CN110564613A - 一种培养单元及具有其的生物培养系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种培养单元。一种培养单元，其中，包括依次设置的底层通道板、中间层盖板和顶层盖板，所述底层通道板上设有至少一条培养通道，所述各培养通道的入口处均设有其中一条通路与对应培养通道连通的三通阀，所述各培养通道的出口处设有用于关闭培养通道出口的阀门。本发明还提供一种具有上述培养单元的生物培养系统及其工作方法。本发明可以为细胞提供动态的培养环境，并可以方便有效地提供应力刺激促进肿瘤细胞快速增殖，通过多种可调因素调节至最优继而提高成瘤率，减少成瘤时间。
Description
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，涉及一种培养单元及具有其的生物培养系统及其工作方法。
背景技术
传统药物测试时分为体内和体外两种方法，体外方法是将测试细胞例如肿瘤细胞在培养瓶内扩增，待其增殖至一定的数量后进行药物测试，此种方法简单可靠，但是这种方法也有以下不足之处：1)培养瓶、培养皿等培养器材，细胞在其表面的生长条件为二维环境，因为与体内三维环境迥异，在实际应用中随着培养代数的增加测试细胞的生长特性会有所改变，耐药性也会有不同；2)长时间培养过程中，反复打开培养瓶进行换液、传代等操作就大大增加了污染的风险。
体内测试方法是将肿瘤细胞或者是肿瘤组织移植进免疫缺陷小鼠的体内，待其长至一定的程度然后进行药物测试，但是这种方法成瘤率较低、成瘤时间较长(2到3个月)且成本较高(5万元左右)，这三种原因导致其也无法进行大规模的药物测试。并且成瘤时间较长再加上后续的药物测试时间，即使有患者选择了做此项测试也很有可能会错过最佳的用药窗口。
发明内容
为克服上述药物测试存在的不足，本发明提供一种培养单元及具有其的生物培养系统及其工作方法。本发明可以为细胞提供动态的培养环境，刺激肿瘤细胞的快速增殖，通过多种可调因素调节至最优继而提高成瘤率，减少成瘤时间。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种培养单元，其中，包括依次设置的底层通道板、中间层盖板和顶层盖板，所述底层通道板上设有至少一条培养通道，所述各培养通道的入口处均设有其中一条通路与对应培养通道连通的三通阀，所述各培养通道的出口处设有用于关闭培养通道出口的阀门。所述中间层盖板通过键合方式与底层通道板结合在一起，顶层盖板通过螺钉固定安装在中间层盖板上。在培养通道的入口处设置三通阀，在出口处设置阀门，这样就可以通过三通阀在培养通道上接两路驱动力，在使用该培养单元进行细胞培养时，其中一路驱动力可以用作正常的脉动流循环流动培养，此时培养通道出口处的阀门是打开的；另一路驱动力可以用作压力刺激培养，此时培养通道出口处的阀门是关闭的，培养单元内部形成封闭空间，该路驱动力可以向培养池内部施加压力对培养池内的待培养细胞进行压力刺激培养。
进一步的，所述培养通道包括培养池、与所述培养池一端连通的入液口、以及与所述培养池另一端连通的出液口，所述三通阀设在所述中间层盖板上与所述各培养通道的入液口对应的位置，所述阀门设在所述中间层盖板上与所述各培养通道的出液口对应的位置。阀门安装在各培养通道的出液口对应的位置，是为了在进行压力刺激培养时，关闭阀门使培养单元形成封闭空间；在日常培养时，阀门处于打开状态保证培养基在培养单元内的循环流动。培养池为长方体，其尺寸长为5-20mm，宽为1-10mm，高为1-10mm。
进一步的，所述各培养通道的入液口均包括相互连通的第一入液口和第二入液口，所述三通阀设在所述中间层盖板上与所述各培养通道的第一入液口和第二入液口的交叉处对应的位置，所述三通阀第一通路与所述第一入液口连通，所述三通阀第二通路与所述培养池连通，所述三通阀第三通路与所述第二入液口连通。
进一步的，所述中间层盖板上与所述培养池对应的位置设有检测窗口，所述顶层盖板设在所述检测窗口上，所述顶层盖板上设有压力传感器，压力传感器能够实时监测培养池内的液体压力。
优选的，所述底层通道板、中间层盖板和顶层盖板均由具有透光性能和生物相容性均优秀的合成高分子材料制成。例如：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
本发明还提供一种生物培养系统，其中，包括储液瓶、蠕动泵、注射泵和培养单元，所述培养单元为上述的培养单元，所述储液瓶通过管路与所述蠕动泵一端连接，所述蠕动泵另一端以及所述注射泵分别通过管路与所述培养单元入口处的三通阀的另外两条通路连通，所述培养单元的出口通过管路与所述储液瓶连接。具体的，所述蠕动泵通过管路与所述第一入液口连通，所述注射泵通过管路与所述第二入液口连通。在日常培养时，第一入液口打开，第二入液口关闭；在压力刺激培养时，第一入液口关闭，第二入液口打开。在日常培养时，储液瓶、蠕动泵和培养单元就形成了一个循环回路，储液瓶内盛装的是用于培养细胞的培养基。在进行压力刺激培养时，培养单元的培养通道内是放有含细胞培养物的，所述含细胞培养物为肿瘤细胞或肿瘤组织与饲养层细胞在静电纺丝膜上共同组成的共培养体系，日常培养时使用蠕动泵让储液瓶中的培养基在储液瓶、蠕动泵和培养单元的循环回路中形成脉动流循环流动；压力刺激培养时，关闭蠕动泵通路和培养单元出口处的阀门，使得培养单元形成封闭空间，然后通过注射泵推动液路内的培养基对培养单元内的含细胞培养物进行压力刺激。因为有文献及临床资料表明，机械应力的刺激会增加肿瘤细胞的增殖效率，因此本发明就通过周期性的压应力刺激来促使肿瘤细胞在初期快速增殖，待其增殖至一定程度后，就开启日常培养模式，使用蠕动泵产生的脉动流来模拟体内的动脉血流，更加的仿生。
本发明中，三通阀和阀门的工作状态如下：在日常培养时，阀门打开，三通阀的第一入液口打开，第二入液口关闭；在压力刺激培养时，阀门关闭，三通阀的第一入液口关闭，第二入液口打开。
优选的，本发明的生物培养系统还包括三气培养箱，所述储液瓶和培养单元均设在所述三气培养箱内部。当然，如果三气培养箱的体积够大的话，蠕动泵和注射泵也可以放进三气培养箱内部。三气培养箱除了可以对常规的湿度、温度进行调整以适应测试细胞的生长外，还可以精确对培养箱内部的氧气、二氧化碳和氮气浓度进行控制。有研究表明，体内肿瘤因为快速增殖，在肿瘤内部的氧分压会较正常组织为低，为了模拟体内的真实环境，本系统采用了三气培养箱以便对内部的氧浓度进行调整。
优选的，本发明的生物培养系统还包括控制单元，所述三通阀为电磁三通阀，所述阀门为电磁阀，所述蠕动泵、三通阀、注射泵、阀门和压力传感器均与所述控制单元连接。蠕动泵、三通阀、注射泵、阀门和压力传感器的动作均由控制单元统一控制。
进一步的，所述静电纺丝膜由合成高分子通过高压静电原理制造的纳米微丝构成。构成静电纺丝膜的材料有聚乳酸(PLA)、聚氨酯(PU)、聚己内酯(PCL)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、尼龙，以及纤维素、胶原和明胶等。肿瘤细胞或肿瘤组织与饲养层细胞在静电纺丝膜上可以共同种植在同一侧，也可以种植在静电纺丝膜的两侧。肿瘤细胞包括脑胶质瘤细胞、肺癌细胞、鼻咽癌细胞、食管癌细胞、胃癌细胞、大肠癌细胞、肝癌细胞和乳腺癌细胞等，肿瘤组织是指从患者体内提取的肿瘤组织，经伦理委员会审核及患者同意应用于研究，这些肿瘤组织切碎为0.2-5mm2且厚度不超过1mm的细长条进行培养，包括脑胶质瘤、肺癌、鼻咽癌、食管癌、胃癌、大肠癌、肝癌和乳腺癌等，饲养层细胞包括子宫上皮细胞和成纤维细胞等。
进一步的，所述储液瓶和蠕动泵之间的管路上还设有PH计和氧浓度计。PH计和氧浓度计可以实时监测培养液里面的PH值和溶氧浓度，保证待培养细胞良好的生存条件。
本发明还提供一种生物培养系统的工作方法，其中，该生物培养系统具有两套动力源来分别驱动培养单元内的培养基进行日常培养或压力刺激培养，所述日常培养时，阀门打开，蠕动泵驱动液路内的培养基在培养单元中形成循环脉动流对培养单元内的待培养细胞进行日常培养；所述压力刺激培养时，阀门关闭，培养单元形成密闭空间，注射泵推动液路内的培养基对培养单元内的待培养细胞进行压力刺激培养。
进一步的，所述注射泵推动的速率设有多种模式，通过不同模式的移动速率对培养单元内部培养的细胞形成不同的压力刺激。注射泵推动的速率模式具体包括如下几种：第一种，压力为梯形图，注射泵首先恒速前进到达最大设定值时，保持位置一段时间，然后再恒速推后到初始位置，反复循环；第二种，压力为三角形，注射泵在恒速前进到达最大设定值时不停留，直接恒速返回；第三种，压力为正弦曲线，注射泵首先以一定的加速度前进到达最大设定值，不停留，然后直接以相同的加速度返回。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的培养单元，特殊的结构设计可以方便地进行动态培养和对细胞进行应力刺激，而且压应力通过液体直接传递到细胞上，效果更明显。通过两套动力源来驱动培养单元内的培养基，日常培养时，出口阀门打开，使用蠕动泵通路，驱动培养基形成循环脉动流，可以为细胞提供动态的培养环境；压力刺激培养时，出口阀门关闭使培养单元形成封闭空间，三通阀关闭蠕动泵通路并打开注射泵通路，通过注射泵推动液路内的培养基对细胞进行压力刺激；并且，通过调节注射泵的推进速率就可以设置不同的压应力刺激方案，继而刺激肿瘤细胞的快速增殖，通过多种可调因素调节至最优继而提高成瘤率，减少成瘤时间。
本发明中的含细胞培养物为肿瘤细胞或肿瘤组织与饲养层细胞在静电纺丝膜上共同组成的共培养体系，可以为细胞提供与饲养层细胞共培养的环境，静电纺丝膜可以为细胞的生长提供三维微环境，更加的仿生，有利于细胞的增殖。
本发明的生物培养系统进行肿瘤药物测试较体内肿瘤药物测试的价格要更低，操作过程更为可控。
附图说明
图1是本发明培养单元的整体结构示意图。
图2是本发明培养单元的爆炸示意图。
图3是本发明生物培养系统的整体结构示意图。
图4是本发明中注射泵推动的速率第一种模式的速率曲线图。
图5是本发明中注射泵推动的速率第二种模式的速率曲线图。
图6是本发明中注射泵推动的速率第三种模式的速率曲线图。
图7是本发明实施例2中含细胞培养物的结构示意图。
图8是本发明实施例3中含细胞培养物的结构示意图。
图9是本发明实施例4中含细胞培养物的结构示意图。
图10是本发明实施例5中含细胞培养物的结构示意图。
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。
实施例1
如图1和图2所示，一种培养单元，其中，包括依次设置的底层通道板1、中间层盖板2和顶层盖板3，所述底层通道板1上设有至少一条培养通道，所述各培养通道的入口处均设有其中一条通路与对应培养通道连通的三通阀4，所述各培养通道的出口处设有用于关闭培养通道出口的阀门5。所述中间层盖板2通过键合方式与底层通道板1结合在一起，顶层盖板3通过螺钉固定安装在中间层盖板2上。在培养通道的入口处设置三通阀4，在出口处设置阀门5，这样就可以通过三通阀4在培养通道上接两路驱动力，在使用该培养单元进行细胞培养时，其中一路驱动力可以用作正常的脉动流循环流动培养，此时培养通道出口处的阀门5是打开的；另一路驱动力可以用作压力刺激培养，此时培养通道出口处的阀门5是关闭的，培养单元内部形成封闭空间，该路驱动力可以向培养通道内部施加压力对培养通道内的待培养细胞进行压力刺激培养。
如图1和图2所示，所述培养通道包括培养池6、与所述培养池6一端连通的入液口、以及与所述培养池6另一端连通的出液口7，所述三通阀4设在所述中间层盖板2上与所述各培养通道的入液口对应的位置，所述阀门5设在所述中间层盖板2上与所述各培养通道的出液口7对应的位置。阀门5安装在各培养通道的出液口7对应的位置，是为了在进行压力刺激培养时，阀门5关闭使培养单元形成封闭空间，在日常培养时，阀门5处于打开状态保证培养基在培养池内的循环流动。培养池6为长方体，其尺寸长为5-20mm，宽为1-10mm，高为1-10mm。
如图1和图2所示，所述各培养通道的入液口均包括相互连通的第一入液口8和第二入液口9，所述三通阀4设在所述中间层盖板2上与所述各培养通道的第一入液口8和第二入液口9的交叉处对应的位置，所述三通阀4第一通路与所述第一入液口8连通，所述三通阀4第二通路与所述培养池6连通，所述三通阀4第三通路与所述第二入液口9连通。
如图1和图2所示，所述中间层盖板2上与所述培养池6对应的位置设有检测窗口10，所述顶层盖板3设在所述检测窗口10上，所述顶层盖板3上设有压力传感器11，压力传感器11能够实时监测培养池6内的液体压力。
本实施例中，所述底层通道板1、中间层盖板2和顶层盖板3均由具有透光性能和生物相容性均优秀的合成高分子材料制成。
实施例2
如图3所示，一种生物培养系统，其中，包括储液瓶12、蠕动泵13、注射泵14和培养单元15，所述培养单元15为实施例1所述的培养单元，所述储液瓶12通过管路与所述蠕动泵13一端连接，所述蠕动泵13另一端以及所述注射泵14分别通过管路与所述培养单元15入口处的三通阀4的另外两条通路连通，所述培养单元15的出口通过管路与所述储液瓶12连接。具体的，所述蠕动泵13通过管路与所述第一入液口8连通，所述注射泵14通过管路与所述第二入液口9连通。在日常培养时，第一入液口8打开，第二入液口9关闭；在压力刺激培养时，第一入液口8关闭，第二入液口9打开。这样，储液瓶12、蠕动泵13和培养单元15就形成了一个循环回路，储液瓶12内盛装的是用于培养细胞的培养基。该生物培养系统包括两套动力源来驱动培养池内的培养基，在使用时，培养单元15内放置含细胞培养物，所述含细胞培养物为肿瘤细胞20或肿瘤组织21与饲养层细胞22在静电纺丝膜23上共同组成的共培养体系，日常培养时使用蠕动泵13让储液瓶12中的培养基在储液瓶12、蠕动泵13和培养单元15形成的循环回路中形成脉动流循环流动；压力刺激培养时，关闭蠕动泵13通路和培养单元15出口处的阀门5，使得培养单元15形成封闭空间，然后通过注射泵14推动液路内的培养基对培养单元15内的含细胞培养物进行压力刺激。因为有文献及临床资料表明，机械应力的刺激会增加肿瘤细胞20的增殖效率，因此本发明就通过周期性的压应力刺激来促使肿瘤细胞20在初期快速增殖，待其增殖至一定程度后，就开启日常培养模式，使用蠕动泵13产生的脉动流来模拟体内的动脉血流，达到仿生的效果。
本实施例中，三通阀4和阀门5的工作状态如下：在日常培养时，阀门5打开，三通阀4的第一入液口8打开，第二入液口9关闭；在压力刺激培养时，阀门5关闭，三通阀4的第一入液口8关闭，第二入液口9打开。
如图7所示，所述静电纺丝膜23由合成高分子通过高压静电原理制造的纳米微丝构成。肿瘤细胞20与饲养层细胞22在静电纺丝膜23上共同种植在同一侧。
如图3所示，所述储液瓶12和蠕动泵13之间的管路上还设有PH计18和氧浓度计19。PH计18和氧浓度计19可以实时监测培养液里面的PH值和溶氧浓度，保证待培养细胞良好的生存条件。
实施例3
本实施例与实施例2类似，其区别在于，如图8所示，肿瘤细胞20与饲养层细胞22在静电纺丝膜23上分别种植在其两侧。本实施例的其他部分与实施例2相同。
实施例4
本实施例与实施例2类似，其区别在于，如图9所示，含细胞培养物为肿瘤组织21与饲养层细胞22在静电纺丝膜23上共同组成的共培养体系，肿瘤组织21与饲养层细胞22在静电纺丝膜23上共同种植在同一侧。肿瘤组织21是指从患者体内提取的肿瘤组织21，经伦理委员会审核及患者同意应用于研究，这些肿瘤组织21切碎为0.2-5mm2且厚度不超过1mm的细长条进行培养。本实施例的其他部分与实施例2相同。
实施例5
本实施例与实施例4类似，其区别在于，如图10所示，肿瘤组织21与饲养层细胞22在静电纺丝膜23上种植在其两侧。本实施例的其他部分与实施例4相同。
实施例6
本实施例与实施例2类似，其区别在于，本实施例的生物培养系统还包括控制单元17，所述三通阀4为电磁三通阀4，所述阀门5为电磁阀，所述蠕动泵13、三通阀4、注射泵14、阀门5和压力传感器11均与所述控制单元17连接，蠕动泵13、三通阀4、注射泵14、阀门5和压力传感器11的动作均由控制单元17统一控制。本实施例中，蠕动泵13和注射泵14也设置在三气培养箱16内部。本实施例的其他部分与实施例2相同。
实施例7
一种生物培养系统的工作方法，其中，该生物培养系统为实施例2到实施例6任一所述的生物培养系统，该生物培养系统具有两套动力源来分别驱动培养单元15内的培养基进行日常培养或压力刺激培养，所述日常培养时，阀门5打开，蠕动泵13驱动液路内的培养基在培养单元15中形成循环脉动流对培养单元15内的待培养细胞进行日常培养；所述压力刺激培养时，阀门5关闭，培养单元15形成密闭空间，注射泵14推动液路内的培养基对培养单元15内的待培养细胞进行压力刺激培养。
如图4到图6所示，所述注射泵14推动的速率设有多种模式，通过不同模式的移动速率对培养单元15内部培养的细胞形成不同的压力刺激。注射泵14推动的速率模式具体包括如下几种：第一种，压力为梯形图，注射泵14首先恒速前进到达最大设定值时，保持位置一段时间，然后再恒速推后到初始位置，反复循环；第二种，压力为三角形，注射泵14在恒速前进到达最大设定值时不停留，直接恒速返回；第三种，压力为正弦曲线，注射泵14首先以一定的加速度前进到达最大设定值，不停留，然后直接以相同的加速度返回。
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 (12)
1.一种培养单元，其特征在于，包括依次设置的底层通道板(1)、中间层盖板(2)和顶层盖板(3)，所述底层通道板(1)上设有至少一条培养通道，所述各培养通道的入口处均设有其中一条通路与对应培养通道连通的三通阀(4)，所述各培养通道的出口处设有用于关闭培养通道出口的阀门(5)。
2.根据权利要求1所述的一种培养单元，其特征在于，所述培养通道包括培养池(6)、与所述培养池(6)一端连通的入液口、以及与所述培养池(6)另一端连通的出液口(7)，所述三通阀(4)设在所述中间层盖板(2)上与所述各培养通道的入液口对应的位置，所述阀门(5)设在所述中间层盖板(2)上与所述各培养通道的出液口(7)对应的位置。
3.根据权利要求2所述的一种培养单元，其特征在于，所述各培养通道的入液口均包括相互连通的第一入液口(8)和第二入液口(9)，所述三通阀(4)设在所述中间层盖板(2)上与所述各培养通道的第一入液口(8)和第二入液口(9)的交叉处对应的位置，所述三通阀(4)第一通路与所述第一入液口(8)连通，所述三通阀(4)第二通路与所述培养池(6)连通，所述三通阀(4)第三通路与所述第二入液口(9)连通。
4.根据权利要求2所述的一种培养单元，其特征在于，所述中间层盖板(2)上与所述培养池(6)对应的位置设有检测窗口(10)，所述顶层盖板(3)设在所述检测窗口(10)上，所述顶层盖板(3)上设有压力传感器(11)。
5.根据权利要求1所述的一种培养单元，其特征在于，所述底层通道板(1)、中间层盖板(2)和顶层盖板(3)均由具有透光性能和生物相容性的合成高分子材料制成。
6.一种生物培养系统，其特征在于，包括储液瓶(12)、蠕动泵(13)、注射泵(14)和培养单元(15)，所述培养单元(15)为权利要求1到6任一所述的培养单元，所述储液瓶(12)通过管路与所述蠕动泵(13)一端连接，所述蠕动泵(13)另一端以及所述注射泵(14)分别通过管路与所述培养单元(15)入口处的三通阀(4)的另外两条通路连接，所述培养单元(15)的出口通过管路与所述储液瓶(12)连接。
7.根据权利要求6所述的一种生物培养系统，其特征在于，还包括三气培养箱(16)，所述储液瓶(12)和培养单元(15)均设在所述三气培养箱(16)内部。
8.根据权利要求6或7所述的一种生物培养系统，其特征在于，还包括控制单元(17)，所述三通阀(4)为电磁三通阀，所述阀门(5)为电磁阀，所述顶层盖板(3)上与对应培养通道对应的位置设有压力传感器(11)，所述蠕动泵(13)、三通阀(4)、注射泵(14)、阀门(5)和压力传感器(11)均与所述控制单元(17)连接。
9.根据权利要求6所述的一种生物培养系统，其特征在于，所述培养单元(15)的培养通道内设有含细胞培养物，所述含细胞培养物为肿瘤细胞(20)或肿瘤组织(21)与饲养层细胞(22)在静电纺丝膜(23)上共同组成的共培养体系，所述静电纺丝膜由合成高分子通过高压静电原理制造的纳米微丝构成。
10.根据权利要求6所述的一种生物培养系统，其特征在于，所述储液瓶(12)和蠕动泵(13)之间的管路上还设有PH计(18)和氧浓度计(19)。
11.一种生物培养系统的工作方法，其特征在于：该生物培养系统具有两套动力源来分别驱动培养单元(15)内的培养基进行日常培养或压力刺激培养，所述日常培养时，阀门(5)打开，蠕动泵(13)驱动液路内的培养基在培养单元(15)中形成循环脉动流对培养单元(15)内的待培养细胞进行日常培养；所述压力刺激培养时，阀门(5)关闭，培养单元(15)形成密闭空间，注射泵(14)推动液路内的培养基对培养单元(15)内的待培养细胞进行压力刺激培养。
12.根据权利要求11所述的使用方法，其特征在于，压力刺激培养时，注射泵(14)推动的速率设有多种模式，通过不同模式的移动速率对培养单元(15)内部培养的细胞形成不同的压力刺激。
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