CN108728360B - 一种细胞共培养的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细胞共培养装置及其方法，属于细胞培养领域；所述细胞共培养装置由共培养腔、循环系统压力调节器、共培养腔压力调节器、泵、阻尼调节器、储液室、及计算机控制系统组成；其中所述共培养腔、循环系统压力调节器、共培养腔压力调节器、泵、阻尼调节器、储液室由管路连接成流体循环系统；所述循环压力调节器、共培养腔压力调节器、泵都由所述计算机控制系统控制；整个装置除了计算机控制系统外都可以放置与CO₂培养箱内进行细胞培养；本发明实现模拟细胞受血流剪切力刺激，同时对于两种细胞给予特定的压力作用，受流体剪切力刺激的细胞所分泌的物质能够影响到另一种共培养的细胞，从而实现模拟仿生状态下两种细胞的共同培养。

Description

一种细胞共培养的装置及其方法

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，公开了一种细胞共培养的装置及其方法,提供了一种在体外模拟人体生理或者非生理环境下对两种相关细胞进行共同培养的实验装置及技术方案。

背景技术

一个越接近于真实生理状态的体外装置，更容易越接近真实的状态反应体内细胞间的作用和关系，流体剪切力对细胞有刺激作用，流体剪切力的大小不同，刺激作用的效果也不相同；人体内细胞受到的力的作用之后会发生细胞分泌的变化，已经证实的在流体剪切力作用之后的内皮细胞会分泌不同的因子，譬如在血管中，血管内皮细胞会因为血流剪切力的变化而分泌不同的因子会对平滑肌细胞产生影响。

在流动状态下给予一种细胞加载流体剪切力比较容易，但是想进行两种关联细胞的培养，而一种受到流体剪切力刺激，另一种细胞受到受流体剪切力刺激作用的细胞分泌因子的影响的实验相对较难实现，由于细胞本身很小，所用的细胞共培养膜就必须很薄，而如此，共培养膜受到力的变化就会产生各种变形，由此会对实验结果产生很多不确定的影响。为了能够很好的实现体外流体剪切力作用下对细胞的刺激，同时所述细胞与另一种共培养的不受流体剪切力刺激的细胞产生作用影响，更好的工程重复性，我们发明此装置。

发明内容

为了实现两种细胞在体外进行动态共培养，并能让两种细胞产生相互影响，本发明提供了一种细胞共培养装置及其方法，本装置实现了体外流体剪切力状态下对一种细胞的作用，同时所述细胞与另一种共培养的不受流体剪切力刺激的细胞产生作用影响，更好的工程重复性，我们发明此装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种细胞共培养的装置，包含有共培养腔，并接入用于调节压力变化和流量变化的流体循环系统；所述调节压力变化和流量变化的流体循环系统除了所述共培养腔外，还包含有用于调节流体循环系统内压力变化的循环系统压力调节器及实现流体循环系统内流量供给变化的泵，配合所述循环系统压力调节器实现压力调节的阻尼调节器及储液用的储液室及连接整个环路的管路，由所述泵通过所述管路从所述储液室内吸取液体，然后向所述流体循环系统内供液，最后所述流体循环系统内的液体回流到储液室内；其中所述共培养腔内有两个隔离的空间：分别是所述共培养腔与循环供液系统培养液接触的空间和所述共培养腔与循环供液系统培养液不接触的空间，所述两个隔离空间衔接处通过共培养膜隔开，所述共培养膜的两面分别可种细胞，所述两个隔离空间内的微小物质通过所述共培养膜流通和交换形成影响；当所述共培养腔接入所述流体循环系统形成环路时向属于这一个空间的共培养膜面施加流体剪切力刺激和压力作用，由于共培养膜非常薄，为使共培养膜保持在可接受变形范围内，在所述共培养另一空间内进行压力调节，即在所述共培养膜的另一面使用共培养腔压力调节器进行压力调节，从而实现两边压力趋于接近或者两面的压力差的控制；所述泵、所述循环系统压力调节器、所述共培养腔压力调节器由计算机控制系统进行控制，并放置在CO2培养箱中或者拥有恒温装置及5%浓度的二氧化碳气体环境之中进行培养。

进一步的，所述泵可以根据需要控制循环供液系统内的流量按时间变化的控制，在流体循环系统环路内形成各种流量模式的供给，流量供给模式包括恒定值流量、脉冲式流量、正弦波流量、心脏泵血式流量及各种不同的流量模式，进而实现对共培养腔内的共培养膜接触循环流体的那一面施加特定模式的流体剪切力刺激，对所述共培养膜形成的流体剪切力作用范围在0-100达因/平方厘米。

进一步的，所述循环系统压力调节器与共培养腔压力调节装置都是由压力室、压力空间大小调节器、压力传感器、气压调节器组成；所述压力传感器可由所述计算机控制系统进行数据采集，及压力空间大小调节器、气压调节器由计算机控制系统进行控制调节，或由人工进行压力调节，调节方式或改变压力室空间大小，或改变压力室内气体压力大小，或者两种同时进行调节，所述的循环系统压力调节器与所述的共培养腔压力调节器实现压力调节范围在0-300mmHg。

进一步的，所述共培养膜，固定在共培养膜支架上与共培养膜形成共培养小室，所述共培养小室由共培养膜做底，可以用来盛放培养液；所述共培养小室底面外侧光滑平整；所述共培养膜是不透水，水分子没法通过的材料，但比水小的分子却是能够通过的，所述共培养膜材料可以是PET膜、PTFE膜、PC膜或硅胶膜，厚度范围0.01～0.2mm之间，膜上微孔孔径为0.4微米。

进一步的，所述的共培养腔由下腔，中腔，上腔，及固定有共培养膜的共培养小室组成，所述下腔上有平行流动槽室，使得流量对于流体剪切力的对应公式实现换算，实现工程重复性高；所述中腔的底面与下腔的上面即流动槽贴合形成一个层流流道，所述下腔有密封装置，实现下腔与中腔之间不产生液体泄漏，所述中腔的底面上开有一个或者数个孔，用于放置共培养小室，所述共培养小室的底面有共培养膜，当所述共培养小室放置到中腔孔内时，共培养小室底面正好与中腔底面一同与下腔上面的流动槽上面贴合；所述中腔有专门的密封件，使得在流体循环系统运行时，循环液只在下腔的所述的层流流道内流动，不会从共培养小室外围溢出；所述上腔与中腔贴合，贴合中间使用密封件，使得所述中腔与所述上腔之间也形成一个空间，同时上腔下压放置在中腔孔内的共培养小室，使得共培养小室不会上浮，很好的与下腔流通槽贴合；所述上腔上留有接口，用于连接所述共培养腔压力调节装置，并可根据需要通5%CO2实验气体。

进一步的，所述共培养腔内的两个空间：分别是所述共培养腔与循环供液系统培养液接触的空间与所述共培养腔与循环供液系统培养液不接触的空间，除了专用接口以外都能形成各自密封的空间，对于向所述共培养膜施加流体剪切力的那面，所述专用接口用于接入流体循环系统，从而获得需要的培养液供给及接受流体剪切力刺激；不接受流体剪切力刺激那面，专用接口用于压力的调节与长时间培养所需的气体更换，同时这个空间也需要培养液进行对这个空间内共培养膜上细胞的营养供给。

进一步的，所述阻尼调节器可以实现管路通径的变化，模拟毛细血管的作用，可以实现微调，从而实现循环系统压力调节器调节系统内压力的变化。

进一步的，所述储液室可以实现储液的作用，用于液体回流存储及加药等。

本发明还提供了一种细胞共培养装置的培养方法，包括如下步骤:（1）对所述共培养腔、所述循环供液系统、所述循环系统压力调节器，所述共培养腔压力调节器与培养液接触的部分进行灭菌消毒，对所述共培养膜进行灭菌消毒，并作表面处理使得在所述共培养膜上种植细胞更容易牢固；（2）在共培养膜的两面种上两种细胞，并把共培养膜固定到共培养腔内；（3）将所述细胞共培养装置的所有组成设备放置于生物安全柜内进行组装与连接，形成环路，连接好压力调节器，连接完成后检测所述细胞共培养装置确保培养液不泄漏；（4）启动循环供液系统，观察压力传感器值，调节循环系统压力调节器，把循环供液系统内的压力值调整到目标压力值，然后调节共培养腔的压力调节器，使得共培养腔的压力值与循环供液系统内的压力值相同；（5）设定好运行时间，启动所述细胞共培养装置，即可进行细胞培养。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：

1.本发明实现了在两种细胞共培养状态下，给予一种细胞流体剪切力刺激，一种细胞不受流体剪切力刺激下的共培养；

2.本发明实现了在两种细胞共培养状态下，可以对一种细胞加载流体剪切力的同时，对两种细胞施加相同的压力刺激；3.本发明实现了模拟生理状态下或者非生理状态下普通状态和极端状态下的不同流体剪切力与压力共同作用下对两种细胞的特定刺激效果，更好的重复性效果。

因此本发明提供了一种细胞共培养装置及其方法。

附图说明

图1为本发明实施例的系统图；

图2为本发明实施例中共培养腔结构图；

图3为本发明实施例中共培养腔下腔流动槽图；

图4为本发明实施例中共培养小室的示意图；

图5为本发明实施例中与循环压力调节器的示意图；

图6为本发明实施例中共培养腔压力调节器的示意图；

图中，1-共培养腔，1-1-下腔，1-2-中腔，1-3-上腔、1-4-共培养小室、1-4-1-共培养膜、1-4-2-共培养膜支架、1-5-专用接口一、1-6-专用接口二、1-7-密封装置一、1-8密封装置二；2-循环系统压力调节器，2-1-压力室，2-2-压力室空间调节器，2-3-压力传感器，2-4-气压调节器，2-5-接口一、2-6-接口二；3-共培养腔压力调节器3-1-压力室二，3-2-压力传感器二，3-3-气压调节器二，3-4-连接口；4-泵，5-阻尼调节器，6-储液室，7-计算机控制系统，8-管路,9-CO2培养箱；A-循环供液系统培养液，B-共培养小室培养液，C-压力调节器内的循环供液系统培养液，D-下腔流动槽，E-共培养小室共培养膜接受循环供液流体剪切力面；F-共培养小室共培养膜不接受循环流体剪切力面；G-共培养腔与循环供液系统培养液接触的空间；H-共培养腔与循环供液系统培养液不接触的空间。

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。

需要说明的是，当组件被称为“固定在”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件；本文所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例

一种细胞共培养的装置，包含有共培养腔（1），接入用于调节压力变化和流量变化的流体循环系统；所述用于调节压力变化和流量变化的流体循环系统除了共培养腔（1）外，还包含：用于调节流体循环系统内压力变化的循环系统压力调节器（2）及实现流体循环系统内流量供给变化的泵（4）例如：蠕动泵，配合循环系统压力调节器(2)实现压力调节的阻尼调节器（5）及储液用的储液室（6）及链接整个环路的管路（8），由泵（4）通过所述管路（8）从储液室（6）内吸取液体，然后向流体循环系统内供液，最后所述流体循环系统内的液体回流到储液室（6）内；其中所述共培养腔内有两个隔离的空间分别是：G-共培养腔与循环供液系统培养液接触的空间；H-共培养腔与循环供液系统培养液不接触的空间；这两个隔离的空间衔接处通过共培养膜（1-4-1）隔开，所述两个隔离的空间内的微小物质通过所述共培养膜（1-4-1）流通和交换；所述共培养膜（1-4-1）的两面分别可种细胞，当所述共培养腔（1）接入所述流体循环系统形成环路时向属于所述共培养腔与循环供液系统培养液（A）接触的空间（G）的共培养膜面施加流体剪切力刺激和压力作用，由于共培养膜（1-4-1）非常薄，为使共培养膜（1-4-1）保持在可接受变形范围内，在所述共培养与循环供液系统培养液不接触的空间（H）内进行压力调节，即在共培养膜（1-4-1）的另一面使用共培养腔压力调节器（3）进行压力调节，实现两边压力趋于接近或者实现两边的压力差的控制；泵(4)、循环系统压力调节器(2)、共培养腔压力调节器(3)由计算机控制系统(7)进行控制，并放置在CO2培养箱(9)中或者拥有恒温装置及5%浓度二氧化碳气体的培养环境之中。

进一步的，泵(4)可以根据需要控制循环供液系统内的流量按时间变化的控制，在共培养腔(1)内形成各种流量模式的供给，流量供给模式包括恒定值流量、脉冲式流量、正弦波流量及各种不同的流量模式；对共培养膜(1-4-1)E面形成的流体剪切力范围在0-100达因/平方厘米。

进一步的，循环系统压力调节器(2)与共培养腔压力调节器(3)都是由压力室(2-1)、压力室空间大小调节器(2-2)、压力传感器(2-3)、气压调节器组成(2-4)；压力传感器(2-3)由所述计算机控制系统(7)进行数据采集，所述计算机控制系统(7)进行压力控制调节，或由人工进行压力调节，调节方式或改变压力室(2-1)空间大小间接改变压力室（2-1）压力大小，或改变压力室(2-1)内气体压力大小，或者两种同时进行调节，循环系统压力调节器(2)与共培养腔压力调节器(3)实现压力调节范围在0-300mmHg。

进一步的，所述共培养膜(1-4-1)固定在共培养膜支架(1-4-2)上与共培养膜(1-4-1)形成共培养小室(1-4)，所述共培养小室(1-4)由共培养膜(1-4-1)做底，可以用来盛放共培养小室培养液(B)；所述共培养小室(1-4)底面外侧光滑平整；所述共培养膜(1-4-1)是透气不透水，水分子没法通过材料，所述共培养膜(1-4-1)材料是PET膜、PTFE膜、PC膜或硅胶膜，厚度范围0.01～0.2mm之间，所述共培养膜(1-4-1)的两面都可以种植细胞。

进一步的，所述的共培养腔由下腔(1-1)，中腔(1-2)，上腔(1-3)，及固定有共培养膜(1-4-1)的共培养小室(1-4)组成，所述下腔(1-1)上有下腔流动槽(D)，使得流量对应于流体剪切力变换，实现工程重复性高；下腔（1-1）有密封装置二（1-8），实现下腔（1-1）与中腔（1-2）直接不产生液体泄漏，所述中腔(1-2)的底面与下腔流动槽（D）贴合形成一个层流流道，所述中腔（1-2）的底面上开有一个或者数个孔，用于放置共培养小室（1-4），共培养小室（1-4）的底面有共培养膜（1-4-1），当共培养小室（1-4）放置到中腔（1-2）孔内时，共培养小室（1-4）底面正好与中腔底面一同与下腔（1-1）上面的流动槽上面贴合。所述中腔有密封装置一(1-7)，使得在流体循环系统运行时，循环液只在下腔的所述的层流流道内流动，不会从共培养小室（1-4）外围溢出；所述上腔（1-3）与中腔(1-2)贴合，贴合中间使用密封件，使得所述中腔与所述上腔之间也形成一个空间，同时上腔（1-3）下压放置在中腔（1-2）孔内的共培养小室（1-4），使得共培养小室（1-4）不会上浮，很好的与下腔（1-1）流通槽贴合；所述上腔上留有接口，用于连接所述共培养腔压力调节器（3），并可根据需要通5%CO2实验气体。

进一步的，共培养腔（1）内的两个隔离空间：G-共培养腔与循环供液系统培养液接触的空间；H-共培养腔与循环供液系统培养液不接触的空间；除了专用接口一（1-5）和专用接口二（1-6）以外都能形成各自密封的空间，对于向共培养小室共培养膜接受循环供液流体剪切力面（E），所述专用接口一（1-5）用于接入流体循环系统，从而获得需要的培养液供给及接受流体剪切力刺激；共培养小室共培养膜不接受循环流体剪切力面(F)，专用接口二（1-6）用于压力的调节与长时间培养所需的气体更换，同时所述共培养腔与循环供液系统培养液不接触的空间也需要培养液进行对共培养膜（1-4-1）上细胞的培养。

进一步的，阻尼调节器（5）可以实现管路（8）在阻尼调节器位置的通径的变化，并且可以实现微调，从而实现循环系统压力调节器（2）调节系统内压力的变化。

本发明一种上述的细胞共培养装置的培养方法，包括如下步骤:（1）对流体循环系统中的共培养腔(1)、循环系统压力调节器(2)、共培养腔压力调节器(3)与培养液接触的部分进行灭菌消毒，对共培养小室（1-4）及上面的共培养膜（1-4-1）进行灭菌消毒，并作表面处理使得在所述共培养膜上种植细胞更容易牢固；（2）在共培养膜(1-4-1)的两面种上两种细胞，并把共培养小室（1-4）固定到共培养腔内；（3）将细胞共培养装置的所有组成设备放置于生物安全柜内进行组装与连接，形成环路，连接好压力调节器，连接完成后启动流体循环系统，检测细胞共培养装置确保培养液不泄漏；（4）启动流体循环系统，观察压力传感器值，调节循环系统压力调节器（2），把循环供液系统内的压力值调整到目标压力值，然后调节共培养腔压力调节器（3），使得共培养腔的压力值与循环供液系统内的压力值相同或者需要的压力差值；（5）设定好运行时间，启动细胞共培养装置，即可进行细胞共培养。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (8)

1.一种细胞共培养装置，其特征在于包含有共培养腔，接入用于调节压力变化和流量变化的流体循环系统，所述流体循环系统包含有用于调节流体循环系统内压力变化的循环系统压力调节器、共培养腔压力调节器及实现流体循环系统内流量供给变化的泵，配合所述循环系统压力调节器实现压力调节的阻尼调节器及储液用的储液室及连接整个环路的管路；由所述泵通过所述管路从所述储液室内吸取液体，然后向所述流体循环系统内供液，最后所述流体循环系统内的液体回流到储液室内；所述共培养腔内有两个隔离的空间：分别是所述共培养腔与循环供液系统培养液接触的空间和所述共培养腔与循环供液系统培养液不接触的空间，所述两个隔离空间衔接处通过共培养膜隔开，所述共培养膜的两面分别可种细胞，所述两个隔离空间内的微小物质通过所述共培养膜流通和交换形成影响；当所述共培养腔接入所述流体循环系统形成环路时，所述循环系统压力调节器向属于这一个空间的共培养膜面施加流体剪切力刺激和压力作用，由于共培养膜非常薄，为使共培养膜保持在可接受变形范围内，在所述共培养另一空间内进行压力调节，即在所述共培养膜的另一面使用共培养腔压力调节器进行压力调节，从而实现两边压力趋于接近或者两面的压力差的控制；所述的共培养腔由下腔，中腔，上腔，及固定有共培养膜的共培养小室组成，所述下腔上有平行流动槽室，使得流量对于流体剪切力的对应公式实现换算，实现工程重复性高；所述中腔的底面与下腔的上面即流动槽贴合形成一个层流流道，所述下腔有密封装置，实现下腔与中腔之间不产生液体泄漏，所述中腔的底面上开有一个或者数个孔，用于放置共培养小室，所述共培养小室的底面有共培养膜，所述共培养膜材料是PET膜、PTFE膜、PC膜或硅胶膜，当所述共培养小室放置到中腔孔内时，共培养小室底面正好与中腔底面一同与下腔上面的流动槽上面贴合；所述中腔设有密封件，使得在流体循环系统运行时，循环液只在下腔的所述的层流流道内流动，不会从共培养小室外围溢出；所述上腔与中腔贴合，贴合中间使用密封件，使得所述中腔与所述上腔之间也形成一个空间，同时上腔下压放置在中腔孔内的共培养小室，使得共培养小室不会上浮，很好的与下腔流通槽贴合；所述上腔上留有专用接口，用于连接所述共培养腔压力调节装置；所述泵、所述循环系统压力调节器、所述共培养腔压力调节器由计算机控制系统进行控制，并放置在CO2培养箱中或者拥有恒温装置及5%浓度的二氧化碳气体环境之中进行培养。

2.根据权利要求1所述一种细胞共培养装置，其特征在于所述泵用于控制循环供液系统内的流量按时间变化，在流体循环系统环路内形成各种流量模式的供给，流量供给模式包括恒定值流量、脉冲式流量、正弦波流量、心脏泵血式流量模式，进而实现对共培养腔内的共培养膜接触循环流体的那一面施加流体剪切力刺激，对所述共培养膜形成的流体剪切力作用范围在0-100达因/平方厘米。

3.根据权利要求1所述一种细胞共培养装置，其特征在于所述循环系统压力调节器与共培养腔压力调节装置都是由压力室、压力空间大小调节器、压力传感器、气压调节器组成；所述压力传感器由所述计算机控制系统进行数据采集，所述压力空间大小调节器、气压调节器由计算机控制系统进行控制调节，或由人工进行压力调节，调节方式为改变压力室空间大小，或改变压力室内气体压力大小，或者两种同时进行调节，所述循环系统压力调节器与所述共培养腔压力调节器实现压力调节范围在0-300mmHg。

4.根据权利要求1所述一种细胞共培养装置，其特征在于所述共培养膜固定在共培养膜支架上，所述共培养膜支架与所述共培养膜形成共培养小室，所述共培养小室由共培养膜做底，用来盛放培养液；所述共培养小室底面外侧光滑平整；所述共培养膜是不透水，水分子没法通过的材料，但比水小的分子却是能够通过的，所述共培养膜的厚度范围在0.01～0.2mm之间。

5.根据权利要求1所述一种细胞共培养装置，其特征在于所述共培养腔内的两个空间除了专用接口以外都能形成各自密封的空间，对于向所述共培养膜施加流体剪切力的那面，所述专用接口用于接入流体循环系统，从而获得需要的培养液供给及接受流体剪切力刺激；不接受流体剪切力刺激那面，专用接口用于压力的调节与长时间培养所需的气体更换，同时这个空间也需要培养液进行对这个空间内共培养膜上细胞的营养供给。

6.根据权利要求1所述一种细胞共培养装置，其特征在于所述阻尼调节器可以实现管路通径的变化，模拟毛细血管的作用，并且可以实现微调，从而实现循环系统压力调节器调节系统内压力的变化。

7.根据权利要求1所述一种细胞共培养装置，其特征在于所述储液室可以实现储液的作用，用于液体回流存储及加药。

8.一种权利要求1-7任一项所述的细胞共培养装置的培养方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）对所述共培养腔、所述循环供液系统、所述循环系统压力调节器，所述共培养腔压力调节器与培养液接触的部分进行灭菌消毒，对所述共培养膜进行灭菌消毒，并作表面处理使得在所述共培养膜上种植细胞更容易牢固；

（2）在共培养膜的两面种上两种细胞，并把所述的共培养小室固定到共培养腔内；

（3）将所述细胞共培养装置的所有组成设备放置于生物安全柜内进行组装与连接，形成环路，连接好压力调节器，连接完成后检测所述细胞共培养装置确保培养液不泄漏；

（4）启动循环供液系统，观察压力传感器值，调节循环系统压力调节器，把循环供液系统内的压力值调整到目标压力值，然后调节共培养腔的压力调节器，使得共培养腔的压力值与循环供液系统内的压力值相同；

（5）设定好运行时间，启动所述细胞共培养装置，即可进行细胞培养。