CN108369167B - 用于测试抗弯曲疲劳性的方法及其相关联的系统 - Google Patents

用于测试抗弯曲疲劳性的方法及其相关联的系统 Download PDF

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Abstract

本文公开了用于快速测试用于制造生物处理袋的膜的方法及系统。本文所述的方法允许确定抗弯曲疲劳性，同时在其置于例如图1中所示的摇摆平台上时，模拟由膜制成的生物处理袋在生物处理中的实际状态，如，弯曲和随后疲劳以及失效。

Description

用于测试抗弯曲疲劳性的方法及其相关联的系统
相关申请的交叉引用
本申请请求享有2015年10月16日提交的题为"Flexural Fatigue Testing forBioreactor Films"的美国临时申请第62/242343号的权益，该临时申请通过引用以其整体并入本文中。
技术领域
本公开案大体上涉及一种用于测试生物处理膜的抗弯曲疲劳性的改进方法。
背景技术
生物制药处理和细胞疗法的领域在其整个工作流中采用单次使用的闭合系统来增强无菌性、最小化废物洗涤流出物，以及相比于传统不锈钢生物反应器允许制造灵活性。使用中的一种典型的单次使用的技术是使用摇摆运动的生物反应器，如，WAVEbioreactorTM。摇摆生物反应器大体上包括安装在托盘上的配备有端口和传感器的袋，以及用于控制温度、搅拌和介质灌注的控制系统。生物反应器的摇摆运动有助于在细胞培养期间混合袋的内容物。
用于摇摆生物反应器的细胞培养袋通过密封平聚合物膜产生，且袋平放储存，直到使用。袋在填充液体生长介质时膨胀，且在细胞培养期间吹气。填充介质和气体的由聚合物膜制成的膨胀袋通常形成可在摇摆运动下移动的折缝和/或凹痕。在一段时间内，由于生物反应器的摇摆运动引起的循环应力的连续施加可能与填充介质的袋的膨胀而产生的体积应变和各个摇摆循环期间反向的液体的运动组合而可导致用于制造袋的聚合物膜的弯曲疲劳。
在小规模细胞培养情况下，大体上，细胞培养袋填充有较小体积的介质，且袋经历不太极端的摇摆搅动。低体积和/或低速率的搅动导致了细胞培养袋的变形，但变形大体上不会导致弯曲疲劳和/或袋疲劳。然而，用于摇摆生物反应器的细胞培养袋中的变形可在袋在极端条件下使用时导致弯曲疲劳失效，如，使用大介质体积(例如，25升或更多)、由生物反应器的摇摆运动生成的高速搅动，和/或长培养时间(几十天)，或不当使用(例如，错误安装或充气不足)。弯曲疲劳可取决于许多因素引起用于摇摆生物反应器中的细胞培养袋的一定范围的失效(例如，变白、分层或开裂，接着是污染物的泄漏和/或进入)，因素包括袋的材料和容积、袋内的内部压力、生物反应器摇摆的角、生物反应器的摇摆速率，以及摇摆的持续时间。
目前可使用若干弯曲疲劳测试系统。然而，这些系统都不可有效地模拟用于摇摆生物反应器中的细胞培养袋上形成的折缝和/或凹痕，袋上的折缝和/或凹痕周围的几何形状，或在生物反应器的细胞培养和摇摆期间施加在填充介质的袋上的其它力。细胞培养袋或膜(用于此袋)通常使用"摇床(rocker)测试"来测试，其模拟膜/袋上的使用的摇摆生物反应器的状态，且测试基本上是用于摇摆生物反应器上的膜/袋的实时测试。然而，尽管摇床测试可在袋需要用于大规模细胞培养(例如，至少25L规模)的情况下在袋上生成折缝和/或凹痕，其中在高速率/角下连续摇摆较长持续时间(例如，大于一个月)，但用于弯曲疲劳测试的摇床测试是低产量、耗时、劳动强度大的方法，且如果使用了选择的时间阈值，则不一定使膜失效(例如，穿孔或破坏)。
因此，需要可允许通常用于生物反应器中的基于聚合物膜的袋的快速且可再现的弯曲疲劳的改进的系统和方法。抗疲劳聚合材料和/或由此制成的袋的识别是实现生物反应器过程中的稳健细胞培养的重要方面。
发明内容
本文提供了一种用于测试聚合物膜的抗弯曲疲劳性的改进的系统及方法。本文提供的系统和方法有效地模拟了用于摇摆生物反应器中的袋中的膜上形成的折缝和/或凹痕。本文所述的方法允许了相比于用于测试用于摇摆生物反应器的膜的抗弯曲疲劳性的当前使用的方法在缩短的时间内测量膜的抗弯曲疲劳性。
在一个实施例中，如图3中所示，提供了一种用于测试单层或多层聚合物膜的抗弯曲疲劳性的系统。该系统包括安装装置，以将一个或多个膜安装成折叠但无折缝的构型，且将预载张力提供至膜，安装装置包括定位在轴线A1(见图3)上的两个膜保持器；其中安装的膜中的折叠平行于轴线A1，且其中折叠的膜具有平行于折叠的一条轴线A2，以及平行于所述膜保持器的膜接触表面的第二轴线A3。该系统还包括定位在两个膜保持器之间且接触膜的折叠边缘的压头，压头与轴线A2和A3成角，且能够在由轴线A2和A3限定的平面中移动，以在安装的膜上产生具有深度或曲率半径或它们的组合的凹痕。系统还包括用于使至少一个膜保持器在设置的频率和设置的幅度下移动来在安装的膜上生成可再现的位移的装置；以及记录凹陷的膜对可再现的位移的抗弯曲疲劳性的记录装置。
在另一个实施例中，提供了一种用于测试单层或多层膜的抗弯曲疲劳性的方法。该方法包括(a)将折叠引入一个或一个以上的膜中；(b)安装折叠的膜，使得折叠的膜的一端由第一膜保持器保持，且折叠的膜的另一端由第二膜保持器保持，其中两个膜保持器定位在轴线A1上，膜中的折叠平行于A1，折叠的膜具有平行于折叠的一条轴线A2，以及平行于所述膜保持器的膜接触表面的第二轴线A3；(c)以压头接触膜的折叠边缘来产生安装的膜上的具有深度或曲率半径或它们的组合的凹陷；(d)振荡至少一个膜保持器来在步骤(c)的凹陷的膜上生成可再现的位移；以及(e)记录凹陷的膜对可再现的位移的抗弯曲疲劳性。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号表示附图各处相似的部分，在附图中：
图1示出了安装在用于确定摇床测试中的膜的弯曲疲劳的摇摆生物反应器平台上的基于聚合物膜的细胞培养袋。
图2A,2B和2C示出了经历摇床测试中的摇摆生物反应器平台上的摇摆的填充介质的基于聚合物膜的细胞培养袋上的凹痕形成的不同阶段。
图3为根据本发明的一个实施例的系统构造的示意图。
图4A-4C绘出了根据本发明的一个实施例的使用一个或多个膜上的压头来产生凹陷的规程的三个不同步骤。
图5A绘出了根据本发明的一个实施例的形成在安装于安装装置上的袋的前侧上的凹陷的图像。图5B绘出了根据本发明的一个实施例的形成在安装于安装装置上的袋的后侧上的凹陷的图像。
图6A-6C和图7A-7C是实际摇摆生物反应器袋来测试膜的比较。图6A-6C示出了在摇床平台上的极端条件下摇摆的实际50L摇床袋中的从变白到破裂或穿孔失效的失效逐步发展。图6A示出了如图1中所示的摇床测试中测试到的摇摆运动的50L细胞培养袋的一部分的膜的变白；图6B示出了如图6A中所示的相同的膜上的分层和/或裂纹形成；图6C示出了如图6A中所示的相同的膜的破裂。
图7A-7C示出了使用本文所述的方法测试的膜样本中从变白到破裂或穿孔失效的失效逐步发展。图7A示出了弯曲疲劳测试中的如图3中所示的系统上安装的膜的变白；图7B示出了如图7A中所示的膜上的分层和/或裂纹形成；以及图7C示出了根据本发明的一个实施例的如图7A中所示的膜的破裂。
图8为根据本发明的一个实施例的用于多个膜的同时测试的系统构造的前视图。
图9为示出根据本发明的一个实施例的使用图8的系统测试四个不同膜的结果的图示。
具体实施方式
摇摆生物反应器袋中遇到的一个挑战在于，在充有空气或填充介质时，原来平的生物反应器袋通常在使用期间形成折叠和折缝。这些变形(例如，折叠或折缝)往往在小体积和低搅动速率或时间下是不重要的，但可能在更极端的条件下导致弯曲疲劳失效，如，变白、分层和贯穿开裂。实际上，这些失效取决于许多因素，包括袋材料和容积、安装几何形状、袋充气程度、摇摆角和速率，以及培养持续时间，使得控制此性能的材料性质的系统性研究很难且耗时。
适用于摇摆生物反应器的膜材料的筛选目前通过"摇床测试"来实现，其中需要在高摇摆速率下的较大的液体体积和较长的连续运行来测试膜材料的失效。为此，本文提供了加速的测试方法来分析多层摇摆生物反应器膜的弯曲疲劳性能。本文所述的方法允许了膜批量的质量控制测试，且具有以快速且可再现的测试来比较不同膜成分的潜力，从而便于新膜的开发。
本文所述的方法模拟了袋中的弯曲，特别是摇摆平台上的袋，包括围绕膜的小样本中的摇摆生物反应器中的折叠或凹痕的局部几何形状，且循环样本(在增大的速率和更极端的局部几何形状下)来加速凹痕或折叠的部位处的弯曲疲劳。在一些情况下，本文所述的方法提供了使用小于十平方英寸的测试膜来提供将摇摆生物反应器平台(使用填充介质的生物反应器袋)上的几十天的膜失效加速到几小时的能力。
因此，在一个实施例中，用于测试膜的弯曲疲劳失效的本方法和系统提供了膜的快速预先筛选，这有助于在膜/袋经历时间漫长的摇床测试之前预先选择适合的膜来用于袋。
目前的新膜材料的筛选需要在50L的规模或更大下测试的摇摆生物反应器，这需要多个生物反应器来在高速率和/或角下运行至少30天。尽管该测试最代表摇摆生物反应器，但其在袋安装中易受人为影响，其产量低(连续运行超过30天的有限数目的摇摆生物反应器平台)，且仅到设置的阈值时间(例如，30天)时其不一定使膜失效(破裂或穿孔)。因此，尽管该测试作为任何新材料的验证而是必须的，但其不适于快速比较多个膜设计或批次。本文所述的方法模拟摇摆生物反应器中看到的循环折叠，但是具有1)较高的循环速率，2)更可再现的折叠(限制非对称来允许更一致的结果)，以及3)推动膜而更快失效的更极端的折叠几何形状。从统计观点看，有利的是，所有测试都达到失效是有利的，这是该方法的显著特征。
图1绘出了位于摇摆生物反应器100上的充气袋10的顶视图，其中一个或多个折缝形成在袋上。为了评估用于摇摆生物反应器中的基于聚合物膜的袋的性能，期望的是使用反应器中的袋之前测试基于聚合物膜的袋的抗弯曲疲劳性。在摇床测试中，折缝引入置于摇摆生物反应器上的填充介质的袋，且记录袋的抗弯曲疲劳性。在一些情况下，需要多个循环来实现失效。使用摇床测试的基于聚合物膜的袋的筛选需要袋填充至少25L的液体，且需要多个生物反应器在高摇床速度/角下运行设置的几天的周期，如，在9°角下25rpm。在示例性实施例中，50L摇摆生物反应器(25L有效介质体积)用于摇摆生物反应器中，以在静止和摇摆条件下量化折缝几何形状上的应力来理解膜应力。在类似于图1中所示的实施例中，由根据本文关于图3至9限定的预先限定的抗弯曲疲劳性测试来测试的聚合物膜制成的生物反应器袋10'可包括质量评估标记12'或其它标记，指出了相同的聚合物膜经历此质量评估。
图2A-C示出了生物反应器的摇摆运动期间填充介质的细胞培养袋的膜的折叠和展开。细胞培养袋的膜的折叠和展开生成折缝和/或凹痕，其在摇摆期间滚动、枢转和伸长，以生成袋的膜上的局部应力。然而，该摇床测试难以用作筛选不同的聚合物膜的工具，因为该测试耗时，且并非总是导致测试膜的失效(例如，破裂或穿孔)。因此，该测试不适用于快速比较多个膜的抗弯曲疲劳性，以便选择最佳的膜来用于制造生物处理袋。摇床测试也不允许由不同聚合物制成的生物处理袋的抗疲劳性的快速测试。
相比之下，本文提供的测试方法和系统能够再现用于膜的小样本中的摇摆生物反应器中使用的基于聚合物膜的袋中/上形成的折缝和/或凹痕周围的局部几何形状。本方法和系统模拟膜或袋的反复弯曲，如，折叠和展开，其通过使用具有高摇摆速率的摇摆生物反应器来生成膜上的折缝和/或凹痕。生物反应器的较高速率的摇摆和重复的摇摆循环确保了膜的较快失效。
在以下说明书和权利要求中，将参照一定数目的用语，它们应当限定为具有以下意义。
单数形式"一个"、"一种"和"该"包括复数对象，除非上下文清楚地另外指出。如本文所用，用语"或"不意味着是排他性的，并且指至少一个所提及的构件存在，并且包括其中可以存在所提及的构件的组合的情况，除非上下文另外明确指出。
如本文在说明书和权利要求各处使用的近似语言可用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下改变的任何数量表达。因此，由一个或多个用语如"大约"和"大致"修饰的值不限于指定的准确值。在一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。这里和说明书和权利要求各处，范围限制包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。
如本文使用的用语"深度"是指从由凹陷或折叠形成的谷的峰到同一谷的槽(在沿截面看时)测得的距离。例如，如图4C中所示，膜上的凹陷的深度(d)是指从形成的凹陷的峰42到膜的表面40的距离。
如本文使用的用语"曲率半径"是指作为圆、圆柱、椭圆柱等的一部分的曲线的曲率的倒数。对于曲线，曲率半径等于在该点最佳近似曲线的圆弧的半径。例如，凹陷的曲率半径意思是曲率半径等于形成在膜上的弯曲凹陷的半径。
本文所述的方法涉及在插入安装装置中之前将待测试的期望的膜件折叠成一半，且可选热密封其余侧中的一个、两个或所有三个。为了本发明的目的，"折叠"的膜与"折缝"的膜不同，其中折缝的膜在无任何机械刺激的情况下保持在折缝构造，而如果未机械地保持在折叠构型，折叠的膜往往展开且变平。开启或闭合，该测试样本称为"袋"。在一个实施例中，开启或闭合的袋可为多种尺寸，例如，从2.5cm x 5cm到大约20cm x 50cm的尺寸范围。袋然后安装在仪器中，其能够沿膜的长轴在样本上生成可再现的应力。图3示出了该装置的示意图，包括重复运动沿其施加的轴线A1，以及代表膜的最长轴线的平行轴线A2。在某些实施例中，袋的一侧保持在固定位置，其在测试期间不会移动。在这些实施例中，袋的另一侧由保持器牢固地保持，其中保持器可以以受控方式沿轴线A1的方向振荡。初始位置必须使膜安装成使得其在膜上的很小或没有负载的情况下大致伸长。可选地，为了有助于对准，膜可夹在竖直位置(即，轴线A1竖直)，其中第一保持器将膜装固到顶部处。重量然后可附接到底部，以引起膜竖直地悬挂，且底部夹具可装固到膜上且除去重量。
一方面，本文提供了一种测量多层生物处理膜中的抗弯曲疲劳性的系统，包括：抓住膜且提供预载压力的具有固定抓爪和移动抓爪的安装装置；产生待测试的深度和曲率半径的压头；用于在设置的频率和幅度下移动活动抓爪的装置，以及测量膜对引起的弯曲的响应的记录装置。
系统包括安装装置，其包括两个膜保持器、压头、用于移动至少一个膜保持器的装置；以及记录装置。安装装置用于以折叠构型安装一个或一个以上的膜。在一些实施例中，预载张力提供至膜。安装装置包括定位在轴线A1(图3)上的两个膜保持器；其中安装的膜中的折叠平行于轴线A1，且折叠的膜具有平行于折叠的一条轴线A2，以及平行于所述膜保持器的面的第二轴线A3。用于移动至少一个膜保持器的装置用于在设置的频率和设置的幅度下移动至少一个保持器，以用于至少大致沿轴线A1生成安装的膜上的可再现的位移。在装置的初始循环期间，压头定位在两个膜保持器之间且接触膜的折叠边缘，压头与轴线A2和A3成角，且能够在由轴线A2和A3限定的平面中移动，以在安装的膜上产生具有深度或曲率半径或它们的组合的凹痕。一旦在膜中形成期望的凹陷，就除去压头。系统的记录装置用于记录凹陷的膜对至少大致沿轴线A1的至少一个膜保持器的运动引起的可再现的位移的抗弯曲疲劳性。可再现的位移是指膜的边缘通过膜保持器的重复移动从其初始位置的转移或移动。膜保持器中的至少一个至少大致沿轴线A1以设置的频率和设置的幅度移动，其中轴线A1可竖直地、水平地或以任意角对准，以用于在安装的膜上生成可再现的位移。
安装装置用于安装一个或多个膜来测试膜的抗弯曲疲劳性。安装装置可包括用于在安装期间保持一个或多个膜的两个或多个膜保持器。在一些实施例中，安装装置包括两个膜保持器，其中保持器联接到框架上，框架附接到安装装置的底座上。在一些其它实施例中，一个膜保持器联接到安装装置的顶部上，且另一个膜保持器联接到安装装置的底座上。膜保持器沿轴线放置，分开一定距离。两个膜保持器之间的距离可根据用于测试抗弯曲疲劳性的膜的长度来调整。在一些实施例中，折叠的膜安装在安装装置中，其能够沿膜的长轴线，如，轴线A2，生成可再现的线性或循环位移(且因此应力)。膜保持器可包括但不限于夹具、夹、紧固件和粘合剂。在一个实施例中，安装装置包括用于安装膜的两个膜保持器。例如，图3的安装装置20包括第一膜保持器22和第二膜保持器24。安装装置的第一膜保持器和第二膜保持器定位在轴线A1上，与彼此间隔开一定距离。两个保持器之间的距离可取决于需要安装在安装装置上的膜的长度而变化。在一些其它实施例中，安装装置包括保持多个膜的两个以上的膜保持器。例如，如图8中所示，安装装置具有用于安装四个膜的八个膜保持器。在该安装装置中，各个膜均借助于两个模保持器安装，膜保持器定位在轴线上，与彼此分开一定距离。安装装置中的保持器定位成使得膜以平行布置安装在装置上(图8)。
凹陷通过使用凹陷装置(压头)在一侧上将压力施加到膜的中心上而产生。在一些实施例中，压头是角铁，但可为具有多种角的任何物品，或甚至圆柱形仪器，如管路或线。对于任何压头，曲率半径可改变，以便在膜上的凹陷中产生期望的差异。凹陷的深度可改变，以便测试膜多种膜类型。装置然后除去，且模保持器的振荡(例如，以正弦波形)在低频下执行，以确保凹陷保持在膜中的固定位置。如果凹陷中发生非对称，则该程序可重复来得到期望的可再现的凹陷。一旦凹陷示为在多次循环之后稳定，则振动频率可例如增大到0.1到100Hz。随着循环进行，凹痕/折叠的疲劳部分最终通过多种疲劳模式发展，其通常显示出变白、开裂且最终完全穿孔的失效。通常，破裂或穿孔失效在定期停止循环之后使用染料溶液检测，染料在凹陷(例如，图3中的38)的一个或两个顶点处印在袋的内侧上，同时针对染料溶液的穿透来测试膜的外侧(例如，以吸收性材料)。其它检测方法包括拍摄该过程的视频，以及使用白光或低功率激光与各种测量手段(包括光度计和偏振技术)组合。
在所有侧上完全密封的袋对于测试失效提供了附加的方式。在本例中，凹陷可形成在袋的前侧和后侧两者上(即，生成两个凹陷和四个顶点，替代上文的一个凹陷和两个顶点)。这不但提供了更可能失效的点，而且给予了以空气加压袋、或将染料着色或传导性水溶液引入袋中的机会。附加的失效模式然后可包括由水溶液引起的流体静压，且可更好模拟实际摇摆生物反应器袋中的失效模式。还存在可模拟各种失效模式的凹陷的变化。例如，由凹陷装置产生的两个折叠点不必是对称的，且甚至可能是单个折叠。这可部分地改变折叠处的应力量，且有助于加速测试和/或实现可再现性。
在一些实施例中，压头附接到台上。台的两端联接到存在于本系统的顶部和底部上的滑动通道上。压头定位在两个膜保持器之间，使得压头能够向前滑动来接触膜。在这些实施例中，压头能够沿垂直于膜的折叠边缘的平面(由图3中的轴线A2和A3限定的平面)的表面滑动。在一些实施例中，压头安装成使得压头可沿垂直于膜的折叠边缘的平面的表面移动，而不改变压头的定向。在一些实施例中，压头的滑移移动可手动地控制或通过使用基于计算机的程序来控制。在这些实施例中，系统联接到计算机上。计算机化的程序可预设成使得压头滑动穿过垂直于安装的膜的平面，且响应于从计算机发送的命令来接触膜。压头的反复移动也可通过设置计算机化的程序来控制。保持器的振荡也可由计算机调节。预设的基于计算机的程序生成不同的命令来控制振荡的频率。
在系统的一些实施例中，压头是角铁。大体上，角铁是成角的金属件，在金属棒沿其最长维度成角弯曲时形成。在一个或多个实施例中，压头是具有范围从大约0.5mm到大约20mm的直径或长轴的刚性圆柱、椭圆柱、半圆柱或半椭圆柱。角铁的角可在较宽范围内变化，如，从大约10°到大约170°。
在一个或多个实施例中，压头是包括范围从大约10°到大约170°的角的角铁。在一些实施例中，角铁具有范围从大约30°到大约150°的角。在一些其它实施例中，角铁具有范围从大约50°到大约120°的角。在一个或多个实施例中，角铁具有范围从大约70°到大约100°的角。在一个实施例中，角铁具有90°的角。
在一组实施例中，压头具有包括椭圆曲线或弧的轮廓，且具有曲率半径。任何压头的曲率半径都可改变，以便产生膜上的期望的凹陷。在一些实施例中，压头具有范围从0.1mm到大约10mm的曲率半径。在一些其它实施例中，压头的曲率半径可范围从大约0.5mm到大约8mm。在一些实施例中，压头的曲率半径可范围从大约1mm到大约5mm。
在一个或多个实施例中，压头是刚性圆柱或半圆柱，其具有范围从大约0.5mm到大约20mm的直径。在一些实施例中，压头的直径在大约1mm到大约15mm的范围。在一些其它实施例中，压头具有从大约5mm到大约10mm的范围的直径。
记录装置用于记录凹陷的膜的抗弯曲疲劳性，其中记录装置可包括相机、光学探测器和/或计算机。相机可用于采集膜的失效发展的不同步骤的图像，如，膜的变白、分层、穿孔或破裂。计算机可用于记录施加到膜上的应力水平和失效所需的时间，如，膜变为穿孔所需的时间。弯曲疲劳测试系统的结构的实施例在下文更详细描述，且在图3,4A-C,5A,5B和8中进一步示出。
图3示出了系统的一些实施例；其中系统18包括安装装置20。安装装置包括两个膜保持器，如，第一膜保持器22和第二膜保持器24。第一膜保持器22和第二膜保持器24定位在轴线A1上，与彼此间隔开一定距离。两个保持器之间的距离可取决于需要安装在系统上的膜的长度变化。
在一些实施例中，两个膜保持器之间的距离可在大约1cm到大约100cm的范围。在一些其它实施例中，两个膜保持器之间的距离可在大约2cm到大约50cm的范围中。在另一个实施例中，两个膜保持器之间的距离在大约3cm到大约6cm的范围中。在一个示例性实施例中，两个膜保持器之间的距离可为大约4cm。
针对抗弯曲疲劳性测试的膜以折叠构型安装在系统的安装装置中。安装的膜26(图3)中的折叠平行于轴线A1，其中折叠的膜具有平行于折叠的一条轴线A2，以及平行于所述膜保持器22和24的面的第二轴线A3。系统18还包括定位在两个膜保持器22和24之间的压头28。
压头28(图3)接触膜26的折叠边缘。压头28可为角铁，其具有范围从大约10°到大约170°的角。压头28与轴线A2和A3成角，且能够在由轴线A2和A3(图3)限定的平面中移动。压头产生安装的膜上的凹陷，其中图4A,4B和4C中示出了凹陷过程期间的压头位置。图4A-C绘出了凹陷的三个不同步骤；首先，使压头与安装的膜接触，第二，通过由压头在膜上施加最小压力来形成凹陷，同时在膜样本压缩时使压头穿过由轴线A2和A3限定的平面中的通路移动，且第三，在膜上形成凹陷之后使压头移离膜。装置30(图3)用于使至少一个膜保持器在设置的频率和设置的幅度下移动来在安装的膜上生成可再现的位移。此外，系统的记录装置32记录凹陷的膜对于可再现的位移的抗弯曲疲劳性。图5A和5B分别进一步示出了针对具有双凹陷(前和后)的实施例的穿过两个保持器安装的膜的前视图和后视图。
本文提供的系统还可用于测试多个膜的抗弯曲疲劳性。在一个实施例中，如图8中所示，系统允许同时测试四个膜。在图8中，50和52分别是系统的固定和活动的保持器。系统可通过添加用于保持多个膜的所需数目的保持器和运行系统的其它所需装置来扩展至测试一个以上的膜。在系统的一个实施例中，四个独立的折叠的膜可附接到顶排的小保持器(图8)上。重量可在膜的底部处在保持器下方附接到膜上，同时保持器开启，随后夹持。压头如角铁然后可相对于膜压制，同时保持器缓慢移动来形成膜上的凹痕。
在一个或多个实施例中，本文提供了一种用于测试单层或多层膜的抗弯曲疲劳性的方法。该方法包括(a)将折叠引入一个或多个膜中；(b)安装折叠的膜，使得折叠的膜的一端由第一膜保持器保持，且折叠的膜的另一端由第二膜保持器保持，其中两个膜保持器都定位在轴线A1上。膜中的折叠平行于A1，折叠的膜具有平行于折叠的一条轴线A2和平行于所述膜保持器的面的第二轴线A3。在步骤(b)中安装折叠的膜之后，该方法包括(c)使膜的折叠边缘与压头接触来在安装的膜上产生具有深度或曲率半径或它们的组合的凹陷。步骤(c)中的安装的膜上的凹陷后接步骤(d)，使至少一个膜保持器在凹陷的膜上生成可再现的位移；以及(e)记录凹陷的膜针对可再现的位移的抗弯曲疲劳性。
方法涉及步骤(a)，将折叠引入一个或一个以上的膜中，其中膜可在膜的不同部分中折叠。膜折叠，而没有折缝或收聚折叠，其中密封端在顶部处。在一些实施例中，引入一个或多个膜中的折叠可为线性折叠。在一些其它实施例中，引入一个或多个膜中的折叠可为非线性折叠。在一个实施例中，待测试的期望的膜可在插入安装装置之前折叠对半。在一些实施例中，膜可在一端、两端或所有三端处热密封。
在一些实施例中，膜折叠且密封来模拟用于生物反应器中的袋的结构。具有一端开启或两端开启的折叠的膜或具有三个闭合端的折叠的膜可指定为"袋"。在端部开启时，其可为"开启袋"的形状。当三端闭合时，其可为"闭合袋"的形状。在一些实施例中，膜为生物处理袋的一部分。在此实施例中的一些中，生物处理袋用于生物反应器中来用于细胞培养，其中生物处理袋置于生物反应器的摇摆平台上。
具有密封或开启端的折叠的膜可为多种尺寸。在一些实施例中，折叠的膜的尺寸在大约2.5cm x 5cm到大约20cm x 50cm的范围中。在一些实施例中，折叠的膜的尺寸在大约5cm x 10cm到大约20cm x 50cm的范围中。在一些实施例中，折叠的膜的尺寸在大约7.5cm x 15cm到大约20cm x 50cm的范围中。
在一些其它实施例中，安装的膜通过在膜上添加负载来进一步伸展。膜可在添加最小负载的情况下以大致伸展的形式来安装。安装的膜还可通过在膜上附接附加的负载来伸展。在一些实施例中，膜可安装在竖直位置，其中第一保持器在顶部处装固膜，负载附接到膜的底部上以引起膜竖直地悬挂且伸展到期望的程度。底部处的第二保持器然后保持伸展的膜，且除去负载。
在一些实施例中，压头接触安装的膜的折叠边缘，且产生膜上的凹陷。在一些实施例中，凹陷与轴线A2和A3成角，且能够在由轴线A2和A3限定的平面中移动。在一些实施例中，通过使压头以与轴线A2从大约0°到大约90°范围的角与安装的膜接触来形成凹陷。在一个实施例中，压头垂直于轴线A2且平行于轴线A3。图4A-C示出了90°的角铁，其用于形成安装的膜上的凹陷。各种形式的凹陷包括但不限于成角的、长方形、半圆柱形和椭圆截面。
在一些实施例中，该方法还包括使压头沿垂直于轴线A2且平行于轴线A3的方向移动。在这些实施例中，压头的移动方向与轴线A2成从大约10°到大约90°的范围的角，且平行于轴线A3。在一些其它实施例中，压头与轴线A2成从大约30°到大约90°范围的角且平行于轴线A3移动。在一些其它实施例中，压头与轴线A2成从大约60°到大约90°范围的角且平行于轴线A3移动。
图4A-C中示出了形成凹陷的压头的移动。在一些实施例中，该方法包括使压头沿垂直于膜的轴线A2且平行于轴线A3的方向移动压头。这导致了相对于折叠的对称凹陷。对称凹陷大体上比在没有压头的情况下形成的非对称的凹陷更可再现。在一些其它实施例中，压头沿平行于轴线A3的方向移动，且可取决于两个膜保持器移动或仅一个膜保持器移动而从垂直于轴线A2略微偏离。如所述，压头移动可手动地控制或通过使用计算机化的程序控制。计算机中的预设程序可运行来使压头滑动穿过垂直于安装的膜的平面，以接触膜边缘。压头的反复移动也可通过计算机化的程序来控制。膜保持器的移动也可通过计算机来控制。保持器通过使用由计算机运行的不同程序来振荡。在这些实施例中，压头的减小重复移动可加速测试过程。在仅一个膜保持器移动的实施例中，在期望的折缝或凹痕的位置的膜保持器之间的中点也可移动。膜上的期望的折缝形成的位置的移动可通过压头的运动来补偿。在一些其它实施例中，凹陷通过将压力施加在膜的中心上而形成。当两个膜保持器之间的距离减小且在膜上产生折缝时，压头可轻微地推入膜中。在压头是角铁的实施例中，压头置于折叠的膜上，使得垂直于膜的折叠边缘的平面应当平分角铁的90°角。角铁可安装在滑动台上，以便其能够沿垂直于膜的折叠边缘的平面的表面移动，而不改变其90°角的定向。图4A-C,5A和5B中示出了系统中的安装的膜的折缝的形成。
形成在安装的膜上的凹陷具有深度或曲率半径或它们的组合。由于不同的膜具有不同经受应力的能力来形成期望的凹陷，故将相同的应力施加到不同类型的膜上导致不同类型的凹陷。不同膜上的凹陷的形状和/或深度可为不同的。在一些实施例中，形成在膜上的凹陷的深度范围从大约5mm到大约500mm。在一些其它实施例中，形成在膜上的凹陷的深度范围从大约10mm到大约100mm。在一些其它实施例中，形成在膜上的凹陷的深度范围从大约10mm到大约50mm。在一些其它实施例中，形成在膜上的凹陷的深度范围从大约10mm到大约30mm。
形成在膜上的凹陷的曲率半径可在大约0.01mm到大约10mm的范围。在一些实施例中，形成在膜上的凹陷的曲率半径可在大约0.1mm到大约2mm的范围中。在一些其它实施例中，形成在膜上的凹陷的曲率半径可在大约0.5mm到大约1.5mm的范围中。在一些其它实施例中，形成在膜上的凹陷的曲率半径可在大约0.8mm到大约2mm的范围中。在一些其它实施例中，形成在膜上的凹陷的曲率半径可在大约1mm到大约2mm的范围中。
安装的膜上的凹陷的形成通过振荡至少一个膜保持器来在凹陷的膜上生成可再现的位移。压头然后除去，且至少一个保持器的正弦振荡在较低频率下完成，以进一步循环凹陷且模拟将使用膜和/或包括膜的袋的条件(例如，摇摆平台振荡)。振荡至少一个膜保持器的步骤可重复多个循环。振荡可通过由联接到系统上的计算机生成的计算机化的程序来调节。
在一些实施例中，振荡至少一个膜保持器的步骤重复2到50个循环，以确保凹陷的稳定性。凹陷的稳定性在本文中是指凹陷、折缝、折叠或凹痕的位置不会在弯曲疲劳测试的过程中变化。在一些其它实施例中，振动至少一个膜保持器的步骤重复4到20个循环来稳定凹陷。在一些其它实施例中，振动至少一个膜保持器的步骤重复6到10个循环来稳定凹陷。在一些实施例中，振动至少一个膜保持器的步骤重复4到8个循环来稳定凹陷。
在一些实施例中，膜的一端由第一膜保持器保持在固定位置，且在弯曲疲劳测试期间不会移动，而膜的另一端由可以以受控的方式沿轴线A1振荡的第二膜保持器牢固地保持。如果凹陷中发生非对称，则该方法可重复来得到膜中的期望的可再现凹陷。一旦凹陷在多次振荡循环之后稳定，则振荡的频率可增大到大约100Hz。
凹陷的膜中的可再现的位移可至少大致沿轴线A1(图3)产生。在一些实施例中，可再现的位移包括循环位移、线性位移、正弦位移或它们的组合。在一些实施例中，至少一个膜保持器沿轴线A1以正弦波形循环。在一些实施例中，该方法还包括使两个模保持器振荡来在凹陷的膜上生成可再现的位移。
在一些实施例中，至少一个膜保持器沿轴线A1以正弦波形在大约0.01Hz到大约100Hz范围的频率和大约10mm到大约100mm的范围的位移循环。一旦凹陷在多个振荡循环之后稳定，则至少一个保持器如第二保持器的振荡的频率可从大约0.1增大到大约100Hz。在一些实施例中，振荡的频率可在大约1到大约100Hz的范围中。在一些其它实施例中，振荡的频率可从大约1增大到大约30Hz。在一些其它实施例中，振荡频率可在大约1到大约10Hz的范围中。
在一些实施例中，至少一个膜保持器沿轴线A1以正弦波形循环，以生成范围从大约10mm到大约100mm的位移。在一些实施例中，位移可为大约10mm到50mm的范围。在一些其它实施例中，位移可为大约10mm到30mm的范围。在一些其它实施例中，位移可为大约15mm到30mm的范围。
在一些实施例中，至少一个膜保持器的振荡后接记录凹陷的膜对可再现的位移的抗弯曲疲劳性。膜的抗弯曲疲劳性的记录包括检测膜的失效，且然后记录生成膜上的穿孔或膜的破裂所需的时间。在一些实施例中，膜的失效通过视觉检查、截面透射或反射显微镜、平面透射显微镜、偏振光显微镜、电阻测量、激光光电检测、连续光电检测、染料渗透或其组合来检测膜的失效。在一个实施例中，膜的失效由染料穿透来检测。在染料穿透的方法中，可使用按重量为0.1%到5%的Allure Red AC染料在50%体积的乙醇水溶液中的溶液。膜的穿透可使用染料溶液检测，染料溶液印在膜上，其穿透穿孔，且可容易地在相对侧上检测到。
在一些实施例中，可间断地记录抗弯曲疲劳性。膜的疲劳程度可通过使用图像拍摄装置的间歇拍摄模式来记录。拍摄时间可使用计算机来与施加到膜上的应力同步。在一些实施例中，可连续地记录抗弯曲疲劳性。在该实施例中，疲劳状态可在弯曲疲劳测试期间在实时视频中采集。
在一些实施例中，本方法的步骤(d)(即，至少一个膜保持器的振荡)和本方法的步骤(e)(即，凹陷的膜对可再现的位移的抗弯曲疲劳性的记录)重复，直到观察到膜的失效。在一些实施例中，本方法的步骤(d)(即，至少一个模保持器的振荡)和本方法的步骤(e)(即，记录凹陷的膜对可再现的位移的抗弯曲疲劳性)重复1到5000000次循环来测量膜的弯曲耐久性。在一些其它实施例中，步骤地(d)(即，至少一个膜保持器的振荡)和步骤(e)(即，记录凹陷的膜的抗弯曲疲劳性)重复10到500000次循环来测量膜的弯曲耐久性。在一些其它实施例中，本方法的步骤(d)(即，至少一个模保持器的振荡)和本方法的步骤(e)(即，记录凹陷的膜的抗弯曲疲劳性)重复100到50000次循环来测量膜的弯曲耐久性。在一些其它实施例中，本方法的步骤(d)(即，至少一个模保持器的振荡)和本方法的步骤(e)(即，记录凹陷的膜的抗弯曲疲劳性)重复1000到20000次循环来测量膜的弯曲耐久性。
在一些实施例中，至少一个膜保持器的振荡(步骤d)导致膜的失效。一个或多个凹痕可由于凹陷和重复振荡在凹陷(例如，图3中的38)的顶点处形成在膜上。此外，一个或多个折缝可沿连接凹陷(例如，图3中的34)的两个顶点的线形成。如所述，至少一个膜保持器沿轴线A1以正弦波形循环，其中重复的循环形成膜中的弯曲疲劳。疲劳削弱凹痕或折缝的至少一些部分，这些部分会通过各种失效模式进行。膜的失效可包括膜的变白、膜的开裂、膜的分层、膜的穿孔、膜的破裂或它们的组合。图3中示出了影响最大且穿过失效模式的膜的部分(见图3的34和38)。
在一些实施例中，在三侧上密封的折叠的膜给予了针对膜/袋的弯曲疲劳失效的测试的附加方式。在这些实施例中，如图5A中所示，凹陷可形成在折叠的膜前侧处。如图5B中所示，凹陷还可形成在折叠的膜的后侧处。完全密封的折叠的膜的结构相比于开启端的折叠的膜提供了更可能的失效点。完全密封的折叠的膜可通过引入空起来加压。在一些实施例中，完全密封的折叠的膜可通过引入水溶液来加压。在这些实施例中，失效模式包括由水溶液引入的流体静压，且在用于摇摆生物反应器中的实际细胞培养袋中发生时，可较好地模拟失效模式。在检测到失效模式期间，有色染料溶液也可引入完全密封的折叠的膜中来允许容易检测膜的失效。
在使用三侧密封的折叠的膜的实施例中，密封和折叠的膜再现用于培养生物反应器中的细胞的袋的结构。用于测试抗弯曲疲劳性的具有密封边缘的折叠的膜可具有范围从大约10mL到大约1升的体积。在一些实施例中，用于测试抗弯曲疲劳性的具有密封边缘的折叠的膜可具有从大约20mL到大约500mL范围的体积。在一些其它实施例中，用于测试抗弯曲疲劳性的具有密封边缘的折叠的膜可具有从大约20mL到大约100mL的范围的体积。
用于测试膜的抗弯曲疲劳性的本方法和系统可用于各种聚合物膜的不同性能，以便针对单次使用的一次性(SUD)生物处理应用开发更稳健的设计。由于本文所述的系统和方法允许快速测试，故这些系统和方法可用于在通过使用摇摆生物反应器的摇床测试来测试膜之前在短时间内预先选择膜。多层膜(通常包含3到13层)通常用于生物制药处理和食品包装应用。使用本方法测试的膜样本可由多种聚合物制成，其可包括不同类型的线性聚烯烃、支化聚烯烃、环状聚烯烃或它们的组合。在一些实施例中，用于膜的聚合物可包括但不限于乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、乙烯乙烯醇(EVOH)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、含氟聚合物、聚烯烃、聚酯、聚烯烃酮、聚酯弹性体、热塑性聚氨酯、聚丙烯酸酯、共聚物、离聚物、导电聚合物或电绝缘聚合物。在一些实施例中，用于SUD应用的多层膜包括各种聚合物和连结层的组合。"连结层"大体上用于使材料与不相似的聚合物结构连结，该聚合物结构通常是待连结的聚合物的功能化版本。所有此类膜、包装材料和/或细胞培养袋的测试在本文所述的实施例的范围内构想出。
示例
示例1：单个膜的弯曲疲劳测试
样本制备：用于弯曲疲劳测试的膜的各个测试样本切成3.75cm x 17.5cm的片。生物处理袋的内侧表面由该膜制成，使得细胞与膜接触。膜沿膜的最长轴线折叠成一半，使得细胞接触层在折叠的内部上。折叠的膜的一侧然后使用脉冲热密封器在适用于该材料的设置下热封来闭合膜的一端。密封端称为'顶端'，且样本膜的相对的开启端称为'底端'。膜随后保持在其折叠构型，但并未沿折叠侧折缝。折叠的膜然后标记来确保膜适当定位在系统中。标记是垂直于折叠边缘的1/4''线，使用永久标记产生，在折叠边缘与开启(未折叠)边缘的中间。在折叠的膜(没有任何折缝)中，标记在从顶部到底部的1.25cm、6.25cm、7.5cm、8.75cm、10cm和15cm处产生。自粘材料条(例如，1.87cm x 3.75cm的管带)沿其底缘放在折叠的膜的外表面上，以增大用于将重量夹在膜上的表面摩擦。
安装样本膜：两个膜保持器(第一保持器在上端，且第二保持器在折叠的膜的下端)放置成使得它们竖直地对准，在两个保持器的最近边缘之间具有3.8cm的距离，且使得包括保持器的夹具是平行的。膜折叠，而不会折缝或收聚折叠，其中密封端在顶部处。保持器打开，且折叠的膜然后同时滑入上保持器和下保持器，其中1.3cm的密封端从第一保持器向上突出，且3.8cm的开启端从第二保持器向下突出。折叠的膜对准，使得折叠边缘与第一(顶部)和第二(底部)保持器竖直地对准。第一保持器然后围绕膜闭合。
2lb的负载在膜的管带覆盖区域上在第二保持器下方附接到膜的底部(未密封)边缘上。膜的底部处的第二保持器然后围绕膜闭合，且除去2lb的负载。
凹陷：具有大约1.5mm的曲率半径的金属角铁用于使膜凹陷。角铁定位在顶部保持器与底部保持器之间的3.8cm间隙的中点处，以便长边缘垂直于膜的折叠边缘。角铁安装在滑动台上，以便其能够沿垂直于A2的表面移动，而不改变其90°角的定向。
凹陷形成：为了形成折叠的膜上的凹陷，90°角铁向前滑动来接触膜。尽管保持器分离通过手动控制来减小，但角铁向前滑动来保持与膜接触。当角铁接触顶部和底部保持器时，其可能不再在进一步凹陷期间保持与膜接触。此时，顶部保持器与底部保持器之间的分离距离较慢地回到3.8cm的其原始分离距离，且角铁回到其原始位置，与膜连续接触。凹陷形成过程重复两次以上，其中角铁滑动来保持与膜接触。
保持器的振荡：除去角铁，且使保持器分离在计算机控制下。运行和监测d1与d2之间的保持器分离的0.1Hz正弦振荡的30个循环的程序来验证凹陷的变形是否成功。在正弦振荡中，d1是顶部处的第一保持器与底部处的第二保持器之间的最大距离，且d2是顶部处的第一保持器与底部处的第二保持器之间的最小距离。如果膜并未重复地形成期望的凹陷，则凹陷形成过程重复，且/或膜再对准或替换。振荡步骤然后重复来测试膜的弯曲稳健性。对于当前的生物反应器膜，d1的标准值是3.6cm，且d2的标准值是2.6cm。
循环：一旦振荡阶段完成，则弯曲疲劳循环程序进行。循环程序是计算机控制的，以在d1与d2之间的保持器分离中生成1Hz的正弦振荡。该测试在不停止的情况下连续地执行，或以10秒停止分开的250次循环的块。在各个程序或循环块开始时，程序中的斜坡步骤将保持器移动到d1的分离距离。
测试：染料穿透测试用于确定穿孔或破裂形成在膜中。循环停止，且模使用手动控制来移动到d1的夹具分离距离。将棉签浸入1重量百分比的染料在50％乙醇/50％水(按体积计)中的溶液中并擦拭膜的受损区域的内部，同时将纸巾贴在膜的外面。如果染料渗透穿过膜到纸巾上，则检测到穿孔、破损或泄漏。如果用浸有染料的棉签擦拭，则干净的棉签用于从膜的内表面除去染料的残余物。在未检测到穿孔，但一些染料渗透到内表面的分层的层中的情况下，检测到内部破坏。通过膜的变白或变粗糙，在没有染料的情况下视觉地检测到外表面的破裂。
示例2：使用本方法和摇床测试的失效模式的发展的比较分析
使用本方法的失效的发展与使用摇床测试的失效的发展相比较。填充介质的实际的50L生物反应器袋在摇床平台上的极端条件(如，25rpm的摇床速度，9°的角)下摇摆至少30天。图6A,6B和6C示出了摇床测试中的细胞培养袋的膜的失效模式发展的不同阶段。在本方法的情况下，膜经历弯曲疲劳测试(如上文所述)，且经历膜的失效模式发展的不同阶段，如，膜变白(图7A)、膜上的分层或裂纹形成(图7B)和膜上的穿孔和/或膜的破裂(图7C)。如图6A,6B和6C中所示，在摇床测试中，填充介质的细胞培养袋在生物反应器上经历连续摇摆30天以上，以生成不同的失效步骤。相比之下，折叠的膜使用本方法，通过不同阶段在仅8到10小时内来实现失效(穿孔或破裂，图7C)，如，膜的变白(图7A)和分层或开裂(图7B)。
示例3：用于多个膜的平行弯曲疲劳测试
本系统还用于同时地测试多个膜。图8示出了允许同时测试四个膜的系统的一个实施例。在图8中，50和52分别是系统的固定和可动的保持器。在多膜测试的情况下，膜对准(图8)，使得各个膜的折叠边缘与保持器的边缘共线，且也在其它膜所处的相同水平平面中。四个独立折叠的膜附接到存在于系统的安装装置的顶排处的保持器上(图8)。重量附接到在膜的底部处在小保持器下方延伸出的膜上，同时保持器开启。一旦膜就位，则膜的底部处的四个小保持器围绕膜紧固，且除去重量。角铁压住膜，同时膜保持器一起缓慢移动来形成如前文所述的凹陷。
具有大约2mm的曲率半径的90°角铁用于使膜凹陷。角铁定位在四组中的各个的第一保持器(顶部)与第二保持器(底部)之间的1.5''间隙的中点处，使得长边缘垂直于膜的折叠边缘。压头置于折叠的膜上，使得正交于膜的折叠边缘的平面将平分角铁的90°角。角铁安装在滑动台上，以便其能够沿平面的表面移动，而不会改变其90°角定向。为了形成折叠的膜上的凹陷表面，角铁向前滑动来接触膜。尽管两个保持器之间的距离通过手动控制来减小，但角铁向前滑动来保持与膜接触。当角铁接触膜的第一保持器或第二保持器时，其不再与膜接触。在该点处，膜顶部处的第一保持器与膜底部处的第二保持器之间的距离缓慢增大来回到其原始位置，且角铁返回到其原始位置，与膜连续接触。凹陷形成过程重复两次以上，其中角铁滑动来保持与膜连续接触。除去角铁，且两个保持器之间的距离在计算机控制下优化。
在该点，振荡保持器来在膜上形成可再现的位移、循环凹陷和振荡过程，以及记录失效模式如前文所述那样进行。运行和监测d1与d2之间的保持器分离的0.1Hz正弦振荡的30个循环的程序来验证凹陷的变形是否成功。凹陷形成过程重复，且/或膜再对准或替换来形成膜上的期望的凹陷。振荡循环也重复来在凹陷的膜上生成期望的可再现的位移。
对于特定商业用膜，d1的标准值是3.66cm，且d2的标准值是2.64cm。一旦凹陷形成完成，则运行弯曲疲劳循环程序。循环程序是计算机控制的，以在d1与d2之间的保持器分离中生成1Hz的正弦振荡。该测试在不停止的情况下连续地运行，或以10秒停止分开的250次循环的块。在各个程序或循环块开始时，程序中的斜坡步骤将保持器移动到d1的分离距离。
染料穿透测试用于确定穿孔是否形成在膜中。循环停止，且膜使用手动控制来移动到d1的保持器分离距离。将棉签浸入1％重量百分比的染料在50％乙醇/50％水(按体积计)中的溶液中并擦拭膜的受损区域的内部，同时将纸巾贴在膜的外面。如果一些染料穿透膜到纸巾上，则检测到穿孔。在用浸有染料的棉签擦拭后，干净的棉签用于从膜的内表面除去染料的残余物。在未检测到穿孔，但一些染料渗透到内表面的分层的层中的情况下，检测到内部破坏。通过监测膜的变白或变粗糙，在没有染料的情况下视觉地检测到外表面的破裂。
图9的柱状图示出了使用图8中的系统的一个实施例的四个不同膜的同时测试的结果。如图9中标出的"基准膜"是在摇摆平台上在30天的延长测试中良好表现的多层膜。如图9中标出的"更换的阻挡膜"具有相同的膜结构，其中阻氧层中的材料变化。"更换的外层"与基准膜相同，只是不同等级的树脂用于形成外层。"更换的外层材料"是与基准膜相同的膜，只是外层由不同于另外三个多层膜的聚合物制成。统计数据示出了各个膜与其它可区分的＞95%的置信度。甚至材料成分最小差异的膜由本方法和系统区分。这些小差别不可由摇床测试单独检测到。
尽管本文中示出和描述了本发明的仅某些特征，但本领域的技术人员将想到许多改型和变化。因此，将理解的是，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有此类改型和变化。

Claims (21)

1.一种用于测试单层或多层聚合物膜的抗弯曲疲劳性的系统，包括：
(a)以折叠构型安装一个或多于一个的膜且向所述膜提供预载张力的安装装置，所述安装装置包括定位在轴线A1上的两个膜保持器；
其中安装的膜中的折叠平行于所述轴线A1，且其中折叠的膜具有平行于所述折叠的一条轴线A2，以及平行于所述膜保持器的膜接触表面的第二轴线A3；
(b)定位在所述两个膜保持器之间且接触所述膜的折叠边缘的压头，所述压头与轴线A2和A3成角，且能够在由所述轴线A2和A3限定的平面中移动，以在所述安装的膜上产生具有深度或曲率半径或它们的组合的凹痕；
(c)用于在设置的频率和设置的幅度下移动所述膜保持器中的至少一个来在所述安装的膜上生成可再现的位移的装置；以及
(d)记录凹陷的膜对所述可再现的位移的抗弯曲疲劳性的记录装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压头是角铁。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压头具有从10°到170°的范围的角，以及其中所述压头具有从0.1到10mm的范围的曲率半径。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压头是刚性圆柱或半圆柱，具有范围从0.5mm到20mm的直径。
5.一种用于测试单层或多层膜的抗弯曲疲劳性的方法，包括：
(a)将折叠引入一个或多于一个的膜中；
(b)安装折叠的膜，使得所述折叠的膜的一端由第一膜保持器保持，以及所述折叠的膜的另一端由第二膜保持器保持，
其中两个膜保持器定位在轴线A1上，所述膜中的折叠平行于A1，所述折叠的膜具有平行于所述折叠的一条轴线A2，以及平行于所述膜保持器的膜接触表面的第二轴线A3；
(c)使所述膜的折叠边缘与压头接触来在安装的膜上产生具有深度或曲率半径或它们的组合的凹陷；
(d)振荡所述膜保持器中的至少一个来在步骤(c)的凹陷的膜中生成可再现的位移；以及
(e)记录所述凹陷的膜对所述可再现的位移的抗弯曲疲劳性。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述凹陷的膜中的可再现的位移沿所述轴线A1产生。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括沿垂直于所述轴线A2且平行于所述轴线A3的方向移动所述压头。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述凹陷通过使所述压头以与所述轴线A2的范围从0°到90°的角与所述安装的膜接触来形成。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述压头是包括范围从10°到170°的角的角铁。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述压头具有从0.1mm到10mm的范围的曲率半径。
11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述压头是具有范围从0.5mm到20mm的直径或长轴长度的刚性圆柱、椭圆柱、半圆柱或半椭圆柱。
12.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述可再现的位移包括循环位移、线性位移、正弦位移或它们的组合。
13.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述膜以大致伸展形式安装。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述安装的膜通过将负载加在所述膜上而进一步伸展。
15.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(d)重复2到10次循环来形成所述凹陷。
16.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(d)和(e)重复1到5000000次循环来测量所述膜的弯曲耐久性。
17.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，形成在所述膜上的凹陷的深度范围从5mm到500mm。
18.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述膜保持器中的至少一个沿所述轴线A1以正弦波形在范围从0.01Hz到100Hz的频率和范围从10mm到100mm的位移下循环。
19.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括振荡两个膜保持器来生成所述可再现的位移。
20.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(d)导致所述膜的失效，其中所述膜的失效包括所述膜的变白、所述膜的开裂、所述膜的分层、所述膜的穿孔，或它们的组合。
21.一种生物反应器，包括由聚合物膜形成的柔性袋，所述生物反应器包括标记，其提供所述膜是经历如权利要求5至权利要求20中任一项所述的测试抗弯曲疲劳性的方法的类型的视觉确认。
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