CN111117862A - 用于生物反应器的细胞分离装置 - Google Patents

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Abstract

本公开公开了用于生物反应器的细胞分离装置，其包括：细胞分离组件，其设置在罐体内并浸没在混合物的液面下方并且包括过滤膜片和液体导流槽，过滤膜片构造成过滤混合物并将分离出的液体引导至液体导流槽内，液体导流槽包括径向外侧壁和径向内侧壁，液体导流槽的内部空腔仅通过径向内侧壁或径向外侧壁上的一个或多个开口与罐体流体连通；和切向流驱动组件，其包括一个或多个桨叶，桨叶位于细胞分离组件的径向内部并且能够围绕旋转轴旋转，以驱动混合物沿着细胞分离组件的内侧表面和外侧表面两者进行切向循环流动。细胞分离装置实现低剪切力，并且不容易堵塞滤膜。

Description

用于生物反应器的细胞分离装置
技术领域
本公开总体上涉及生物反应器领域。更具体来说，本公开涉及一种用于生物反应器的细胞分离装置。
背景技术
在动物细胞扩增中，越来越多的工艺涉及到细胞与培养基或其他液体的分离，这些工艺包括灌流培养、换液或细胞清洗等。传统的分离设备包括ATF系统和TFF系统等。这些系统利用隔膜泵或离心泵作为动力，将细胞与培养基的混合物泵送到中空纤维柱中，并且利用中空纤维柱的纤维孔隙进行细胞与培养基的分离。这些系统采用隔膜泵或离心泵作为泵送细胞培养基混合物的动力，存在剪切力过高的缺点。动物细胞(特别是人类T细胞或干细胞)对剪切力非常敏感，剪切力过高有可能导致干细胞的肿瘤化或细胞标志物的丢失，严重影响细胞治疗类产品的使用安全。
另一种分离装置利用漂浮在混合物液面上方的过滤系统来分离细胞与培养基。这种分离装置的混合物流动方向与滤膜过滤方向保持一致，在使用过程中很容易造成滤膜的阻塞。滤膜阻塞往往意味着整个工艺的失败，不但为企业带来巨大的经济损失，同时也耽误了病人宝贵的生物样本和治疗时间。
发明内容
本公开的目的之一是提供一种能够克服现有技术中至少一个缺陷的细胞分离装置。
根据下面描述的各方面说明了本公开的主题技术。为方便起见，将主题技术的各方面的各种示例描述为标号的条款(1、2、3等)。这些条款是作为示例提供的，而非限制本公开的主题技术。
1.一种用于生物反应器的细胞分离装置，生物反应器包括用于容纳细胞和液体的混合物的罐体，其中，细胞分离装置包括：
细胞分离组件，所述细胞分离组件设置在罐体内并浸没在混合物的液面下方，细胞分离组件包括过滤膜片和液体导流槽，过滤膜片构造成过滤混合物并将分离出的液体引导至液体导流槽内，液体导流槽包括径向外侧壁和径向内侧壁，液体导流槽的内部空腔仅通过径向内侧壁上的一个或多个开口并透过过滤膜片与罐体流体连通、或者仅通过径向外侧壁上的一个或多个开口并透过过滤膜片与罐体流体连通；和
切向流驱动组件，所述切向流驱动组件包括一个或多个桨叶，所述桨叶位于细胞分离组件的径向内部并且能够围绕旋转轴旋转，以驱动混合物沿着过滤膜片进行切向流动。
2.根据条款1所述的细胞分离装置，其中，细胞分离装置还包括液体收集组件，所述液体收集组件设置在罐体外部，并且包括流体连接至液体导流槽的收集容器。
3.根据条款2所述的细胞分离装置，其中，液体收集组件包括将收集容器流体连接至液体导流槽的收集管。
4.根据条款3所述的细胞分离装置，其中，泵设置在收集管上，并构造成将分离的液体从液体导流槽泵送至收集容器。
5.根据条款4所述的细胞分离装置，其中，泵包括蠕动泵。
6.根据条款3所述的细胞分离装置，其中，压力传感器设置在收集管内，以监控收集管内的液体压力。
7.根据条款1-6中任一项所述的细胞分离装置，其中，细胞分离组件还包括位于液体导流槽和过滤膜片之间的支撑片材，所述支撑片材构造成支撑过滤膜片。
8.根据条款7所述的细胞分离装置，其中，过滤膜片通过热熔、粘结或激光焊接固定至支撑片材。
9.根据条款7所述的细胞分离装置，其中，支撑片材通过热熔、凹凸配合或激光焊接连接至液体导流槽。
10.根据条款3所述的细胞分离装置，其中，液体导流槽设有与收集管相连的导流管。
11.根据条款10所述的细胞分离装置，其中，导流管从液体导流槽的顶壁向上竖直延伸。
12.根据条款1-6中任一项所述的细胞分离装置，其中，液体导流槽设有支撑柱，所述支撑柱构造成将细胞分离组件支撑在罐体的底部的上方并与罐体的底部间隔开。
13.根据条款12所述的细胞分离装置，其中，支撑柱构造成通过从其径向辐射臂与液体导流槽的径向内侧壁相连。
14.根据条款12所述的细胞分离装置，其中，支撑柱构造成从液体导流槽的底壁向下延伸。
15.根据条款1-6中任一项所述的细胞分离装置，其中，过滤膜片采用PTFE、PP、PC、尼龙、PES或烧结多孔材料制成。
16.根据条款1-6中任一项所述的细胞分离装置，其中，过滤膜片的孔径为大约5μm、大约10μm、大约20μm、大约50μm、大约100μm或者大约200μm。
17.根据条款7所述的细胞分离装置，其中，支撑片材采用打孔的软性材料制成。
18.根据条款17所述的细胞分离装置，其中，软性材料包括软胶材料。
19.根据条款17所述的细胞分离装置，其中，孔的形状是大致圆形、大致方形或者大致六边形。
20.根据条款7所述的细胞分离装置，其中，支撑片材采用纤维多孔材料制成。
21.根据条款7所述的细胞分离装置，其中，支撑片材的厚度处于50μm-300μm之间。
22.根据条款1-6中任一项所述的细胞分离装置，其中，切向流驱动组件还包括用于驱动桨叶旋转的马达。
23.根据条款1-6中任一项所述的细胞分离装置，其中，桨叶的直径设置成稍小于细胞分离组件的内径，以在狭小的空间内提供切向流的流动效果。
24.根据条款1-6中任一项所述的细胞分离装置，其中，桨叶的直径被构造为罐体的内径的30％-45％。
25.根据条款1-6中任一项所述的细胞分离装置，其中，桨叶的径向最外点和过滤膜片的径向内表面之间的距离在1mm-5mm之间。
26.根据条款1-6中任一项所述的细胞分离装置，其中，桨叶采用完全轴流桨叶的形式。
27.根据条款1-6中任一项所述的细胞分离装置，其中，桨叶采用单层或多层象耳桨、海洋桨叶或螺带桨叶的形式。
本公开的主题技术的其它特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分地将从所述描述显而易见，或者可以通过实践本公开的主题技术来学习。通过在书面说明书及其权利要求书以及附图中特别指出的结构，将实现和获得本公开的主题技术的优点。
应当理解，前述一般性描述和以下详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在提供对要求保护的本公开的主题技术的进一步说明。
附图说明
在结合附图阅读下文的具体实施方式后，将更好地理解本公开的多个方面，在附图中：
图1是根据本公开实施例的细胞分离装置的示意图；
图2是图1所示的细胞分离装置的细胞分离组件的局部剖视图；
图3是图1所示的细胞分离装置的细胞分离组件的剖视图；和
图4和图5是图1所示的细胞分离装置的支撑片材的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图描述本公开，其中的附图示出了本公开的若干实施例。然而应当理解的是，本公开可以以多种不同的方式呈现出来，并不局限于下文描述的实施例；事实上，下文描述的实施例旨在使本公开的公开更为完整，并向本领域技术人员充分说明本公开的保护范围。还应当理解的是，本文公开的实施例能够以各种方式进行组合，从而提供更多额外的实施例。
应当理解的是，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在附图中，为清楚起见，某些特征的尺寸可以进行变形。
应当理解的是，说明书中的用辞仅用于描述特定的实施例，并不旨在限定本公开。说明书使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)除非另外定义，均具有本领域技术人员通常理解的含义。为简明和/或清楚起见，公知的功能或结构可以不再详细说明。
说明书使用的单数形式“一”、“所述”和“该”除非清楚指明，均包含复数形式。说明书使用的用辞“包括”、“包含”和“含有”表示存在所声称的特征，但并不排斥存在一个或多个其它特征。说明书使用的用辞“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意和全部组合。说明书使用的用辞“在X和Y之间”和“在大约X和Y之间”应当解释为包括X和Y。本说明书使用的用辞“在大约X和Y之间”的意思是“在大约X和大约Y之间”，并且本说明书使用的用辞“从大约X至Y”的意思是“从大约X至大约Y”。
在说明书中，称一个元件位于另一元件“上”、“附接”至另一元件、“连接”至另一元件、“耦合”至另一元件、或“接触”另一元件等时，该元件可以直接位于另一元件上、附接至另一元件、连接至另一元件、联接至另一元件或接触另一元件，或者可以存在中间元件。相对照的是，称一个元件“直接”位于另一元件“上”、“直接附接”至另一元件、“直接连接”至另一元件、“直接耦合”至另一元件或、或“直接接触”另一元件时，将不存在中间元件。在说明书中，一个特征布置成与另一特征“相邻”，可以指一个特征具有与相邻特征重叠的部分或者位于相邻特征上方或下方的部分。
在说明书中，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“高”、“低”等的空间关系用辞可以说明一个特征与另一特征在附图中的关系。应当理解的是，空间关系用辞除了包含附图所示的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“下方”的特征，此时可以描述为在其它特征的“上方”。装置还可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。
图1示出了根据本公开实施例的细胞分离装置1。该细胞分离装置1用于小型的一次性生物反应器。一次性生物反应器包括罐体2，以容纳细胞和培养基的混合物、或者细胞和其他液体的混合物。如图所示，细胞分离装置1包括切向流驱动组件3、细胞分离组件4和液体收集组件5。切向流驱动组件3和细胞分离组件4可以放置在生物反应器中位于罐体2内，而液体收集组件5可以放置在生物反应器中且位于罐体2之外。切向流驱动组件3用于使细胞和培养基(或者其他液体)的混合物沿着细胞分离组件4切向循环流动，细胞分离组件4用于在混合物切向循环流动期间将细胞和培养基(或者其他液体)分离开，而液体收集组件5用于将与细胞分离的培养基或其他液体收集起来。
细胞分离组件4放置在罐体2内，并且浸没在细胞和培养基(或者其他液体)的混合物的液面下方。细胞分离组件4呈大致中空筒体状，并且包括彼此邻接的过滤膜片41、支撑片材42和液体导流槽43，如图2和3所示。过滤膜片41用于过滤细胞和培养基(或者其他液体)的混合物，在阻挡细胞通过过滤膜片41的同时、让培养基(或者其他液体)通过过滤膜片41流向液体导流槽43。支撑片材42用于支撑过滤膜片41，以使过滤膜片41保持平整。液体导流槽43用于容纳穿过过滤膜片41的培养基(或者其他液体)并引导其流出罐体2。
如图3所示，液体导流槽43呈中空筒体状，并且包括径向外侧壁44和径向内侧壁47、以及在径向外侧壁44和径向内侧壁47之间延伸的顶壁45和底壁46。径向外侧壁44、径向内侧壁47、顶壁45和底壁46包围液体导流槽43的内部空腔，并且该内部空腔仅通过径向内侧壁47上的一个或多个开口49并透过过滤膜片41与罐体2流体连通。
液体导流槽43还设有导流管48，以用于将所容纳的培养基(或者其他液体)引导出液体导流槽43。导流管48可以从液体导流槽43的顶壁45向上竖直延伸，例如延伸到细胞和培养基(或者其他液体)的混合物的液面上方。
如图1所示，液体导流槽43还设有支撑柱49，以将液体导流槽43及整个细胞分离组件4支撑在罐体2底部上方并与罐体2底部间隔开，从而细胞和培养基(或者其他液体)的混合物能够通过细胞分离组件4下方的间隙进行循环流动。支撑柱49可以从液体导流槽43的底壁46向下延伸。在其他实施例中，支撑柱49可以位于液体导流槽43的中空筒体内，并且通过从其径向辐射臂与液体导流槽43的径向内侧壁47相连。在一些实施例中，支撑柱49的高度设计成使得细胞分离组件4和罐体2之间的间隙尽量小，以免产生湍流对细胞生长造成影响。
过滤膜片41可以采用PCTE、PETE、PTFE、PP、PC、尼龙、PES或烧结多孔材料等材料制成。过滤膜片41进行亲水和正电荷或负电荷处理，从而不容易被细胞吸附而堵塞住过滤膜片。过滤膜片41根据生物工艺(比如干细胞、肿瘤细胞、CHO细胞或微载体工艺等)不同，可以采用多种孔径(包括大约5μm、大约10μm、大约20μm、大约50μm、大约100μm、大约200μm等)。
支撑片材42可以采用打孔的软性材料(例如，软胶材料)制成，如图4所示。孔的形状可以是大致圆形、大致方形、大致六边形、或者其他任意的形状。在一些实施例中，支撑片材42也可以采用纤维多孔材料制成，如图5所示。支撑片材42的厚度可以处于大约50μm-大约300μm之间。
过滤膜片41通过热熔、粘结、激光焊接等方式固定至支撑片材42，而支撑片材42通过热熔、凹凸配合、激光焊接等方式连接至液体导流槽43的径向内侧壁47。
在一些实施例中，液体导流槽43的径向外侧壁44、径向内侧壁47、顶壁45和底壁46包围液体导流槽43的内部空腔，并且该内部空腔仅通过径向外侧壁44(而不是径向内侧壁47)上的一个或多个开口并透过过滤膜片41与罐体2流体连通。过滤膜片41通过热熔、粘结、激光焊接等方式固定至支撑片材42，而支撑片材42通过热熔、凹凸配合、激光焊接等方式连接至液体导流槽43的径向外侧壁44。
切向流驱动组件3包括一个或多个桨叶31和用于驱动桨叶31旋转的马达32。桨叶31放置在罐体2内，并且浸没在细胞和培养基(或者其他液体)的混合物中。桨叶31可以位于细胞分离组件4的径向内部，并且围绕旋转轴33旋转，以驱动细胞和培养基(或者其他液体)的混合物沿着细胞分离组件4的内外表面(例如包括过滤膜片41、液体导流槽43的径向外侧壁44径向内侧壁47等)进行切向(即竖直方向)循环流动。桨叶31的旋转不会产生过高的剪切力，因此不会对动物细胞产生破坏作用。马达32的本体放置在罐体2外，并且其驱动轴与桨叶31的旋转轴33直接相连，或者通过齿轮箱等转速调节机构与桨叶31的旋转轴33相连，以驱动旋转轴33以及桨叶31旋转。马达32可以连接至控制器(未示出)。
马达32的输出功率是关键的设计参数之一。马达32的输出功率越大，混合物的切向流动速度越大，过滤膜片41的使用寿命越久。特别是在高密度细胞培养的情况下，切向流动速度的增大可以降低过滤膜片41的堵塞速度。
桨叶31与过滤膜片41之间的距离也是关键的设计参数之一。距离越近，混合物中的液体通过过滤膜片41的速率显著提高，但是也会显著增加液体的局部剪切力，这对干细胞的生理特性有影响。桨叶31的直径设置成稍小于过滤膜片41的内径(例如桨叶31的径向最外点和过滤膜片41的径向内表面之间的距离在大约1mm-大约5mm之间)，以在狭小的空间内提供切向流的流动效果。在一些实施例中，桨叶31的直径可以设计成罐体2内径的大约30％-45％。桨叶31可以采用完全轴流桨叶形式，例如单层或多层象耳桨、海洋桨叶和螺带桨叶等。
液体收集组件5放置在罐体2的外部。液体收集组件5包括收集容器51和收集管52。收集管52一端连接至收集容器51，另一端连接至液体导流槽43的导流管48，以将液体导流槽43的培养基(或者其他液体)引导至收集容器51。在一些实施例中，收集管52可以是柔性的，从而收集容器51可以放置在罐体2外的任何合适位置处。泵53(例如蠕动泵等)可以设置在收集管52上并连接至控制器，以帮助将培养基(或者其他液体)抽吸和泵送至收集容器51。控制器可以根据工艺要求、其他补料泵的泵速和补料重量、或一些传感器(例如活细胞传感器)的信号控制泵53的泵速变化，以调节排液速率。
在一些实施例中，可以在收集管52上设有连接至控制器的压力传感器54，以监控收集管52内的液体压力。当压力传感器54检测到细胞堵塞过滤膜片41而导致收集管52内的压力升高时，控制器就会停止泵53的工作，并向报警信号发送给操作人员。
下面介绍细胞分离装置1的操作方法。首先将生物反应器放入超净台进行培养基添加和接种等操作，然后将生物反应器放置到控制台上，并连接相应的传感器。控制器向马达32发送启动信号，并且马达32驱动桨叶31围绕旋转轴33旋转，从而驱动细胞和培养基(或者其他液体)的混合物沿着细胞分离组件4的内外表面(例如包括过滤膜片41、液体导流槽43的径向外侧壁44、径向内侧壁47等)进行切向(即竖直方向)循环流动。在需要换液、清洗、或者分离细胞或微载体时，控制器启动泵53。泵53产生的抽吸作用使培养基(或者其他液体)在过滤膜片41处与细胞分离，并进入液体导流槽43中，进而通过收集管52进入收集容器51内。
在从罐体2排出一定体积的废弃培养基之后，泵53可以反转操作，从而收集管52内的液体能够反向流动并反冲过滤膜片41，以防止细胞堵塞住过滤膜片41。
根据本公开实施例的细胞分离装置1利用桨叶31来驱动混合物流动，从而可以实现低剪切力，对细胞不产生影响。
另外，根据本公开实施例的细胞分离装置1利用混合物沿过滤膜片的切向流动来进行过滤，不容易堵塞滤膜，从而可以长时间使用。
虽然已经描述了本公开的示范实施例，但是本领域技术人员应当理解的是，在本质上不脱离本公开的精神和范围的情况下能够对本公开的示范实施例进行多种变化和改变。因此，所有变化和改变均包含在权利要求所限定的本公开的保护范围内。本公开由附加的权利要求限定，并且这些权利要求的等同物也包含在内。

Claims (10)

1.一种用于生物反应器的细胞分离装置，生物反应器包括用于容纳细胞和液体的混合物的罐体，其特征在于，细胞分离装置包括：
细胞分离组件，所述细胞分离组件设置在罐体内并浸没在混合物的液面下方，细胞分离组件包括过滤膜片和液体导流槽，过滤膜片构造成过滤混合物并将分离出的液体引导至液体导流槽内，液体导流槽包括径向外侧壁和径向内侧壁，液体导流槽的内部空腔仅通过径向内侧壁上的一个或多个开口并透过过滤膜片与罐体流体连通、或者仅通过径向外侧壁上的一个或多个开口并透过过滤膜片与罐体流体连通；和
切向流驱动组件，所述切向流驱动组件包括一个或多个桨叶，所述桨叶位于细胞分离组件的径向内部并且能够围绕旋转轴旋转，以驱动混合物沿着过滤膜片进行切向流动。
2.根据权利要求1所述的细胞分离装置，其特征在于，细胞分离装置还包括液体收集组件，所述液体收集组件设置在罐体外部，并且包括流体连接至液体导流槽的收集容器。
3.根据权利要求2所述的细胞分离装置，其特征在于，液体收集组件包括将收集容器流体连接至液体导流槽的收集管。
4.根据权利要求3所述的细胞分离装置，其特征在于，泵设置在收集管上，并构造成将分离的液体从液体导流槽泵送至收集容器。
5.根据权利要求4所述的细胞分离装置，其特征在于，泵包括蠕动泵。
6.根据权利要求3所述的细胞分离装置，其特征在于，压力传感器设置在收集管内，以监控收集管内的液体压力。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的细胞分离装置，其特征在于，细胞分离组件还包括位于液体导流槽和过滤膜片之间的支撑片材，所述支撑片材构造成支撑过滤膜片。
8.根据权利要求7所述的细胞分离装置，其特征在于，过滤膜片通过热熔、粘结或激光焊接固定至支撑片材。
9.根据权利要求7所述的细胞分离装置，其特征在于，支撑片材通过热熔、凹凸配合或激光焊接连接至液体导流槽。
10.根据权利要求3所述的细胞分离装置，其特征在于，液体导流槽设有与收集管相连的导流管。
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