CN109777737B - 一种脉动培养箱及灌流培养系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉动培养箱。一种脉动培养箱，其中，包括箱体、设于所述箱体内部的组织培养装置和脉动发生装置、以及用于驱动所述脉动发生装置产生脉动流的驱动装置，所述箱体上设有进液口和出液口。本发明还提供一种带有上述脉动培养箱的灌流培养系统。本发明可以针对多种细胞组织进行动态培养，还可以更直接模拟心脏泵血功能，为细胞培养提供一个生理脉动流生理环境，不需要在培养液回路添加单向阀以及调压阀等。

Description

一种脉动培养箱及灌流培养系统

技术领域

本发明涉及细胞培养、组织工程技术领域，更具体地，涉及一种脉动培养箱及灌流培养系统。

背景技术

在组织工程领域，组织工程灌流培养系统是研究不同环境因素(物理、生化因素)对特定细胞、组织的三维功能化培养影响的重要技术手段，也是改进功能化组织质量、降低生产成本(包括自动化、在线监控等)，使组织工程从实验室进入到标准的工业化、规模化生产和临床应用过程中的一个关键环节。随着生物3D打印技术的发展，有必要针对性地研发先进的组织工程用灌流培养系统去培养生物打印机打印出来的“细胞—支架混合物”。生物打印机打印用的生物墨水是一种水凝胶与细胞混在一起的胶状物，通过特有的低温喷头，打印出来形成格栅支架结构，细胞附在其上面生长。

现有的灌流培养系统不能很好的同时实现生物灌流和力学激励的功能，例如CN201010258544.X研制的一种新的近生理脉动流环境动脉血管组织工程反应器，上述反应器只是在管路中设置了脉动流装置，脉动流通过管路与其他装置，到达细胞培养室之后脉动流的效果已经无法保证，无法很好的模拟血液流动效果。并且，此生理脉动流环境动脉血管组织工程反应器无法为特定细胞提供一种具有力学激励的功能，例如血管细胞。另外，现有的灌流培养系统并没有考虑培养生物打印机打印出来的“细胞—支架混合物”，传统灌流培养系统的灌流流体，经过“细胞—支架混合物”的格栅支架结构时，容易将附在其上的细胞冲走，或者将整个支架冲散。

发明内容

为克服上述现有技术中的至少一种缺陷，本发明提供一种脉动培养箱。本发明可以针对多种细胞组织进行动态培养，还可以更直接模拟心脏泵血功能，为细胞培养提供一个生理脉动流生理环境，不需要在培养液回路添加单向阀以及调压阀等。

本发明的另一个目的是提供一种具有上述脉动培养箱的灌流培养系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种脉动培养箱，其中，包括箱体、设于所述箱体内部的组织培养装置和脉动发生装置、以及用于驱动所述脉动发生装置产生脉动流的驱动装置，所述箱体上设有进液口和出液口。这样，将组织培养装置和脉动发生装置均设置在脉动培养箱内部，也即将脉动流腔和细胞培养腔集成为一个腔体，在使用时，一方面，不需要在培养液回路添加单向阀以及调压阀等器件，整体结构更简易，另一方面，可以保证细胞培养箱的脉动流效果，更直接模拟心脏泵血功能。

进一步的，所述脉动发生装置包括环设在所述箱体下部内侧壁上的固定架，所述固定架上设有大通孔，所述固定架底面上套设有覆盖住所述大通孔的硅胶膜，所述驱动装置上设有螺纹推杆，所述螺纹推杆能够在驱动装置的带动下推动所述硅胶膜产生形变，从而鼓动组织培养装置中的培养液，产生脉动流，模拟心脏泵血功能。

进一步的，所述驱动装置设置在所述硅胶膜下方，所述组织培养装置包括设于所述脉动发生装置上方的血管组织培养支架和/或多孔隔板。所述血管组织培养支架用于培养含血管细胞的血管组织，所述多孔隔板用于培养含肌肉细胞等非血管细胞的其他组织。

进一步的，所述血管组织培养支架包括用于套设血管组织的硅胶管、第一支撑装置和第二支撑装置，所述硅胶管的一端通过所述第一支撑装置固定连接在所述固定架上，所述硅胶管的另一端通过所述第二支撑装置与所述驱动装置连接，所述固定架上与所述第一支撑装置相对的一侧设有限位槽，所述驱动装置能够通过第二支撑装置带动所述硅胶管的所述另一端沿所述限位槽进行往复运动。使用该脉动培养箱进行血管组织培养时，通过生物打印机将生物墨水（水凝胶与血管细胞混在一起的胶状物）打印形成格栅支架结构的血管组织，血管细胞附在其上面生长，然后将血管组织套在硅胶管上进行培养，这样，通过驱动装置带动硅胶管的另一端进行一定幅度的往复运动可以为血管组织提供力学激励，从而对血管组织上的血管细胞进行培养。

进一步的，所述第一支撑装置包括固定连接在所述固定架上的第一固定环支架，所述第二支撑装置包括一端与所述驱动装置连接的连杆、连接在所述连杆另一端的连杆延伸板以及固定在所述连杆延伸板上的第二固定环支架，所述连杆延伸板设在所述限位槽下方，限位槽为弯弧形，连杆延伸板为半月形，所述第二固定环支架穿过所述限位槽与所述连杆延伸板连接，所述第一固定环支架和第二固定环支架的顶端均设有固定环，所述硅胶管的两端分别固定于所述第一固定环支架和第二固定环支架上的固定环中。

进一步的，所述固定环通过连接件将所述硅胶管的两端固定，所述连杆通过连杆固定扣与所述驱动装置输出轴连接。

进一步的，所述箱体底部的直径朝着箱体底壁的方向逐渐减小形成收缩部，所述固定架的底面周向边缘抵紧在所述收缩部上。所述收缩部可以设置成弧形收缩部，也可以直接设置成一环形倾斜面，该环形倾斜面与脉动培养箱上部竖直内侧壁之间的夹角α为3~10°，硅胶膜套在所述固定架底面上可以卡紧在收缩部与固定架之间，进行密封。

进一步的，所述箱体的内侧壁上设有至少两个槽口，所述槽口为沿所述箱体内侧壁的竖直方向设置的长条形凹槽，所述多孔隔板的边缘设有与所述槽口对应配合的卡块，所述多孔隔板通过所述卡块与所述槽口的配合固定在所述箱体内侧壁上，通过调整所述卡块在所述槽口中的位置就能够调整多孔隔板在箱体中的高度位置。多孔隔板可以有效的降低流体剪切力，以免脉动发生装置产生的脉动流会将细胞组织上面的细胞冲散，或者将整个细胞组织冲散。另外，可以直接将细胞组织（如肌肉细胞等非血管细胞组织）置于多孔隔板上进行培养，这样该脉动培养箱就可以实现多种细胞培养。

优选的，所述进液口和出液口上均设有直通水嘴，所述直通水嘴之间的夹角为120~150°。

进一步的，所述箱体的顶部设有加液管和/或通气管，所述箱体顶部设有盖板，所述加液管和/或通气管设在所述盖板上，所述盖板为亚克力盖板，其中所述通气管包括进气管和出气管。脉动培养箱可以通过进气管和出气管与外界通气，通过加液管可以给脉动培养箱加液；因此，该脉动培养箱可以直接放进二氧化碳培养箱里面，与二氧化碳培养箱通气，可以有效的控制培养液的PH值与温度，为细胞培养提供一个较为稳定和舒适的培养环境。

本发明还提供一种灌流培养系统，其中，包括储液瓶、液体驱动器和培养箱，所述储液瓶、液体驱动器和培养箱通过管路依次连接，液体驱动器驱动储液瓶提供流量为 1~10ml/min的培养液，从而形成流体循环回路；所述培养箱为上述的脉动培养箱，所述与培养箱连接的管路通过所述箱体上的进液口和出液口上的直通水嘴与所述培养箱内部连通。所述直通水嘴之间的夹角为120~150°的钝角，方便观察与取出培养箱。

本发明中，驱动装置提供1~100次/min的来回转动，带动螺纹推杆往复伸缩运动，推动硅胶膜变形产生往复伸缩运动，鼓动培养液，模拟心脏泵血功能，从而使培养液在脉动培养箱产生脉动流，对血管组织进行培养。脉动流经过多孔隔板后可以有效的降低流体剪切力，不会将血管组织上的细胞冲散，或者将整个血管组织冲散，从而对血管组织进行培养。

同时，驱动装置提供1~100次/min的来回转动，通过带动连杆来带动连杆延伸板在限位槽中进行往复运动，连杆延伸板与第二固定环支架连接，第二固定环支架与硅胶管一端的固定环连接，从而带动硅胶管上的血管组织往复运动，第一固定环支架和第二固定环支架之间的直径会随运动产生变化，使硅胶管产生径向形变，进而促使套在其上的血管组织产生径向变形，模拟生物力学，达到模拟血管收缩舒张的效果。另外，还可以用来模拟血管两侧受到较强的流体剪切力后，对细胞培养状态会造成的影响。上述过程在脉动培养箱内部完成，避免了跟外界接触，减少了细胞污染可能。上述过程由一个工控机（未显示）控制。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明将脉动流腔和细胞培养腔集成为一个腔体，一方面，不需要在培养液回路添加单向阀以及调压阀等器件，整体结构更简易；另一方面，可以保证培养箱的脉动流效果，更直接模拟心脏泵血功能。

本发明中硅胶管的一端能够在驱动装置的带动下进行往复运动，使硅胶管产生径向形变，进而促使套在其上的血管组织产生径向变形，一方面，模拟生物力学，达到模拟血管收缩舒张的效果；另一方面，还可以用来模拟血管两侧受到较强的流体剪切力后，对细胞培养状态所造成的影响。

本发明在组织培养装置和脉动发生装置之间设置了多孔隔板，一方面，可以有效的降低流体剪切力，避免脉动发生装置产生的脉动流会将细胞组织上面的细胞冲散，或者将整个细胞组织冲散；另一方面，可以满足多种细胞组织的培养。

本发明在脉动培养箱上设置了进气管和出气管，并与外界通气，使得本发明可以直接放进二氧化碳培养箱里面，与二氧化碳培养箱通气，可以有效的控制培养液的PH值与温度，为细胞培养提供一个较为稳定和舒适的培养环境。

附图说明

图1是本发明一实施例的脉动培养箱的纵向剖视图。

图2是本发明一实施例的组织培养装置的结构示意图。

图3是本发明一实施例的连杆延伸板与驱动装置的连接示意图。

图4是本发明一实施例的箱体收缩部的局部放大示意图。

图5是本发明一实施例的整体结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1到图3所示为本发明的脉动培养箱，其中，包括箱体1、设于所述箱体1内部的组织培养装置和脉动发生装置、以及用于驱动所述脉动发生装置产生脉动流的驱动装置7，所述箱体1上设有进液口和出液口。这样，将组织培养装置和脉动发生装置均设置在脉动培养箱内部，也即将脉动流腔和细胞培养腔集成为一个腔体，在使用时，一方面，不需要在培养液回路添加单向阀以及调压阀等器件，整体结构更简易，另一方面，可以保证培养箱的脉动流效果，更直接模拟心脏泵血功能。

本发明的一个实施例中，如图1到图3所示，所述脉动发生装置包括环设在所述箱体1下部内侧壁上的固定架6，所述固定架6上设有大通孔61，所述固定架6底面上套设有覆盖住所述大通孔61的硅胶膜17，所述驱动装置7上设有螺纹推杆18，所述螺纹推杆18能够在驱动装置7的带动下推动所述硅胶膜17产生形变。驱动装置7提供1~100次/min的来回转动，带动螺纹推杆18往复伸缩运动，推动硅胶膜17变形产生往复伸缩运动，从而鼓动组织培养装置中的培养液，产生脉动流，模拟心脏泵血功能。

本发明的一个实施例中，所述组织培养装置包括设于所述脉动发生装置上方的血管组织培养支架，用于培养含血管细胞的血管组织。

如图1到图3所示，所述血管组织培养支架包括用于套设血管组织的硅胶管8、第一支撑装置和第二支撑装置，所述硅胶管8的一端通过所述第一支撑装置固定连接在所述固定架6上，所述硅胶管8的另一端通过所述第二支撑装置与所述驱动装置7连接，所述固定架6上与所述第一支撑装置相对的一侧设有限位槽11，所述驱动装置7能够通过第二支撑装置带动所述硅胶管8的所述另一端沿所述限位槽11进行往复运动；其中，所述第一支撑装置包括固定连接在所述固定架6上的第一固定环支架10，所述第二支撑装置包括一端与所述驱动装置7连接的连杆13、连接在所述连杆13另一端的连杆延伸板12以及固定在所述连杆延伸板12上的第二固定环支架14，所述连杆延伸板12设在所述限位槽11下方，所述第二固定环支架14穿过所述限位槽11与所述连杆延伸板12连接，所述第一固定环支架10和第二固定环支架14的顶端均设有固定环9，所述硅胶管8的两端分别固定于所述第一固定环支架10和第二固定环支架14上的固定环9中所述固定环9通过连接件15将所述硅胶管8的两端固定，所述连杆13通过连杆固定扣16与所述驱动装置7输出轴连接。这样，在进行血管组织培养时，驱动装置7提供1~100次/min的来回转动，带动连杆13来带动连杆延伸板12在限位槽11中进行往复运动，连杆延伸板12与第二固定环支架14连接，第二固定环支架与硅胶管8一端连接，进而带动硅胶管8上的血管组织往复运动，使第一固定环支架10和第二固定环支架14之间的直径随运动产生变化，从而使硅胶管8产生径向形变，促使套在其上的血管组织产生径向变形，达到模拟生物力学和模拟血管收缩舒张的效果；另外，还可以用来模拟血管两侧受到较强的流体剪切力后，对血管细胞培养状态所造成的影响。

本发明的另一个实施例中，所述组织培养装置包括设于所述脉动发生装置上方的多孔隔板19，用于培养其他细胞组织。

如图1到图3所示，所述箱体1的内侧壁上设有至少两个槽口20，所述槽口20为沿所述箱体1内侧壁的竖直方向设置的长条形凹槽，所述多孔隔板19的边缘设有与所述槽口20对应配合的卡块21，所述多孔隔板19通过所述卡块21与所述槽口20的配合固定在所述箱体1内侧壁上，通过调整所述卡块21在所述槽口20中的位置就能够调整多孔隔板19在箱体1中的高度位置，可以直接将其他细胞组织（如肌肉细胞组织等）置于多孔隔板19上进行培养。

本发明的又一个实施例中，所述组织培养装置包括设于所述脉动发生装置上方的血管组织培养支架和多孔隔板，可以实现血管细胞和其他细胞等多种细胞的培养。所述多孔隔板19可以有效的降低流体剪切力，以免脉动发生装置产生的脉动流会将细胞组织上的细胞冲散，或者将整个细胞组织冲散；同时，可以直接将其他细胞组织（如肌肉细胞组织等）置于多孔隔板19上进行培养。

本发明的一个实施例中，如图1到图4所示，所述箱体1底部的直径朝着箱体1底壁的方向逐渐减小形成收缩部26，所述固定架6的底面周向边缘抵紧在所述收缩部26上。所述收缩部为一环形倾斜面，该环形倾斜面与脉动培养箱上部竖直内侧壁之间的夹角α为3~10°，硅胶膜17套在所述固定架6底面上可以卡紧在收缩部26与固定架6之间，进行密封。

本发明的另一个实施例中，所述收缩部26为弧形收缩部。

本发明的一个实施例中，所述进液口和出液口上均设有直通水嘴2，所述直通水嘴2之间的夹角为120~150°。

本发明的一个实施例中，如图1所示，所述箱体1的顶部设有加液管5和/或通气管，所述箱体1顶部设有盖板22，所述加液管5和/或通气管设在所述盖板22上，所述盖板22为亚克力盖板，其中所述通气管包括进气管3和出气管4。脉动培养箱可以通过进气管3和出气管4与外界通气，通过加液管5可以给脉动培养箱加液；因此，该脉动培养箱可以直接放进二氧化碳培养箱里面，与二氧化碳培养箱通气，可以有效的控制培养液的PH值与温度，为细胞培养提供一个较为稳定和舒适的培养环境。

如图5所示，本发明还提供一种灌流培养系统，其中，包括储液瓶23、液体驱动器24和培养箱25，所述储液瓶23、液体驱动器24和培养箱25通过管路依次连接，液体驱动器24驱动储液瓶23提供流量为 1~10ml/min的培养液，从而形成流体循环回路；所述培养箱25为实施例1或2所述的脉动培养箱，所述与培养箱25连接的管路通过所述箱体1上的进液口和出液口上的直通水嘴2与所述培养箱25内部连通。所述直通水嘴2之间的夹角为120~150°的钝角，方便观察与取出培养箱25。

驱动装置7提供1~100次/min的来回转动，带动螺纹推杆18往复伸缩运动，推动硅胶膜17变形产生往复伸缩运动，鼓动培养液，模拟心脏泵血功能，从而使培养液在培养箱25产生脉动流，对血管组织进行培养。脉动流经过多孔隔板19后可以有效的降低流体剪切力，不会将血管组织培养支架上血管组织的细胞冲散，或者将整个血管组织冲散，从而对血管组织进行培养。

同时，驱动装置7提供1~100次/min的来回转动，通过带动连杆13来带动连杆延伸板12在限位槽11中进行往复运动，连杆延伸板12与第二固定环支架14连接，第二固定环支架14与硅胶管8一端的固定环9连接，从而带动硅胶管8上的血管组织往复运动，第一固定环支架10和第二固定环支架14之间的直径会随运动产生变化，使硅胶管8产生径向形变，进而促使套在其上的血管组织产生径向变形，模拟生物力学，达到模拟血管收缩舒张的效果。另外，还可以用来模拟血管两侧受到较强的流体剪切力后，对细胞培养状态会造成的影响。上述过程在培养箱25内部完成，避免了跟外界接触，减少了细胞污染可能。上述过程由一个工控机（未显示）控制。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种脉动培养箱，其特征在于，包括箱体（1）、设于所述箱体（1）内部的组织培养装置和脉动发生装置、以及用于驱动所述脉动发生装置产生脉动流的驱动装置（7），所述箱体（1）上设有进液口和出液口；

所述脉动发生装置包括环设在所述箱体（1）下部内侧壁上的固定架（6），所述固定架（6）上设有大通孔（61），所述固定架（6）底面上套设有覆盖住所述大通孔（61）的硅胶膜（17），所述驱动装置（7）上设有螺纹推杆（18），所述螺纹推杆（18）能够在驱动装置（7）的带动下推动所述硅胶膜（17）产生形变；

所述驱动装置（7）设置在所述硅胶膜（17）下方，所述组织培养装置包括设于所述脉动发生装置上方的血管组织培养支架；

所述血管组织培养支架包括用于套设血管组织的硅胶管（8）、第一支撑装置和第二支撑装置，所述硅胶管（8）的一端通过所述第一支撑装置固定连接在所述固定架（6）上，所述硅胶管（8）的另一端通过所述第二支撑装置与所述驱动装置（7）连接，所述固定架（6）上与所述第一支撑装置相对的一侧设有限位槽（11），所述驱动装置（7）能够通过第二支撑装置带动所述硅胶管（8）的所述另一端沿所述限位槽（11）进行往复运动。

2.根据权利要求1所述的脉动培养箱，其特征在于，所述组织培养装置还包括设于所述脉动发生装置上方的多孔隔板（19）。

3.根据权利要求1所述的脉动培养箱，其特征在于，所述第一支撑装置包括固定连接在所述固定架（6）上的第一固定环支架（10），所述第二支撑装置包括一端与所述驱动装置（7）连接的连杆（13）、连接在所述连杆（13）另一端的连杆延伸板（12）以及固定在所述连杆延伸板（12）上的第二固定环支架（14），所述连杆延伸板（12）设在所述限位槽（11）下方，所述第二固定环支架（14）穿过所述限位槽（11）与所述连杆延伸板（12）连接，所述第一固定环支架（10）和第二固定环支架（14）的顶端均设有固定环（9），所述硅胶管（8）的两端分别固定于所述第一固定环支架（10）和第二固定环支架（14）上的固定环（9）中。

4.根据权利要求1所述的脉动培养箱，其特征在于，所述箱体（1）底部的直径朝着箱体（1）底壁的方向逐渐减小形成收缩部（26），所述固定架（6）的底面周向边缘抵紧在所述收缩部（26）上。

5.根据权利要求2所述的脉动培养箱，其特征在于，所述箱体（1）的内侧壁上至少设有两个沿所述箱体（1）内侧壁竖直方向的槽口（20），所述多孔隔板（19）的边缘设有与所述槽口（20）对应配合的卡块（21），所述多孔隔板（19）通过所述卡块（21）与所述槽口（20）的配合固定在所述箱体（1）内侧壁上。

6.根据权利要求1所述的脉动培养箱，其特征在于，所述进液口和出液口上均设有直通水嘴（2），所述直通水嘴（2）之间的夹角为120~150°。

7.根据权利要求1~6任一项所述的脉动培养箱，其特征在于，所述箱体（1）的顶部设有加液管（5）和/或通气管，所述箱体（1）顶部设有盖板（22），所述加液管（5）和/或通气管设在所述盖板（22）上，其中所述通气管包括进气管（3）和出气管（4）。

8.一种灌流培养系统，其特征在于，包括储液瓶（23）、液体驱动器（24）和培养箱（25），所述储液瓶（23）、液体驱动器（24）和培养箱（25）通过管路依次连接，形成流体循环回路；所述培养箱（25）为权利要求1到7任一所述的脉动培养箱，其中，所述管路通过箱体（1）上的进液口和出液口与所述培养箱（25）内部连通。

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