CN108018208A

CN108018208A - 一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统

Info

Publication number: CN108018208A
Application number: CN201711090699.5A
Authority: CN
Inventors: 欧阳宏伟; 张靖微; 赵坤
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2017-11-08
Publication date: 2018-05-11

Abstract

本发明提供了一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，包括固持模块、细胞增殖模块、储液模块和弃液模块。其中细胞增殖模块可单个使用或多个集成使用。该系统可作为一种新型生物反应器，在该系统内可进行细胞的增殖培养，并使营养液和生长因子持续保持在适当的水平，同时及时去除代谢废物。该系统可在无源条件下，进行目标细胞的高效培养和增殖。该系统结构设计简洁、体积小巧，自动化，操作简便，成本降低且可个体化和批量化同步进行使用，适合于各种干细胞样本的快速增殖，并可广泛的应用于临床生物治疗及干细胞移植。

Description

一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统

技术领域

本发明属于生物技术技术领域，具体而言，涉及一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统。

背景技术

干细胞数量和质量是确保再生医学疗效的关键。目前有关小规模干细胞扩增和分化调控研究报道很多,加拿大STEMCELL Tech公司开发了多种实验级干细胞培养基，但针对各种特定类型的干细胞(如贴壁培养的间充质干细胞和悬浮培养的造血干细胞)仍缺乏比较精准的规模化有效扩增体系。目前干细胞培养的主要问题是缺乏适合干细胞生长和功能维持的微环境,例如单层或多层平面基底或者球形的微载体(如GE公司的Cytodex系列)，其基本材料成分单一，与体内干细胞微环境相距甚远。因此,为提高干细胞扩增和移植的精准可控性，需要针对不同类型干细胞(如临床转化最现实活跃的间充质干细胞MSC、造血干细胞HSC、神经干细胞NSC等)及其特定用途，研发以干细胞类型和用途为导向的规模化扩增体系和检测指标。

目前小规模干细胞扩增和分化调控研究报道很多，已有一些微载体培养,培养基和检测标准研究。但针对不同类型的干细胞培养用于组织的修复,欠缺功能稳定和安全可靠的规模化干细胞扩增系统。然而，目前临床机构进行干细胞培养扩增仍然采用常规实验室的设备，并一直采用手工操作方式，极易造成培养基的污染，而且手工操作不精确、效率低、耗时耗力，很明显的影响了干细胞体外扩增的应用。与此同时，虽然国内外正在开发利用新型生物反应器(如灌流型、旋转臂型)。然而，这些装置都需要配备运行系统如蠕动泵、微电机等，操作不方便。而且增加了运营成本，不利于大量的临床推广应用。

发明内容

本发明提供一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，该系统设计简单、体积小巧，能够实现无动力和自动化运行，操作简单，成本降低，适合于各种细胞样本的快速增殖，并可广泛应用于临床生物治疗及干细胞移植。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，包括固持模块、细胞增殖模块、储液模块和弃液模块；其中细胞增殖模块包括至少一个细胞增殖装置；所述固持模块用于安装或放置细胞增殖模块、储液模块和弃液模块；所述储液模块包括储液腔和通气阀；所述细胞增殖模块包括细胞培养腔，细胞培养腔内填充微球载体，微球载体上方布置隔离层，细胞培养腔的口部以密封盖封合；所述弃液模块包括弃液回收腔；所述储液腔和细胞培养腔之间、细胞培养腔和弃液回收腔之间通过导液管连接。

进一步地，所述固持模块包含固持底座，固持底座上设有固持支架，储液腔通过第一固持夹固定安装在固持支架上，细胞培养腔通过第二固持夹固定安装在固持支架上，弃液回收腔置于固持底座上。所述固持模块的材料选自金属、高分子聚合物。

进一步地，所述储液腔内装有细胞培养液，细胞培养液的量为100-1000ml/细胞增装置，所述通气阀用以接通外界大气和储液腔，保证细胞培养液能够顺利流出储液腔，储液腔上通过第一接口连接第一导液管，第一导液管的另一端通过第二接口连接细胞增值腔，第一导液管上设有第一流速调节器。

进一步地，单个细胞培养腔的容积为100ml；所述细胞培养腔的口部通过第三接口连接第二导液管，第二导液管穿过隔离层伸入微球载体内，第二导液管的另一端通过第四接口连接弃液培养腔，第二导液管上设有第二流速调节器。

进一步地，所述微球载体的球粒径大小为100μm–2mm，所述微球载体材质选自高分子聚合物、水凝胶、陶瓷、金属、玻璃、硅石中的一种或多种。

进一步地，所述弃液回收腔能够容纳的液体体积是100-1000ml/细胞增殖装置。

进一步地，所述第一导液管和第二导液管材质选自聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯塑料中的一种或多种。

进一步地，所述储液腔、弃液回收腔和细胞培养腔材质采用无菌的高分子聚合物材料，包括聚二甲基硅氧烷PDMS、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯PC、聚丙烯酸甲酯PMMA、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基戊烯、聚苯乙烯和尼龙。

进一步地，所述第一流速调节器和第二流速调节器所调节的液体流速范围为每分钟1-3000μL。

在某些实施方式中，所述干细胞增殖系统使用方式为垂直使用，在垂直使用的布置中，储液模块位于最高位，细胞增殖模块位于中部，弃液回收模块位于下部，在这样的结构下，储液模块中的细胞培养液可以在重力作用下直接流入细胞增殖模块中。

在某些实施方式中，所述干细胞增殖系统采用水平的方式使用，在水平使用的布置中，储液模块位于其中一侧，细胞增殖模块位于中部，弃液回收模块位于另外一侧，在这种布置下，系统需要配设一个从储液模块中吸取细胞培养液的动力装置。

在某些实施方式中，所述固持模块可固持一个或多个干细胞增殖模块。

在某些实施方式中，本发明中所使用到的接口可为直接与导液管相连的插接式的圆形接口，亦可为可旋转的螺纹接口。

本发明提供的一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统对于现有技术的有益效果是：

批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，是生命科学、医学及检验学、生物医学处理方法研究的重要技术平台。具有简单、价廉、自动化等特点。该干细胞增殖系统拥有巨大的市场化前景。

批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统可以在一个固持模块上实现多个数量的干细胞同时培养，有效的简化了系统设计，避免了由于常规培养时间不同造成的不准确性等问题。

此外，上述批量化和个体化干细胞增殖系统与现有技术相比，还具有如下优点：

(1)可以用无源的操作系统(也可有源，如蠕动泵)，操作简便、成本降低；

(2)能够自动进行培养液的更换，并能有效的保持营养液和生长因子持续保持在适当的水平，同时可有效去除代谢废物。

(3)可细胞的接种、培养、生长在一个封闭的可移动系统中，可避免常规人工换液可能导致的污染问题，同时培养相同数量的干细胞可有效节省培养液；

(4)可改变微球载体的数量及大小来获得相应的干细胞数，准确度高。

(5)批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统结构设计简洁、体积小巧，方便移动和运输，而且不需要专业人员操作，操作简便，成本降低。

(6)本发明专利批量化和个体化兼顾，新的设施和现有仪器兼顾，可对干细胞进行集体供液，集体收集，大大减少了干细胞培养成本，可有效提高干细胞获得率。

综上所述，本发明针对现有技术存在的问题，建立了一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统。该系统在临床生物治疗及干细胞移植等方面具有较好的应用前景。

附图说明

应当理解的是，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1提供一种个体化的自动化干细胞增殖系统的结构示意图。

图2为本发明的细胞增殖模块的示意图。

图3提供一种批量化的自动化干细胞增殖系统的结构示意图(竖向布置)。

图4提供一种批量化的自动化干细胞增殖系统的结构示意图(横向布置)。

附图标号说明：

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例均在附图中示出，并自始至终采用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了更好地理解本发明，下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，细胞培养腔1-6-1、储液腔1-2-1和弃液回收腔1-7-1所使用的材质可为聚苯乙烯，但不局限于聚苯乙烯，还可为PDMS，还可为玻璃，还可为PMMA或其他生物相容性高分子聚合物材料均为本专利所保护范围。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1。

参见图图2。

实施例1提供一种用于细胞增殖系统的细胞增殖装置1-6，如图2所示，该细胞增殖装置1-6包括细胞培养腔1-6-1，细胞培养腔1-6-1内放置微球载体1-6-2，微球载体1-6-2的球粒径大小为100μm–2mm，所述微球载体材质选自高分子聚合物、水凝胶、陶瓷、金属、玻璃、硅石中的一种或多种，当然微球载体的材料也可以采用其他高分子聚合物，前提是该高分子聚合物的稳定性较高，极少与细胞培养液中的化合物及细胞内的生物质发生反应，从而确保细胞培养的稳定性。

在微球载体所填充的空间内可以被注入细胞培养液，用于细胞增殖，在微球载体上方接近细胞培养腔1-6-1的口部的位置上，设置有隔离层1-6-3，对培养空间进行隔离。

在细胞培养腔1-6-1的口部设置封口盖，一方面加强密闭性，另一方面封口盖上可以设置接头，便于导液管的接入。

实施例2。

参照附图1。

如图1所示，实施例2提供一种个体化的自动化细胞增殖系统，包括固持模块1-1、细胞增殖模块1-6、储液模块1-2和弃液模块1-7。

所述固持模块1-1包括第一固持夹1-1-1、第二固持夹1-1-2和固持底座1-1-3；所述储液模块1-2包括储液腔1-2-1，储液腔1-2-1的出口处设有通气阀1-2-2，通气阀1-2-2的作用是将储液腔1-2-1的内部与便于储液腔1-2-1内的；在本实施例中细胞增殖模块包括一个如实施例1所示的细胞增殖装置1-6，所述弃液模块1-7包括弃液回收腔1-7-1。

在本实施例中，各个模块的腔室之间通过导液管1-4和接口1-3连通，导液管1-4分为用于进液的第一导液管1-4-1和用于出液的第二导液管1-4-2，通过虹吸作用可以将弃液吸出。例如，储液腔1-2-1的出口处通过第一接口1-3-1连接第一导液管1-4-1，第一导液管1-4-1的另一端通过第二接口1-3-2连接至细胞培养腔，伸入到细胞培养腔1-6-1中，并穿过隔离层1-6-3伸入到微球载体1-6-2所在区域内，细胞增殖装置1-6的口部通过第三接口1-3-3连接第二导液管1-4-2，第二导液管1-4-2的另一端通过第四接口1-3-4连接至弃液回收腔1-7-1，形成一个细胞培养液的通路。

为了更好地控制细胞培养过程，导液管1-4上可以设置流速调节器1-5控制细胞培养液的流速，具体来说，流速调节器1-5包括设置在第一导液管1-4-1上的第一流速调节器1-5-1和设置在第二导液管1-4-2上的第二流速调节器1-5-2，也就是说，注液过程的液体流速和弃液过程的液体流速能够独立调节。

在本实施例中，所述储液模块1-2和细胞增殖模块1-6及弃液模块1-7自上而下依次连接，因此，在本实施例中，储液模块1-2中的细胞培养液可以在重力作用下自动流入细胞增殖模块中，不需要外部动力设备。固持模块1-1作为系统的整体支撑，其中，储液模块1-2中的储液腔1-2-1通过第一固持夹1-1-1安装在固持模块1-1中的固持支架上，细胞增殖模块1-6中的细胞培养腔1-6-1通过第二固持夹1-1-2安装在固持支架上，弃液模块1-7中的弃液回收腔1-7-1放置在固持模块1-1的固持底座1-1-3上。

上述，所述固持模块1-1的整体高度为20-50cm，宽度12-30cm；所述接口1-3口径为1-5mm；所述导液管1-4长度范围范围20-50cm。

实施例3，参照附图3。

本实施例提供了一种批量化的自动化细胞增殖系统，如图3所示，本实施例中的批量化的细胞增殖系统以个体化的细胞增殖系统为基础，通过一个储液模块和一个弃液模块上并联多个细胞增殖装置的形式来实现，具体来说，导液管1-4中负责进液的第一导液管1-4-1具有多个进液分支，这些进液分支分别伸入细胞增殖模块中的各个细胞培养腔1-6-1内，导液管1-4中负责回收的第二导液管1-4-2也具有多个出液分支，这些出液分支分别连接各个细胞培养腔1-6-1的封口处，进行废弃细胞培养液的收集。

本实施例的其他实施方式与实施例2相同。

实施例4，参照附图3。

本实施例同样提供了一种批量化的自动化细胞增殖系统，本实施例与实施例3中的批量化系统的不同之处在于，本实施例整体上呈横向布置，这主要是为了适用于纵向高度不够不方便竖向布置的情况，在这种布置方式下，储液模块1-1布置在一侧，细胞增殖模块1-3布置在中间，弃液模块1-7布置在细胞增殖模块1-3的下方或另一侧，由于储液模块1-1中的细胞培养液不能够直接流入细胞增殖模块1-1中，因此需要在储液模块1-1和细胞增殖模块1-3之间添加动力装置1-8。

本实施例的其他实施方式与实施例3相同。

实施例5，本实施例提供一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统具体应用方法，即应用上述实施例2-4中的任一个系统进行干细胞优化增殖。

具体操作步骤如下：

1、微球载体的添加

①在生物安全柜内，选取尺寸大小为100-1000μm的无菌微球

载体放置于细胞增殖模块中。

②按需求接种一定数量的干细胞至微球载体上

2、使用

①将配制好的细胞培养基放置于储液模块。

②打开流速调节器1和2，使培养液充满整个细胞增殖模块。

③调节流速到适合的范围，如10-50μL/min，让细胞培养基动态更换。

④将整个系统移至于含二氧化碳(5％)培养箱中培养即可。

⑤按照实验所需进行细胞单一或批量收集。

上述，可以理解的是，批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，可高效对干细胞样本进行扩增，具有简单、廉价、灵敏、自动化等特点，拥有巨大的市场化前景。

可以理解的是，批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统结构可以固持1个亦可平行固持多个细胞增殖模块，即可通过导液管平行组建多个肝细胞增殖模块，并共享1个或多个弃液模块批量化增殖干细胞

可以理解的是，批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统同样可以配备动力支持系统(如数字化电脑操控、单片机操作、蠕动泵运转等)。除基层医疗单位可应用外，条件允许的情况下，同样可在专业实验室进行操作。

需要理解的是，本专利选取干细胞进行扩增，可在微球载体优化条件下高效扩增干细胞，对临床干细胞生物治疗及细胞移植具有积极地意义。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，其特征在于：包括固持模块、细胞增殖模块、储液模块和弃液模块；其中细胞增殖模块包括至少一个细胞增殖装置；所述固持模块用于安装或放置细胞增殖模块、储液模块和弃液模块；所述储液模块包括储液腔和通气阀；所述细胞增殖模块包括细胞培养腔，细胞培养腔内填充微球载体，微球载体上方布置隔离层，细胞培养腔的口部以密封盖封合；所述弃液模块包括弃液回收腔；所述储液腔和细胞培养腔之间、细胞培养腔和弃液回收腔之间通过导液管连接。

2.如权利要求1所述的一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，其特征在于：所述固持模块包含固持底座，固持底座上设有固持支架，储液腔通过第一固持夹固定安装在固持支架上，细胞培养腔通过第二固持夹固定安装在固持支架上，弃液回收腔置于固持底座上，所述固持模块的材料选自金属、高分子聚合物。

3.如权利要求1所述的一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，其特征在于：所述储液腔内装有细胞培养液，细胞培养液的量为100-1000ml/细胞增装置，所述通气阀用以接通外界大气和储液腔，保证细胞培养液能够顺利流出储液腔，储液腔上通过第一接口连接第一导液管，第一导液管的另一端通过第二接口连接细胞增值腔，第一导液管上设有第一流速调节器。

4.如权利要求1所述的一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，其特征在于：单个细胞培养腔的容积为100ml；所述细胞培养腔的口部通过第三接口连接第二导液管，第二导液管穿过隔离层伸入微球载体内，第二导液管的另一端通过第四接口连接弃液培养腔，第二导液管上设有第二流速调节器。

5.如权利要求4所述的一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，其特征在于：所述微球载体的球粒径大小为100μm – 2mm，所述微球载体材质选自高分子聚合物、水凝胶、陶瓷、金属、玻璃、硅石中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，其特征在于：所述弃液回收腔能够容纳的液体体积是100-1000ml/细胞增殖装置。

7.如权利要求1所述的一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，其特征在于：所述第一导液管和第二导液管材质选自聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯塑料中的一种或多种。

8.如权利要求1所述的一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，其特征在于：所述储液腔、弃液回收腔和细胞培养腔材质采用无菌的高分子聚合物材料，包括聚二甲基硅氧烷PDMS、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯PC、聚丙烯酸甲酯PMMA、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基戊烯、聚苯乙烯和尼龙。

9.如权利要求4所述的一种批量化和个体化兼备的自动化干细胞增殖系统，其特征在于：所述第一流速调节器和第二流速调节器所调节的液体流速范围为每分钟1-3000 μL。