CN109777739A - 一种仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器，包括干细胞培养层、氧气供给层和氧气增透膜，氧气供给层和干细胞培养层平行设置，氧气增透膜设置在氧气供给层和干细胞培养层之间；氧气供给层内的氧气通过氧气增透膜进入干细胞培养层。氧气供给层设有氧溶液通道，干细胞培养层设有培养液通道，培养液通道包括两端的主流道和中部多级设置的若干分支流道；氧溶液通道和培养液通道平行同向设置。该反应器采用氧气增透膜将氧气供给与干细胞培养隔离，氧气交换只能发生在氧气增透膜的表面，避免了干细胞培养过程中细胞与流体剪切力、细胞与气泡相互作用导致干细胞损伤。属于生物细胞培养技术领域。

Description

一种仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器

技术领域

本发明涉及生物细胞培养技术领域，具体地说是一种仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器。

背景技术

细胞是生命的基本单位，犹如分子是物质的基本单位一样，细胞的功能决定了器官以及组织的功能，器官组织再构成了生命体。例如心肌细胞构成了心脏，成为人体不可或缺的器官。心脏的细胞本身不具备自我更新的能力，因此在面对心衰等机理性心肌细胞死亡的疾病时，心肌细胞死亡后便不再自我更新，带来器官的细胞数量不足，导致心脏功能衰竭。

干细胞是一类具有自我更新能力以及分化成为多种其它功能性细胞，例如心肌细胞、神经细胞等功能性细胞能力的“原始细胞”。新的心脏疾病治疗理念就是注射混合干细胞来源的心肌细胞，这种混合细胞具有自我更新的能力，因此具有修复功能。这些有效的细胞疗法，特别是在临床开发应用中，都需要大量的这类细胞，因此干细胞规模化制造成为生物医学工程领域亟待解决的问题。

体外干细胞生物反应器是干细胞体外培养的关键设备，为干细胞提供了一个适宜的生长环境，使之快速增殖并形成所需的生物组织制品。但是由于干细胞在其形态结构、培养方法以及所需的力学环境等方面均不同于微生物细胞，因而传统的微生物反应器显然已不适用于干细胞大规模培养。根据研究表明干细胞具有无细胞壁、对剪切极端敏感等特点；同时对干细胞生长控制，还要注意防止细胞分化和细胞凋亡，这些特点要求干细胞生物反应器必须具有低剪切效应，混合性能好等特点。

由于上述干细胞的特点，因此干细胞的培养既要保证培养液与氧气的充分混合，又要避免流体剪切和气泡对细胞的损伤与破坏。根据气液传质和流体力学等理论的指导，细胞与流体剪切力、细胞与气泡相互作用机理已逐步理清，可通过机械搅拌和直接通气鼓泡来强化气液传质能力和流体混合条件。但是研究也发现如要使培养过程和生物反应器能支持10⁸cell/ml以上细胞高密度生长的能力，关键还在于同时能够有效消除流体剪切和气泡对细胞的损伤与破损作用。可是氧气在水中的溶解度较低，为维持在规模化大体积培养液中有恒定的溶解氧，通常还得采用连续不断地进行气液传质来供氧，且氧气泡直径越小，氧传质速率越大，供氧效果越好。传统的生物反应器通常采用膜过滤器以及机械搅拌产生微米级气泡，但是产生的气泡都在微米级别以上，纳米级气泡产生相对困难，其结构、形貌、物理特性等内在机制还处于研究阶段。

基于微流控芯片的微生物反应系统有望成为干细胞规模化制造的载体。organs-on-chips(OOCs)OOCs有时被称为微生理系统或组织芯片，它基于被称为微流控芯片的结构化微器件，细胞可以在培养基中维持。与由干细胞自发发育的类器官不同，OOCs是被设计出来的。芯片的结构、细胞的类型和位置决定了组织的形成和排列。这意味着它们通常比类器官更稳定。OOCs也可以更复杂，因为开发人员可以添加工程元素，比如传感器、促进流体和气体交换的“血管系统”，以及促进成像的功能，这些功能在类器官中是不会自发产生的。OOCs可以被设计成具有类器官通常无法匹配的复杂程度。例如，它们可以模拟生理特性，例如组织拉伸，脉动和蠕动。OOCs也可以连接在一起，创建多器官“body-on-a-chip”模型。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器。该反应器采用氧气增透膜将氧气供给与干细胞培养隔离，氧气交换只能发生在氧气增透膜的表面，避免了干细胞培养过程中细胞与流体剪切力、细胞与气泡相互作用导致干细胞损伤。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器，包括干细胞培养层、氧气供给层和氧气增透膜，氧气供给层和干细胞培养层平行设置，氧气增透膜设置在氧气供给层和干细胞培养层之间；氧气供给层内的氧气通过氧气增透膜进入干细胞培养层。

优选地，氧气供给层设有氧溶液通道，干细胞培养层设有培养液通道，培养液通道包括两端的主流道和中部多级设置的若干分支流道；氧溶液通道和培养液通道平行同向设置。

优选地，氧溶液通道内的氧溶液流向与培养液通道内的培养液的流向相反。

优选地，分支流道仿毛细血管的末端设计，分支流道的前半部分为倒树形多级排列设置、后半部分与前半部分镜像对称。

优选地，培养液通道设有培养液入口和培养液出口；在培养液出口处设有压力传感器探头；压力传感器监控培养液通道内的压力，进而调整培养液的注入速度，实现培养液流速的控制；氧溶液通道设有氧溶液入口和氧溶液出口。

优选地，对应分支流道的前半部分，氧气交换发生面积逐渐增大。

优选地，通过流体力学模拟氧气交换环境，获取氧气浓度梯度与氧气交换发生面积之间的关系，确定分支流道的级数分布和大小，竖直方向上补正流道的深度数据以维持培养液的匀速流动，优化得到最佳的微流控芯片设计参数与流体运动参数。

优选地，本发明的反应器放置在培养器内使用，培养器内的培养液由培养液入口进入培养液通道并由培养液出口排出培养液通道；培养器内配置有用于检测和控制培养器换液时间的pH传感器和温度传感器，仍留有扩展接口连接其他需要的状态监控传感器。微流控芯片上还留有用于连接其他需要的状态监控传感器的扩展接口，参考图6上预留的各种扩展接口。

优选地，多个微流控芯片依次连通设置，形成连续的反应系统。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.采用氧气增透膜将氧溶液与培养液物理隔离，氧气交换只能发生在氧气增透膜的表面，避免了干细胞培养过程中细胞与流体剪切力、细胞与气泡相互作用导致干细胞损伤。保证培养液持续获得氧气补给，确保干细胞快速生长与高速繁殖。

2.同时参考毛细血管末端与生物组织的氧气养料交换原理，将其运用至干细胞培养反应器的设计中。在培养液通道中，氧气交换的发生面积逐步增大，氧溶液与培养液对向流动进行氧气交换。

3.本发明的微流控芯片模仿毛细血管末端设计而成，通过流体力学模拟氧气交换环境，获取氧气浓度梯度与氧气交换发生面积之间的关系，确定分支流道的级数分布和大小，竖直方向上补正流道的深度数据以维持培养液的匀速流动，优化得到最佳的微流控芯片设计参数与流体运动参数。

4.多个微流控芯片依次连通设置形成连续的反应系统，实现连续生长反应系统，提高培养效率。

附图说明

图1为本发明的微流控芯片的爆炸示意图。

图2为本发明的反应器的侧视剖面图。

图3为仿毛细血管设计的培养液通道阵列的平面视图。

图4为氧溶液的流速、剪切速率控制示意图。

图5为培养液的流速、剪切速率控制示意图。

图6为微流控芯片的照片，微流控芯片上设有培养液入口(左)和压力传感器探头(右)。

图中的标号和对应的零部件名称为：1-为氧溶液入口，2-氧溶液出口，3-培养液入口，4-培养液出口，5-压力传感器探头，6-氧溶液通道，7-培养液通道，8-氧气供给层，9-干细胞培养层，10-氧气增透膜，图中箭头方向表示流向。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明做进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

一种仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器，包括干细胞培养层、氧气供给层和氧气增透膜。氧气供给层设有氧溶液通道，干细胞培养层设有培养液通道，氧溶液通道和培养液通道平行同向设置，氧溶液通道内的氧溶液流向与培养液通道内的培养液的流向相反，氧气增透膜设置在氧溶液通道和培养液通道之间。利用氧气增透膜将氧溶液和培养液隔离，氧气交换仅仅发生在氧气增透膜的表面，避免了流体剪切和气泡对培养液中细胞的损伤与破坏。

培养液通道包括两侧的主流道和中部仿毛细血管末端设计的多级设置的若干分支流道；分支流道的前半部分倒树形多级排列设置、后半部分与前半部分镜像对称。本实施例中，如图3所示，第一级分支流道为两条流道，第二级分支流道为四条分支流道，第三级分支为八条分支流道，第四级分支流道为四条分支流道，第五季分支流道为两条分支流道，左右两侧为主流道。对应分支流道的前半部分，氧气交换发生面积逐渐增大。由于仿毛细血管末端设计的若干级分支流道和氧溶液与培养液的对向流动，进而保证培养液持续获得氧气供给，确保干细胞快速的生产与高速繁殖，提高氧气供给效率，提高产率。

如图4所示，氧溶液通道设有氧溶液入口和氧溶液出口，图中箭头方向标明了液体流向。如图5所示，培养液通道设有培养液入口和培养液出口，图中箭头方向标明了液体流向；在培养液出口的前侧设有压力传感器探头，参考图6给出的微流控芯片的照片示意图，图6是实验过程中，用来测试压力与液体流速匹配的专用的微流控芯片。压力传感器监控培养液通道内的压力，进而调整培养液的注入速度，实现培养液流速的控制。配合分支流道的分布设计，可以换算出剪切速率的大小。模拟干细胞生长环境所必须的剪切力，但是又不至于因剪切力过大而导致细胞破坏。

将微流控芯片放置在培养器内使用，培养器内的培养液由培养液入口进入培养液通道并由培养液出口排出培养液通道；培养器内配置有用于检测和控制培养器换液时间的pH传感器和温度传感器。通过模拟体内干细胞生长环境所必须的温度、pH值等外部环境，进一步寻找最优干细胞生长参数，以期实现较高的产率。干细胞培养所需的功能液分别控制注入培养液通道，配合实现干细胞的培养。

本发明的微流控芯片的设计过程：通过流体力学模拟氧气交换环境，获取氧气浓度梯度与氧气交换发生面积之间的关系，确定分支流道的级数分布和大小，竖直方向上补正流道的深度数据以维持培养液的匀速流动，优化得到最佳的微流控芯片设计参数与流体运动参数。

除了上述实施例提及的方式外，还可以将多个微流控芯片依次连通设置，形成连续的反应系统，实现连续生长反应系统，提高培养效率。与微流控芯片间多级对应的微流控芯片内多级同理，即：在同一个微流控芯片上的分支级数，也可以根据实验需要调整增加或者减少，并不仅限于实例提到的1：2：4：8：4：2：1。这些变换方式均在本发明的保护范围内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器，其特征在于：包括干细胞培养层、氧气供给层和氧气增透膜，氧气供给层和干细胞培养层平行设置，氧气增透膜设置在氧气供给层和干细胞培养层之间；氧气供给层内的氧气通过氧气增透膜进入干细胞培养层。

2.按照权利要求1所述的仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器，其特征在于：氧气供给层设有氧溶液通道，干细胞培养层设有培养液通道，培养液通道包括两端的主流道和中部多级设置的若干分支流道；氧溶液通道和培养液通道平行同向设置。

3.按照权利要求2所述的仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器，其特征在于：氧溶液通道内的氧溶液流向与培养液通道内的培养液的流向相反。

4.按照权利要求2所述的仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器，其特征在于：分支流道仿毛细血管的末端设计，分支流道的前半部分为倒树形多级排列设置、后半部分与前半部分镜像对称。

5.按照权利要求2所述的仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器，其特征在于：培养液通道设有培养液入口和培养液出口；在培养液出口处设有压力传感器探头；压力传感器监控培养液通道内的压力，进而调整培养液的注入速度，实现培养液流速的控制；氧溶液通道设有氧溶液入口和氧溶液出口。

6.按照权利要求4所述的仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器，其特征在于：对应分支流道的前半部分，氧气交换发生面积逐渐增大。

7.按照权利要求6所述的仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器，其特征在于：通过流体力学模拟氧气交换环境，获取氧气浓度梯度与氧气交换发生面积之间的关系，确定分支流道的级数分布和大小，竖直方向上补正流道的深度数据以维持培养液的匀速流动，优化得到最佳的微流控芯片设计参数与流体运动参数。

8.按照权利要求5所述的仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器，其特征在于：放置在培养器内使用，培养器内的培养液由培养液入口进入培养液通道并由培养液出口排出培养液通道；培养器内配置有用于检测和控制培养器换液时间的pH传感器和温度传感器。

9.按照权利要求1所述的仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器，其特征在于：多个微流控芯片依次连通设置，形成连续的反应系统。