CN110734858B - 一种多模式三维灌流式细胞培养仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多模式三维灌流式细胞培养仪，包括：培养仪本体，培养仪本体上设置有培养室，培养室内安装有反应器，培养仪本体内左侧设置有培养液存储器以及蠕动泵，培养仪本体内右侧设置有废液收集器，培养液存储器、蠕动泵、反应器及废液收集器之间通过乳胶导管进行顺次串联，蠕动泵与反应器之间通过乳胶导管还顺次串联有气体交换器和气泡分离器，气体交换器两侧还分别连接有氧气供给装置和气体收集装置。本发明所公开的细胞培养仪既可以满足无较高氧需求的组织或相关细胞的培养条件，也可以满足有较高氧需求如神经元、肺脏等组织或相关细胞的体外培养条件，扩大了三维培养组织细胞的种类和范围，从而实现多模式操作，一机多用，实用性更强。

Description

一种多模式三维灌流式细胞培养仪

技术领域

本发明涉及细胞培养及再生医学技术领域，尤其涉及一种多模式三维灌流式细胞培养仪。

背景技术

细胞是研究生命过程的基本模型，但普通二维单层细胞培养所取得的结果和体内情况不符，因为细胞在体外改变的环境下分裂增殖，逐渐丧失了体内原有性状。动物实验因体内多种因素制约以及体内和外界环境相互影响而变得复杂化，难以研究单一过程。随着组织工程的新兴发展，三维细胞培养技术填补了二维单层细胞培养和动物实验的鸿沟。

在常规的二维单层细胞培养中，一般采用静态培养的方法。仔细观察静态培养中的微环境，不难发现培养液的总体积数倍大于与所培植细胞真正接触的培养液体积，这一过大的“死角体积”阻碍了细胞的分化。在静态环境中，细胞产生的代谢废物积累在培养腔室中，对分化有害。引入动态的灌流培养，保证持续新鲜的细胞培养液以恒定的速率进入反应器内部，提供细胞分化增殖所必须的营养和诱导因子，并及时移去代谢废物。离开灌注反应器的培养液不再循环使用，而是通过乳胶导管被导入废液瓶，这为分化奠定了前提。

现阶段的三维灌流式细胞培养仪多采用将干细胞置于反应器中，通过连续向反应器中加入化学培养液及适当的诱导因子，从而实现干细胞体外定向诱导分化为各种类组织或类器官。由于反应器在反应过程中是密闭环境，无额外氧气进入，比较适合对氧份无特殊要求的肝脏、肾脏、骨/软骨等组织的再生或相关细胞的体外培养，但对于神经元、肺脏等对氧份有较高要求的组织，在进行体外培养时，则需要供给更多的氧份，而传统的三维灌流式细胞培养仪因无法满足高氧份供给而不适宜对神经元、肺脏等高需氧组织细胞的体外培养，设备功能相对单一。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种多模式三维灌流式细胞培养仪，来解决传统三维灌流式细胞培养仪无法进行高需氧组织细胞体外培养、功能单一的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是：一种多模式三维灌流式细胞培养仪，包括：培养仪本体，所述培养仪本体上设置有培养室，所述培养室内安装有反应器，所述培养仪本体内左侧设置有培养液存储器以及蠕动泵，所述培养仪本体内右侧设置有废液收集器，所述培养液存储器、蠕动泵、反应器及废液收集器之间通过乳胶导管进行顺次串联，所述蠕动泵与反应器之间通过乳胶导管还顺次串联有气体交换器和气泡分离器，所述气体交换器两侧还分别连接有气体供给装置和气体收集装置。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述气体交换器包括有第一壳体及渗透管，所述渗透管呈螺旋状安装在第一壳体内，渗透管的一端穿过第一壳体左侧壁并通过乳胶导管与蠕动泵可拆卸连接，渗透管的另一端穿过第一壳体右侧壁并通过乳胶导管与气泡分离器可拆卸连接。

进一步，优选的，所述第一壳体左侧壁设置有用于连接气体供给装置的进气口，所述第一壳体右侧壁设置有用于连接气体收集装置的出气口。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述气体供给装置通过第一气管与所述进气口可拆卸连接，所述第一气管上设置有气压调节阀，所述气体收集装置通过第二气管与所述出气口可拆卸连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述气体交换器还包括气压传感器，所述气压传感器与所述第一壳体内部相连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述气泡分离器包括有第二壳体及分液隔板，所述分液隔板竖直设置在第二壳体内并将第二壳体分割为左腔室和右腔室，所述左腔室底部侧壁通过乳胶导管与第一壳体右侧壁可拆卸连接，所述右腔室底部侧壁通过乳胶导管与反应器进液口可拆卸连接，所述左腔室和右腔室上端相互连通,且第二壳体顶部设置有第一排气口，所述第一排气口上设置有第一细菌滤膜。

进一步，优选的，所述左腔室内竖直方向设置有多个转动滚轮，且相邻两个所述转动滚轮彼此相切。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述气泡分离器包括有第三壳体，第三壳体顶部通过通过乳胶导管与第一壳体右侧壁可拆卸连接，第三壳体底部通过乳胶导管与反应器进液口可拆卸连接，所述第三壳体内从上往下水平地设置有多个滤过腔室，所述滤过腔室底部设置有渗透滤膜，每个滤过腔室侧壁上端均设置有第二排气口，所述第二排气口上设置有第二细菌滤膜。

进一步，优选的，所述各层渗透滤膜从上往下其表面的过滤孔径依次减小。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述培养室底部设置有固定放置所述气体交换器、气泡分离器以及反应器的安装槽。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明所公开的多模式三维灌流式细胞培养仪，通过设置培养仪本体，在培养仪本体内通过乳胶导管顺次连接培养液存储器、蠕动泵、反应器及废液收集器，通过在蠕动泵与反应器之间通过乳胶导管顺次串联有气体交换器和气泡分离器，并通过气体供给装置向气体交换器中连续通入氧气，一部分氧气在气体交换器中渗入到渗透管中并与渗透管中流动的培养液进行混合，剩余的氧气通过气体收集装置进行收集，从而使培养液中溶解有一定量氧份直至饱和_。但是，引入气体交换器虽然提高了乳胶导管中的氧气含量，但在培养液中形成了大量气泡。小气泡会融合成大气泡。这些气泡能形成气拴,破坏液体灌注的连续性。尤其是气泡在被培养的细胞或组织外植体表面产生不均匀的培养液交换,导致液压的改变并引起局部营养短缺,给细胞分化或组织维持带来致命的危害。有鉴于此，本发明创新地引入气泡分离器。利用气泡分离器过滤掉培养液中的气泡，最终使进入到反应器中的培养液既富含一定的氧份，又不含对培养有害的气泡，从而满足神经元、肺脏等高需氧组织细胞的培养。

2、本发明所公开的气体供给装置，除了加注氧气，也可以加注其他气体，如二氧化碳或氮气，从而满足对该类气体有特殊需求的某种动植物或微生物的组织或细胞的体外培养。

3、本发明培养仪中的气体交换器、气泡分离器、蠕动泵及反应器均可以实现可拆卸连接，使得操作比较灵活。除了满足神经元、肺脏等高需氧组织细胞的体外培养，本发明细胞培养仪还可以满足对氧气无特殊要求的肝脏、肾脏、骨/软骨等组织或相关细胞的体外培养，扩大了三维培养组织/细胞的种类和范围，故可以实现一机多用，实用性更强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所公开的多模式三维灌流式细胞培养仪的立体结构示意图；

图2为本发明所公开的多模式三维灌流式细胞培养仪中培养室结构示意图；

图3为本发明A处局部结构放大示意图；

图4为本发明所公开的气体交换器结构示意图；

图5为本发明所公开的气泡分离器第一实施例结构示意图；

图6为本发明所公开的气泡分离器第二实施例结构示意图；

图7为本发明所公开的无较高氧需求模式下组织细胞培养原理图；

图8为本发明所公开的有较高氧需求模式下组织细胞培养原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

如图1和2所示，结合图3、7和8所示，本发明实施例公开了一种多模式三维灌流式细胞培养仪，包括培养仪本体1，所述培养仪本体1上设置有培养室2，所述培养室2内安装有反应器3，具体的，培养室2底部设置有安装槽21，可方便反应器3可拆卸地安装在安装槽21中，反应器3用于置入组织或细胞、细胞培养液及人工脉管，人工脉管为聚酯纤维，组织或细胞夹在两层人工脉管之间，形成“三明治”培养，通过连续灌注细胞培养液，可以实现干细胞的体外定向诱导分化或细胞/组织的培养。在本实施例中，为了使反应器3能够模拟体内生长环境，培养室2底部设置有37℃热控制平台，从而使组织或细胞模拟体内正常的新陈代谢温度。

培养仪本体1内左侧设置有培养液存储器4以及蠕动泵5，培养液存储器4用来储存细胞培养所需要的化学培养液，蠕动泵5用来抽吸培养液存储器4中的化学培养液，并调整培养液的流向和流速。

培养仪本体1内右侧设置有废液收集器6，废液收集器6用来收集反应器3中产生的细胞废液。

培养液存储器4、蠕动泵5、反应器3及废液收集器6之间通过乳胶导管7进行顺次串联。此种结构设置，通过蠕动泵5抽吸培养液存储器4中的化学培养液，并向反应器3中单向连续灌注化学培养液，可以满足对氧气无特殊要求的肝脏、肾脏、骨/软骨再生或相关细胞的培养。

蠕动泵5与反应器3之间通过乳胶导管7顺次串联有气体交换器8和气泡分离器9，气体交换器8两侧还分别连接有气体供给装置10和气体收集装置11，通过气体供给装置10向气体交换器8中连续通入氧气，一部分氧气在气体交换器8中渗入到下文所述的渗透管中并与渗透管中流动的培养液进行混合，剩余的氧气通过气体收集装置11进行收集，从而使培养液中溶解有一定量的氧份直至饱和。但是，引入气体交换器虽然提高了乳胶导管中的氧气含量，但在培养液中产生了大量气泡。小气泡会融合成大气泡。这些气泡能形成气拴,破坏液体灌注的连续性。尤其是气泡在被培养的细胞或组织外植体表面产生不均匀的培养液交换,导致液压的改变并引起局部营养短缺,给细胞分化或组织维持带来致命的危害。有鉴于此，本发明实施例引入了气泡分离器9，利用气泡分离器9可以过滤掉培养液中气泡，最终使进入到反应器中的培养液富含一定的氧份，从而可以满足对氧份有较高需求的组织/细胞的体外培养。

因此，采用上述技术方案，本发明实施例所公开的三维灌流式细胞培养仪既可以实现对氧份没有特别要求的组织/细胞的培养，又可以实现对氧份有较高要求的组织/细胞的培养，扩大了三维培养组织/细胞的种类和范围，真正实现一机多用，具有较强的实用性和推广性。

本发明实施例还通过如下技术方案进行实现。

参照附图4所示，气体交换器8包括有第一壳体81及渗透管82，所述渗透管82呈螺旋状安装在第一壳体81内，渗透管82的一端穿过第一壳体81左侧壁并通过乳胶导管7与蠕动泵5可拆卸连接，渗透管82的另一端穿过第一壳体81右侧壁并通过乳胶导管7与气泡分离器9可拆卸连接。第一壳体81左侧壁设置有用于连接氧气供给装置10的进气口811，所述第一壳体81右侧壁设置有用于连接气体收集装置11的出气口812。在本实施例中，通过气体供给装置10可以向第一壳体81内持续供入氧气，并通过气体收集装置11对多余的氧气进行收集，以实现第一壳体81内的氧气处于连续灌注状态。渗透管82呈螺旋状安装在第一壳体81内，可以使渗透管82在第一壳体81内可以接触到更大面积的氧气提高吸入量。所采用的渗透管82选用对气体具有高通透性的薄壁材料，由此便于外输氧气高效率地渗入到渗透管82中但又不至于渗出培养液，氧气能与培养液进行充分混合，使得连续灌注状态下的培养液具有充分的含氧量直至溶解氧达到饱和。

作为一些实施例，氧气供给装置10为高压氧气瓶，由此可以保证进入到第一壳体81内的氧气在高压条件下更容易渗入到渗透管82中，从而与渗透管82中的培养液进行充分混合。

气体收集装置11为气体收集瓶，用来收集气体交换器8中多余的氧气。

气体供给装置10通过第一气管101与所述进气口811可拆卸连接，第一气管101上设置有气压调节阀102，气体收集装置11通过第二气管103与所述出气口812可拆卸连接。通过气压调节阀102可以调节氧气通入第一壳体81的压力，气体供给装置10和气体收集装置11均可以和气体交换器8进行可拆卸连接，方便进行不同模式下组织细胞的培养工作。

在本实施例中，气体供给装置10和气体收集装置11可以设置在培养仪本体1内部，也可以设置在培养室2内。

除了氧气，气体供给装置10也可以加注其他气体，如二氧化碳或氮气，从而满足对该类气体有特殊需求的某种动植物或微生物的组织或细胞的体外培养。

在本实施例中，气体交换器8还包括气压传感器83，所述气压传感器83与所述第一壳体81内部相连接。通过气压传感器83可以检测出第一壳体81内的气压值，方便根据气压检测数据，并通过气压调节阀102进行参数调节。以便于合适的控制第一壳体81内氧气注入压力，使得培养液根据需要，通过渗透管82渗入适当比例的氧份，以满足高需氧组织或细胞的增殖和分化。

因第一壳体81内渗入到渗透管82中氧气在溶解在培养液的过程中，有一定量的氧气会以气泡的形式混合在培养液中，小气泡会融合成大气泡。这些气泡能形成气拴,破坏液体灌注的连续性。尤其是气泡在被培养的细胞或组织外植体表面产生不均匀的培养液交换,导致液压的改变并引起局部营养短缺,给细胞分化或组织维持带来致命的危害。因此需要对渗透管82中气泡进行脱泡处理，本实施例采用如下两种技术方案：

参照附图5所示，作为一种实施例，气泡分离器9包括有第二壳体91及分液隔板92，所述分液隔板92竖直设置在第二壳体91内并将第二壳体91分割为左腔室911和右腔室912，所述左腔室911底部侧壁通过乳胶导管7与第一壳体81右侧壁可拆卸连接，所述右腔室912底部侧壁通过乳胶导管7与反应器3进液口可拆卸连接，所述左腔室911和右腔室912上端相互连通,且第二壳体91顶部设置有第一排气口93，所述第一排气口93上设置有第一细菌滤膜931。

采用上述技术方案，从渗透管82中流出的培养液从左腔室911底部注入，液面在左腔室911中逐渐升高，在上升的过程中，培养液也处于流动状态，培养液中的气泡会陆续从培养液中升起，并通过第二壳体91顶部的第一排气口93排出。第一排气口93设置的第一细菌滤膜931，方便气体排出，同时可以阻隔细菌进入防止污染。同时因蠕动泵5在灌注培养液中产生一定的灌注压力，使得第一细菌滤膜931向外排出乳胶导管中的氧气气泡。左腔室911中的培养液在上升的过程中，逐渐脱除粒径较大的气泡，从而得到符合要求的培养液，除泡后的培养液漫过分液隔板92后流入到右腔室912内，最后通过右腔室912流入到反应器3中进行高需氧组织细胞的培养。

为了更好的实现上述技术方案中气泡的脱除，在左腔室911内竖直方向设置有多个转动滚轮94，且相邻两个所述转动滚轮94彼此相切。采用这样的结构设计，可以使左腔室911内向上流动的培养液带动转动滚轮94发生转动，并通过转动滚轮94之间相切转动对培养液中的气泡进行碾压，从而使培养液中的气泡挤压碾碎，并通过第一排气口93排出。

参照附图6所示，作为另一种实施例，气泡分离器9包括有第三壳体95，第三壳体95顶部通过乳胶导管7与第一壳体81右侧壁可拆卸连接，第三壳体95底部通过乳胶导管7与反应器3进液口可拆卸连接，所述第三壳体95内从上往下水平设置有多个滤过腔室96，所述滤过腔室96底部设置有渗透滤膜97，每个滤过腔室96侧壁上端均设置有第二排气口98，所述第二排气口98上设置有第二细菌滤膜99。

采用上述技术方案，从渗透管82中流出的培养液从第三壳体95顶部注入，进入到最上端的滤过腔室96内，通过滤过腔室96底部的渗透滤膜97将培养液过滤到下一个滤过腔室96内，培养液中的气泡会通过第二排气口98进行排出。第二排气口98设置的第二细菌滤膜99，方便气体排出，同时可以阻隔细菌进入防止污染。培养液依次经过每个滤过腔室96，各层渗透滤膜97从上往下其表面的过滤孔径依次减小，从而使培养液在经过各层渗透滤膜97后，逐渐将气泡排出第三壳体95，由此实现进入到反应器3中的培养液不含气泡。

在本发明上述实施例中，培养室2底部设置有放置所述气体交换器8和气泡分离器9的安装槽21。通过设置安装槽21，方便气体交换器8和气泡分离器9的安装固定，也便于拆卸，同时气体交换器8和气泡分离器9安装在培养室2底部，即和反应器3一起安装在37℃热控制平台上，一方面，通过热控制平台对气体交换器8的加热，可以使通入到气体交换器8中的氧气在适宜的环境条件上更快地融入到培养液中，满足组织或细胞培养所需的环境条件。另一方面，通过热控制平台对气泡分离器9进行加热，也更有利于气泡在培养液中消融，从而减少培养液中过量的气泡对组织或细胞培养造成的危害。

综上所述，本发明所公开的三维灌流式细胞培养仪，当不安装气体交换器8、气泡分离器9时，可以满足对氧气无特殊要求的肝脏、肾脏、骨/软骨等组织的再生或相关细胞的体外培养。当安装气体交换器8、气泡分离器9时，可以实现对高需氧组织细胞的体外培养，从而扩大了三维培养组织/细胞的种类和范围，实现了多模式操作，一机多用，实用性更强。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多模式三维灌流式细胞培养仪，包括：培养仪本体（1），所述培养仪本体（1）上设置有培养室（2），所述培养室（2）内安装有反应器（3），所述培养仪本体（1）内左侧设置有培养液存储器（4）以及蠕动泵，所述培养仪本体（1）内右侧设置有废液收集器（6），所述培养液存储器（4）、蠕动泵（5）、反应器（3）及废液收集器（6）之间通过乳胶导管（7）进行顺次串联，其特征在于，所述蠕动泵（5）与反应器（3）之间通过乳胶导管（7）还顺次串联有气体交换器（8）和气泡分离器（9），所述气体交换器（8）两侧还分别连接有气体供给装置（10）和气体收集装置（11）；

所述气体交换器（8）包括有第一壳体（81）及渗透管（82），所述渗透管（82）呈螺旋状安装在第一壳体（81）内，渗透管（82）的一端穿过第一壳体（81）左侧壁并通过乳胶导管（7）与蠕动泵（5）可拆卸连接，渗透管（82）的另一端穿过第一壳体（81）右侧壁并通过乳胶导管（7）与气泡分离器（9）可拆卸连接；

所述气泡分离器（9）包括有第二壳体（91）及分液隔板（92），所述分液隔板（92）竖直设置在第二壳体（91）内并将第二壳体（91）分割为左腔室（911）和右腔室（912），所述左腔室（911）底部侧壁通过乳胶导管（7）与第一壳体（81）右侧壁可拆卸连接，所述右腔室（912）底部侧壁通过乳胶导管（7）与反应器（3）进液口可拆卸连接，所述左腔室（911）和右腔室（912）上端相互连通,且第二壳体（91）顶部设置有第一排气口（93），所述第一排气口（93）上设置有第一细菌滤膜（931）；

所述左腔室（911）内竖直方向设置有多个转动滚轮（94），且相邻两个所述转动滚轮（94）彼此相切。

2.根据权利要求1所述的一种多模式三维灌流式细胞培养仪，其特征在于：所述第一壳体（81）左侧壁设置有用于连接氧气供给装置（10）的进气口（811），所述第一壳体（81）右侧壁设置有用于连接气体收集装置（11）的出气口（812）。

3.根据权利要求2所述的一种多模式三维灌流式细胞培养仪，其特征在于：所述氧气供给装置（10）通过第一气管与所述进气口（811）可拆卸连接，所述第一气管上设置有气压调节阀（102），所述气体收集装置（11）通过第二气管与所述出气口（812）可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的一种多模式三维灌流式细胞培养仪，其特征在于：所述气体交换器（8）还包括气压传感器（83），所述气压传感器（83）与所述第一壳体（81）内部相连接。

5.根据权利要求1所述的一种多模式三维灌流式细胞培养仪，其特征在于：所述气泡分离器（9）包括有第三壳体（95），第三壳体（95）顶部通过通过乳胶导管（7）与第一壳体（81）右侧壁可拆卸连接，第三壳体（95）底部通过乳胶导管（7）与反应器（3）进液口可拆卸连接，所述第三壳体（95）内从上往下水平设置有多个滤过腔室（96），所述滤过腔室（96）底部设置有渗透滤膜（97），每个滤过腔室（96）侧壁上端均设置有第二排气口（98），所述第二排气口（98）上设置有第二细菌滤膜（99）。

6.根据权利要求5所述的一种多模式三维灌流式细胞培养仪，其特征在于：所述各层渗透滤膜（97）从上往下其表面的过滤孔径依次减小。

7.根据权利要求1所述的一种多模式三维灌流式细胞培养仪，其特征在于：所述培养室（2）底部设置有固定放置所述气体交换器（8）、气泡分离器（9）以及反应器（3）的安装槽。

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