CN110358684A - 一种细胞自动培养装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种细胞自动培养装置，包括密闭二氧化碳培养箱、光谱测量系统、培养平台、蠕动泵、摄像头、细胞培养袋、储液袋、细胞检测装置和智能终端。光谱测量系统、培养平台、蠕动泵、摄像头、细胞培养袋和细胞检测装置置于密闭培养箱内，光谱测量系统采用光学传感器；智能终端与蠕动泵、培养平台云台、摄像头、光谱仪有线或无线连接，实时显示密闭培养箱内图像、细胞悬液pH、细胞密度、细胞体积。此外，本发明还公开了该装置的使用方法。本发明可将细胞大规模扩增过程自动化，使用非接触式光学传感器在线测量细胞悬液pH与细胞密度，降低细胞污染风险。内置模糊控制器控制pH与细胞密度维持在稳定值，提高培养效率同时降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及细胞培养技术领域，涉及一种细胞自动培养装置；此外，本发明还涉及该细胞自动培养装置的使用方法。
背景技术
细胞体外扩增技术是一种常见的细胞培养技术，培养流程涉及细胞分离与扩增。分离细胞一般放在37°的细胞培养箱中进行培养。在整个培养周期，细胞将从10ml左右扩增到1.5L。人工操作时，需要反复将培养容器从细胞培养箱中取出，在洁净工作台中进行取样与添加细胞培养基，直到培养完成。培养过程中进行pH测量与密度测量时，需采样送至pH计测量pH，使用显微镜或细胞计数仪测量细胞密度。采样过程增加细胞受到污染的风险。特别地，当培养的细胞产品用于免疫治疗时，临床上规定一个细胞房只能培养一个病人的细胞，两个病人在同一个细胞培养房内时不允许的，因为无法保证两个病人的血细胞培养不互相交叉污染。因此手动培养方式手续繁琐，效率低下，人力物力消耗大，成本高，无法大规模推广。更为关键的是，由于培养细胞存在个体差异，手工培养方式难以保证细胞培养数量和培养质量的稳定性。
因此，本领域亟需研发一种细胞自动培养装置，能实现细胞体外扩增过程的自动化实现，减少人工操作带来的污染风险，并有效保障细胞培养数量和培养质量的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对手动培养方式容易污染细胞培养环境且效率低下的缺点，提供一种细胞自动培养装置及其使用方法，可以在线非接触测量细胞悬液pH值与细胞密度，能实现细胞体外扩增过程的自动化实现，减少人工操作带来的污染风险，并保障细胞培养数量和培养质量的稳定性。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种细胞自动培养装置，包括密闭培养箱、光谱测量系统、培养平台、蠕动泵、摄像头、细胞培养袋、储液袋、细胞检测装置和智能终端。所述光谱测量系统、培养平台、蠕动泵、摄像头、细胞培养袋和细胞检测装置置于密闭培养箱内，所述光谱测量系统采用光学传感器，可以在非接触环境下培养细胞并在线测量细胞悬液pH与细胞密度；所述储液袋固定于密闭培养箱外侧壁；所述智能终端实时显示密闭培养箱内图像、细胞悬液pH、细胞密度、细胞体积；所述培养平台包括云台、载物平台，载物平台置于云台上方；所述智能终端与蠕动泵、培养平台云台、摄像头、光谱仪有线或无线连接；所述细胞培养袋置于培养平台上方与储液袋及细胞检测装置相连。
所述非接触是指细胞培养及观察、测量都在密闭培养箱中进行，不与操作者发生接触。
作为本发明优选的技术方案，所述密闭培养箱为二氧化碳培养箱，在细胞培养时使箱体内保持特定温度和特定气体密度。所述密闭培养箱控制箱内优选方案为温度为37℃，二氧化碳浓度为5%。
作为本发明优选的技术方案，该装置还包括工作台；所述智能终端采用计算机和操作面板、或者采用智能手机，所述计算机置于工作台上。
作为本发明优选的技术方案，所述培养平台包括一台可在垂直方向转动的云台及一个置于云台上的载物平台，载物平台通过螺栓固定在云台上，随着云台在垂直方向转动，载物平台最大水平倾角为±45°。
作为本发明优选的技术方案，所述细胞培养袋置于培养平台上方，与普通细胞培养袋不同的是，该细胞培养袋包括两个开口，开口一为细胞培养基进液口，连接无菌软管穿过蠕动泵卡口与储液袋相连，开口二与细胞检测装置相连。该细胞培养袋的容积优选为1.8L。
作为本发明优选的技术方案，所述细胞检测装置包括石英流通池以及一个无菌空气滤器；所述细胞培养袋、石英流通池、无菌空气滤器通过无菌密闭软管连接，培养平台向右摆动时，根据连通器原理，细胞悬液流入石英流通池进行参数检测，培养平台向左摆动时，细胞悬液流回细胞培养袋。
作为本发明优选的技术方案，所述光谱测量系统通过非接触式方法测量细胞密度与细胞悬液pH；所述光谱测量系统包括光源、光纤一、光纤二、光谱仪、准直透镜，光纤一连接光源和支架；光纤二连接支架和光谱仪；准直透镜安装在支架上。光源与光纤以及准直透镜提供通过细胞悬液的稳定光路，光谱仪用于接收细胞悬液的透射光谱，采集pH、细胞密度参数。
作为本发明优选的技术方案，所述操作面板包括两类按钮，一类是培养状态监测按钮，操作实时显示当前培养箱内图像、细胞悬液pH、细胞密度、当前细胞体积；一类是培养流程控制按钮，能启动、停止培养流程，并能选择两种灌注模式：模式一为定时定量灌注模式，模式二为智能控制灌注模式；所述智能控制灌注模式使用模糊控制器进行输出决策，维持pH与细胞密度值为适合细胞生长水平。
此外，本发明提供一种如上所述的细胞自动培养装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤S1：将细胞悬液灌注进细胞培养袋，将细胞培养基灌注进储液袋；
步骤S2：使用蠕动泵专用无菌软管连接管路，细胞培养袋开口一与储液袋开口连接，细胞培养袋开口二与细胞检测装置连接；
步骤S3：细胞培养袋水平放置于培养平台上，储液袋悬挂于细胞培养箱外，将细胞培养袋与储液袋之间的软管放置在蠕动泵滚轴上并卡紧压板，将测量装置的无菌空气滤器固定于培养箱侧壁上方；
步骤S4：在操作面板处启动培养程序，选择培养方案；
步骤S5：点击“培养开始”按钮，仪器开始工作并根据检测的参数进行培养基灌注；
步骤S6：根据实际情况，待细胞培养袋内体积增大到所需体积时，点击“培养结束”按钮，结束培养；
步骤S7：将细胞培养袋从装置中取出收获，进行后续处理。
作为本发明优选的技术方案，步骤S1中，在将细胞培养基灌注进储液袋之后，使用止血夹夹紧细胞培养袋开口一、开口二与储液袋开口；步骤S3完成后，打开细胞培养袋开口、开口与储液袋开口处的止血夹；步骤S7中将细胞培养袋从装置中取出收获之前，使用止血夹夹紧细胞培养袋开口一，开口二。
作为本发明优选的技术方案，步骤S4中，选择培养方案为定时定量培养时，输入灌注间隔时间，每次灌注体积；选择培养方案为智能培养时，无需输入参数。
与现有细胞手工培养技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明可以在线非接触测量细胞悬液pH值与细胞密度，能实现细胞体外扩增过程的自动化实现，减少人工操作带来的污染风险并保障细胞培养数量和培养质量的稳定性。使用的传感器为光学传感器，为非接触式传感器，非接触是指细胞培养及观察、测量都在密闭培养箱中进行，不与操作者发生接触，非接触在线测量细胞悬液pH与细胞密度，从而降低细胞污染风险。内置模糊控制器控制pH与细胞密度维持在稳定值，提高培养效率同时降低成本，并保障细胞培养数量和培养质量的稳定性。本发明的细胞自动培养装置，占用空间小，成本低，采用非接触式的光学传感器在线测量pH与细胞密度，避免交叉感染。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图中附图标记说明如下：
1-密闭培养箱；2-蠕动泵；3-光源；4-光谱仪；5-摄像头；6- 云台；7-载物平台；8-细胞培养袋；9-蠕动泵软管；10-储液袋；11-细胞培养袋开口一；12-细胞培养袋开口二；13-石英流通池；14-准直透镜；15-无菌软管；16-无菌空气滤器；17-光纤一；18-光纤二；19-微型计算机；20-操作面板；21-工作台；22-摄像头数据线；23-光谱仪数据线；24-蠕动泵数据线；25-云台数据线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的细胞自动培养装置，包括密闭培养箱1与工作台21。所述密闭培养箱1内置光谱测量系统、培养平台、蠕动泵2、摄像头5、细胞培养袋8、细胞检测装置及相关管路。储液袋10固定于密闭培养箱1外侧壁；所述光谱测量系统采用光学传感器，通过非接触式方法测量细胞密度与细胞悬液pH；所述光谱测量系统包括光源3、光谱仪4、光纤一17、光纤二18、石英流通池13与准直透镜14，准直透镜14安装在支架上。光纤一17连接光源3和准直透镜14的支架；光纤二18连接准直透镜14的支架和光谱仪4。细胞悬液充满石英流通池13时，进行pH与细胞密度的测量。所述培养平台下方为云台6，上方固定载物平台7，云台6可在垂直方向上摆动，载物平台7用于搭载细胞培养袋8。载物平台7通过螺栓固定在云台6上，随着云台6在垂直方向转动，载物平台7最大水平倾角为±45°。所述细胞培养袋8存在2个开口，开口一11通过蠕动泵软管9与储液袋10相连，开口二12依次与石英流通池13、无菌软管15及无菌空气滤器16相连。根据连通器原理，培养平台顺时针转动，细胞悬液经过开口二12流进石英流通池13进行检测。培养平台逆时针转动，细胞悬液流回细胞培养袋8。所述蠕动泵2压紧压板后，具有防回流功能。所述摄像头5可以实时采集装置内图像。所述工作台21上置有微型计算机19与操作面板20。所述微型计算机19通过摄像头数据线22、光谱仪数据线23、蠕动泵数据线24、云台数据线25分别与摄像头5、光谱仪4、蠕动泵2和云台6相连，发送数据与接收指令。所述操作面板20为触控板，包括两类按钮，一类是培养状态监测按钮，可实时显示当前培养箱内图像、细胞悬液pH、细胞密度、当前细胞体积；一类是培养流程控制按钮，能启动、停止培养流程，可选择灌注两种模式：模式一为定时定量灌注模式，模式二为智能控制灌注模式。智能控制灌注模式以维持pH与细胞密度值适合细胞生长水平为目的，使用模糊控制器进行输出决策。
本发明还提供一种上述实施例所述的细胞自动培养装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤S1：将所述细胞培养装置置于洁净室内，在超净台中将细胞悬液灌注进细胞培养袋8，其体积应大于400ml，将细胞培养基灌注进储液袋10，使用止血夹夹紧细胞培养袋8开口一11、开口二12与储液袋10开口；
步骤S2：在超净台上使用蠕动泵2专用无菌软管9连接管路，细胞培养袋8开口一11与储液袋10开口连接，细胞培养袋8开口二12与细胞检测装置石英连通池13连接。
步骤S3：细胞培养袋8水平放置于载物平台7上，储液袋10悬挂于细胞培养箱1外，将细胞培养袋8与储液袋10之间的软管9放置在蠕动泵2滚轴上并卡紧压板，将测量装置的无菌空气滤器16固定于培养箱1侧壁上方，打开细胞培养袋8开口一11、开口二12与储液袋10开口处的止血夹。
步骤S4：在操作面板20处启动培养程序，选择培养方案，选择方案为定时定量培养时，输入灌注间隔时间，每次灌注体积；选择方案为智能培养时，无需输入参数。
步骤S5：点击开始“培养按钮”，仪器开始工作，每5分钟进行一次参数测量。
步骤S6：根据实际情况，待细胞培养袋8内体积增大到1.5L-1.8L时，点击“培养结束”按钮，结束培养。
步骤S7：使用止血夹夹紧细胞培养袋8开口一11，开口二12，将细胞培养袋8从装置中取出收获，进行后续处理。
实施例2
与实施例1不同之处在于，实施例1采用微型计算机19和操作面板20作为智能终端，实施例2采用手机作为智能终端。除此之外，其它均与实施例1相同。
综上所述，本发明提供一种细胞自动培养装置及其使用方法，占用空间小，成本低，采用非接触式的光学传感器在线测量pH与细胞密度，避免交叉感染。
上述较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和有点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种细胞自动培养装置，其特征在于：包括密闭培养箱、光谱测量系统、培养平台、蠕动泵、摄像头、细胞培养袋、储液袋、细胞检测装置和智能终端；
所述光谱测量系统、培养平台、蠕动泵、摄像头、细胞培养袋和细胞检测装置置于密闭培养箱内，所述光谱测量系统采用光学传感器；所述储液袋固定于密闭培养箱外侧壁；所述智能终端实时显示密闭培养箱内图像、细胞悬液pH、细胞密度、细胞体积；所述培养平台包括云台、载物平台，载物平台置于云台上方；所述智能终端与蠕动泵、培养平台云台、摄像头、光谱仪有线或无线连接；所述细胞培养袋置于培养平台上方与储液袋及细胞检测装置相连。
2.根据权利要求1所述的细胞自动培养装置，其特征在于：所述密闭培养箱为二氧化碳培养箱，在细胞培养时使箱体内保持特定温度和特定气体密度。
3.根据权利要求2所述的细胞自动培养装置，其特征在于：所述在细胞培养时使箱体内保持温度为37℃，二氧化碳浓度为5%。
4.根据权利要求1所述细胞自动培养装置，其特征在于：该装置还包括工作台；所述智能终端采用计算机和操作面板、或者采用智能手机，所述计算机置于工作台上。
5.根据权利要求1所述的细胞自动培养装置，其特征在于：所述培养平台包括一台可在垂直方向转动的云台及一个置于云台上的载物平台，载物平台通过螺栓固定在云台上，随着云台在垂直方向转动，载物平台最大水平倾角为±45°。
6.根据权利要求1所述的细胞自动培养装置，其特征在于：所述细胞培养袋置于培养平台上方，该细胞培养袋包括两个开口，开口一为细胞培养基进液口，连接无菌软管穿过蠕动泵卡口与储液袋相连，开口二与细胞检测装置相连。
7.根据权利要求1所述的细胞自动培养装置，其特征在于：所述细胞检测装置包括石英流通池以及一个无菌空气滤器；所述细胞培养袋、石英流通池、无菌空气滤器通过无菌密闭软管连接，培养平台向右摆动时，根据连通器原理，细胞悬液流入石英流通池进行参数检测，培养平台向左摆动时，细胞悬液流回细胞培养袋。
8.根据权利要求1所述的细胞自动培养装置，其特征在于：所述光谱测量系统通过非接触式方法测量细胞密度与细胞悬液pH；所述光谱测量系统包括光源、光纤一、光纤二、支架、光谱仪和准直透镜；光纤一连接光源和支架；光纤二连接支架和光谱仪；准直透镜安装在支架上。
9.根据权利要求4所述的细胞自动培养装置，其特征在于：所述操作面板包括两类按钮，一类是培养状态监测按钮，操作实时显示当前培养箱内图像、细胞悬液pH、细胞密度、当前细胞体积；一类是培养流程控制按钮，能启动、停止培养流程，并能选择两种灌注模式：模式一为定时定量灌注模式，模式二为智能控制灌注模式；所述智能控制灌注模式使用模糊控制器进行输出决策，维持pH与细胞密度值为适合细胞生长水平。
10.根据权利要求1-9任一项所述的细胞自动培养装置的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：将细胞悬液灌注进细胞培养袋，将细胞培养基灌注进储液袋；
步骤S2：使用蠕动泵专用无菌软管连接管路，细胞培养袋开口一与储液袋开口连接，细胞培养袋开口二与细胞检测装置连接；
步骤S3：细胞培养袋水平放置于培养平台上，储液袋悬挂于细胞培养箱外，将细胞培养袋与储液袋之间的软管放置在蠕动泵滚轴上并卡紧压板，将测量装置的无菌空气滤器固定于培养箱侧壁上方；
步骤S4：在操作面板处启动培养程序，选择培养方案；
步骤S5：点击“培养开始”按钮，仪器开始工作并根据检测的参数进行培养基灌注；
步骤S6：根据实际情况，待细胞培养袋内体积增大到所需体积时，点击“培养结束”按钮，结束培养；
步骤S7：将细胞培养袋从装置中取出收获，进行后续处理。
11.如权利要求10所述的使用方法，其特征在于，步骤S1中，在将细胞培养基灌注进储液袋之后，使用止血夹夹紧细胞培养袋开口一、开口二与储液袋开口；步骤S3完成后，打开细胞培养袋开口、开口与储液袋开口处的止血夹；步骤S7中将细胞培养袋从装置中取出收获之前，使用止血夹夹紧细胞培养袋开口一，开口二。
12.如权利要求10所述的使用方法，其特征在于，步骤S4中，选择培养方案为定时定量培养时，输入灌注间隔时间，每次灌注体积；选择培养方案为智能培养时，无需输入参数。
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