

所述控制器根据远程控制终端或本地按键输出的控制指令控制环境设置组件的工作状态。所述输液泵的开启、关闭，以及控制所述图像采集装置工作状态；

所述图像采集装置，用于获取各培养瓶内细胞的实时生长状况图像，并输出该实时生长状况图像至控制器，所述控制器根据远程终端的请求或以预定时间间隔输出输出所述实时生长状况图像至远程终端，所述控制器根据用户按键请求或以预定时间间隔输出输出所述实时生长状况图像至本地显示屏显示；

所述控制器以预定时间间隔采集细胞培养箱当前工作环境参数，并输出该当前工作环境参数至本地显示屏和远程终端；

所述远程终端根据获取的细胞实时生长状况图像以及细胞培养箱当前工作环境参数输出相应的控制指令至控制器，所述控制器根据所述的控制指令控制所述的环境设置组件、输液泵、图像采集装置的工作状态。

本实施例远程监控手机主要由4G手机与APP组成，4G手机作为设备远端监控手机版本软件运行载体；APP负责在手机上实时显示设备工况参数、细胞培养环境参数、细胞图像等信息以及设备关键操作远端控制。

本地设备由细胞培养自动灌流系统、细胞自动培养环境控制体系、细胞自动培养效果监测系统以及细胞自动培养控制与显示系统四部分组成。细胞培养自动灌流系统实现基于灌流模式的细胞自动培养；细胞自动培养环境控制体系实现灌流模式中试剂存贮以及细胞培养要求的温度、二氧化碳浓度等环境条件；细胞自动培养效果监测系统拟以细胞图像为依据，实现对自动培养的细胞样本培养效果监测；细胞自动培养控制与显示系统拟在上述系统集成与融合的基础上，实现对设备的本地监控。

实施例2

本实施例能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，在实施例1的基础上，所述图像采集装置包括调焦电动平台002，设置在所述调焦电动平台上的相机组件003，设置在所述相机组件镜头前的物镜组件004以及激光测距装置001。

本实施例中，细胞自动培养效果监测系统拟主要通过细胞样本图像实时监控为手段，全程记录自动培养的细胞样本生长情况，为实验人员评估细胞样本状态提供依据。本设备中拟配置4套图像记录设备，形成图像记录设备阵列，分别记录转染培养细胞培养瓶和3个扩增培养瓶细胞生长情况。

细胞样本图像实时监控部件拟由相机组件、调焦平台、物镜组件和激光测距模块组成。物镜可替换，镜头可选配×4，×10，×20，×40，×60等五个放大倍率。由于细胞培养瓶要求定期振荡，细胞样本采集图像前必需调节焦距。调节焦距拟通过电动平台实现，将CMOS组件和物镜组件安装在调焦电动平台上，根据需要控制电动平台运动方向与运动距离，实现焦距调节。

细胞自动培养控制与显示系统通过控制培养箱的工作环境，实验细胞自动培养，并能将上述参数和细胞生长过程视频图像传输到设备本地终端和远程终端，用户可据此掌握细胞成长环境参数和情况。控制系统能响应用户在终端上的控制，实现培育装置的远程控制。

实施例3

本实施例能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，在实施例1的基础上，所述细胞培养箱内设有支架装置，所述支架装置包括底板24，设置在所述底板上的中心立板，所述中心立板将细胞培养箱内分隔为左、右两部分，所述中心立板上安装有用于支撑细胞培养瓶的细胞培养瓶支撑件、用于支撑储液瓶的储液瓶支撑件23、用于支撑所述图像采集装置的图像采集支撑件以及用于支撑细胞培养液驱动泵的细胞培养液驱动泵支撑件。

本实施例中，所述的细胞培养瓶支撑件、输液瓶支撑件均由支板和活动孔板组成，所述支板安装在所述中心立板上，所述活动孔板和所述支板通过活页连接，其中细胞培养瓶支撑件的支板上设有震荡电机，所述的震荡电机的动力输出端与所述活动孔板接触，所述的活动孔板通过震荡电机的驱动以实现活动孔板定量起伏。

本实施例中，细胞培养箱负责细胞培养环境建立，中心支架用于支撑细胞培养系统与细胞自动培养效果监测系统。细胞培养箱与中心支架间采用活动导轨，方便中心支架进出培养箱。

中心支架的功能是为其它系统提供支撑，其主要由中间立板、培养瓶支撑、备份瓶支撑、蠕动组件支撑、图像采集系统22支撑以及试剂瓶支撑等部分组成。

培养瓶支撑由活动孔板、振荡电机27、支板28、培养瓶固定座与活叶组成，活动孔板29与中间立板之间通过活叶联接，确保孔板能自由转动。支板固定于中间立板相应位置，振荡电机安装于支板上。

振荡电机通过活动部件与孔板联接，实现两块孔板定距起伏，达到模拟手动晃动细胞培养瓶，均匀细胞悬液的目标。

蠕动泵支撑为细胞培养体系提供安装界面，主要由安装板和水平板组成。蠕动泵阵列21安装于水平板上，安装板实现与中间立板联接。

细胞自动培养效果监测系统拟主要通过细胞样本图像实时监控为手段，全程记录自动培养的细胞样本生长情况，为实验人员评估细胞样本状态提供依据。本设备中拟配置4套图像记录设备，形成图像记录设备阵列，分别记录转染培养细胞培养瓶和3个扩增培养瓶细胞生长情况。

实施例4

本实施例能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，所述细胞培养瓶包括转染瓶，若干扩增瓶，分前区和后区两部分，前区为改造细胞的转染培养区，配两台细胞培养液驱动泵，一台负责细胞在改造培养过程中，添加转染用细胞培养液，另一台泵负责扩增培养前移除转染用细胞培养液。后区为扩增培养区，拟包括3个培养瓶，每个培养瓶配置2台试剂输送泵，一台泵负责向细胞培养瓶中扩增接种细胞，另一台泵负责在细胞扩增培养期间向细胞培养瓶中添加培养液。

细胞自动培养环境控制体系的功能是在总控制系统的调控下，控制细胞培养需求的环境条件，自主调节细胞培养区的温度维持在36.5℃±0.5℃范围、湿度大于85％、CO 2浓度在5％±0.5％范围，并根据实验需求自动实现细胞培养区域消毒。

实施例5

本实施例能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，在实施例3的基础上，所述活动孔板上设有培养瓶固定座，所述培养瓶固定座的形状与培养瓶放置在活动孔板上时与活动孔板接触面的形状相适配以固定所述培养瓶。

上述各实施例中，为了方便支架装置进、出细胞培养箱，所述支架装置通过两副滚柱交叉导轨副设置在所述细胞培养箱内，各滚柱交叉导轨副包括：安装于细胞箱侧壁的下导轨和安装于的底板上的上导轨，所述下导轨上设有滚子保持器。

上述各实施例中，所述培养箱内设有紫外线灯、二氧化碳气瓶、二氧化碳传感器，所述的紫外线灯、二氧化碳气瓶、二氧化碳传感器分别与所述的控制器连接。

上述各实施例中，控制器的基本功能要求如下：

(1)实现细胞培养箱工作的温度和二氧化碳浓度设定；

(2)控制细胞培养箱内紫外灯定时开关；

(3)控制细胞培养箱内的图像采集系统按要求进行图像细胞采集，包括照明灯开启、关闭控制；图像采集设备启动、停止控制；图像采集、传输与存储等；

(4)控制细胞培养传代流程，能独立设置不小于12台多通道蠕动泵的工作顺序、工作时间和工作时长等工作参数，并独立控制上述蠕动泵；能独立控制2台扰动用直线电机工作时间和工作时长，并独立控制上述扰动用直线电机；

(5)控制实验流程，能启动、暂停、停止设备；

(6)控制系统可在本地和远程终端用户控制下，并将环境参数和视频信息通过网络接口传输到上述终端；

(7)控制终端显示设备工作状态参数，包括：细胞培养箱温湿度、二氧化碳浓度；紫外灯工作状态和倒计时工作时间；设备加热状态、充气状态；设备正常、异常工作状态声光报警显示；

(8)控制终端能设置和显示细胞培养实验信息，包括：实验名称设置与显示、北京时间、实验累计时长、实验进度条、细胞样本显微图像、蠕动泵数量及工作状态、实验结束时的声光提醒。

本发明工作模式为：从病人体内采集足量的T细胞后，将细胞与培养液一起加入到转染细胞培养瓶中，在试剂存贮瓶中加入目标试剂。按要求将泵、培养瓶与试剂的存贮瓶联接好，并检查各管路走向是否正确。根据需求设定细胞培养参数后，按输入界面的启动键后，设备进入自动工作模式，设备细胞培养区域温度为36.5℃±0.5℃，二氧化碳浓度为5％±0.5％，湿度大于85％。细胞培养过程中，可通过本地设备显示系统或远程监控系统实时监测与了解细胞培养参数、进程以及细胞培养质量。细胞培养流程结束后，设备将用声、光的形式提示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，其特征在于，包括：细胞培养箱与所述细胞培养箱的控制器通过有线或无线方式连接的远程控制终端，所述细胞培养箱内设有细胞培养瓶、储液瓶、用于对细胞培养箱内的环境参数进行调整的环境设置组件，用于采集细胞培养瓶内细胞生长状况的图像采集装置、所述的细胞培养瓶和储液瓶通过若干输液管连通，在所述输液管上分别设有细胞培养液驱动泵，所述的环境设置组件、细胞培养液驱动泵、图像采集装置分别连接的控制器，各培养瓶分别对应一个图像采集装置，所述细胞培养箱的外壳上设有用于显示细胞生长状况的显示屏以及与所述控制器连接的按键；

所述控制器根据远程控制终端或本地按键输出的控制指令控制环境设置组件的工作状态，所述输液泵的开启、关闭，以及控制所述图像采集装置工作状态；

所述图像采集装置，用于获取各培养瓶内细胞的实时生长状况图像，并输出该实时生长状况图像至控制器，所述控制器根据远程终端的请求或以预定时间间隔输出输出所述实时生长状况图像至远程终端，所述控制器根据用户按键请求或以预定时间间隔输出输出所述实时生长状况图像至本地显示屏显示；

所述控制器以预定时间间隔采集细胞培养箱当前工作环境参数，并输出该当前工作环境参数至本地显示屏和远程终端；

所述远程终端根据获取的细胞实时生长状况图像以及细胞培养箱当前工作环境参数输出相应的控制指令至控制器，所述控制器根据所述的控制指令控制所述的环境设置组件、输液泵、图像采集装置的工作状态。

2.根据权利要求1所述的能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，其特征在于，所述图像采集装置包括调焦电动平台，设置在所述调焦电动平台上的相机组件，设置在所述相机组件镜头前的物镜组件以及激光测距装置；其中，在图像采集装置采集培养瓶图像时，首先通过激光测距装置测量相机组件距离培养瓶的距离，然后通过调焦电动平台调节焦距，最后图像采集装置采集培养瓶的图像，并输出至控制器。

3.根据权利要求2所述的能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，其特征在于，所述图像采集装置的物镜可替换，镜头可选配×4，×10，×20，×40，×60五个放大倍率。

4.根据权利要求2所述的能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，其特征在于，所述细胞培养箱内设有支架装置，所述支架装置包括底板，设置在所述底板上的中心立板，所述中心立板将细胞培养箱内分隔为左、右两部分，所述中心立板上安装有用于支撑细胞培养瓶的细胞培养瓶支撑件、用于支撑储液瓶的储液瓶支撑件、用于支撑所述图像采集装置的图像采集支撑件以及用于支撑细胞培养液驱动泵的细胞培养液驱动泵支撑件。

5.根据权利要求3所述的能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，其特征在于，所述的细胞培养瓶支撑件、输液瓶支撑件均由支板和活动孔板组成，所述支板安装在所述中心立板上，所述活动孔板和所述支板通过活页连接，其中细胞培养瓶支撑件的支板上设有震荡电机，所述的震荡电机的动力输出端与所述活动孔板接触，所述的活动孔板通过震荡电机的驱动以实现活动孔板定量起伏。

6.根据权利要求3所述的能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，其特征在于，所述支架装置通过两副滚柱交叉导轨副设置在所述细胞培养箱内，各滚柱交叉导轨副包括：安装于细胞箱侧壁的下导轨和安装于的底板上的上导轨，所述下导轨上设有滚子保持器。

7.根据权利要求1所述的能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，其特征在于，所述活动孔板上设有培养瓶固定座，所述培养瓶固定座的形状与培养瓶放置在活动孔板上时与活动孔板接触面的形状相适配以固定所述培养瓶。

8.根据权利要求3所述的能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，其特征在于，所述细胞培养瓶包括转染瓶，若干扩增瓶，各转染瓶配分别两台细胞培养液驱动泵，一台负责细胞在改造培养过程中，添加转染用细胞培养液，另一台泵负责扩增培养前移除转染用细胞培养液；各扩增瓶分别配置两台细胞培养液驱动泵，一台负责向细胞培养瓶中扩增接种细胞，另一台泵负责在细胞扩增培养期间向扩增瓶中添加培养液。

9.根据权利要求3所述的能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，其特征在于，所述细胞培养液驱动泵为蠕动泵。

10.根据权利要求3所述的能实现能实时地线监测和远程监控的细胞培养系统，其特征在于，所述输液管为内径为2mm，壁厚为1mm的硅胶管。