CN113227350A - 具有受控环境区的细胞培养和组织工程系统 - Google Patents

具有受控环境区的细胞培养和组织工程系统 Download PDF

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Abstract

一种包括限定且分离的环境区的自动化细胞培养和组织工程系统提供了对所述系统的内部环境的增加的控制和维护，使得围绕生物反应器模块的温度、气流和气体形成一个区，所述区与围绕试剂流体储器形成的第二区分开维持。所述系统进一步包括用于消除和/或管理所述系统的所述第二区内的冷凝的装置。

Description

具有受控环境区的细胞培养和组织工程系统
技术领域
本发明涉及用于自动化细胞培养和组织工程的组织工程系统和方法，所述组织工程系统包含统一的操作环境区以提供更一致的生物过程。此类系统和方法可用于各种临床环境和实验室环境。
背景技术
细胞培养自动化是为大规模生产提供可扩展性、降低培养变异性、降低培养污染风险以及与产生用于临床疗法的基于细胞或组织的植入物和用于诊断评估的基于细胞的测定系统相关的许多经济成本和时间范围益处的期望趋势。
然而，用于更复杂生物过程(例如，自体患者治疗)的自动化细胞培养方案可能更复杂，需要更精确的操作控制。对于自体患者治疗，成功的生物培养至关重要，并且因此每个操作方面都必须严格遵守特定方案。例如，虽然可以对初始培养基进行编程以在合适的温度(如37℃)下将其递送到细胞培养物中，但在可能长达数天的整个细胞培养过程中维持严格遵守此温度证明更加困难。许多目前使用的提供细胞温育能力的自动化系统都经历了热挑战，如：试图实现并维持整体热均匀性；由于外部操作员访问而导致的气温变化；维持冷藏试剂储存；以及外壳内冷凝的发展可能导致潜在的微生物污染。
期望冷藏储存试剂以避免其变质，然而，冷藏试剂储存可能对细胞生物反应器的热性能和稳定性产生消极影响，从而更难以维持细胞培养所需的期望高温。此外，将工艺试剂的储存环境温度降低到冷藏温度不可避免地会产生冷凝。当空气在露点以下冷却时会形成冷凝，导致空气中的水蒸气冷凝成液体形式，尤其是在相对于周围环境较冷的表面上。当打开系统以装载试剂时，温暖、潮湿的空气可能会与储存环境的更冷表面接触。如果冷凝物的体积导致储存环境内的处理问题或污染问题，则这种冷凝可能是有问题的。
当如CO2等气体用于调节活性培养物的pH时，气体浓度也可能显著影响生物性能。如果培养系统经历对递送的CO2的缓冲作用的受限访问，则在整个培养区的pH控制可能不均匀。因此，在细胞培养和组织工程系统中也需要气体浓度均匀性。
因此，仍然需要不断改进自动化细胞培养和组织工程系统的各个方面，如在系统内提供更高保真度的环境控制。
包含本文中的背景讨论以解释本文所描述的发明的上下文。这并不被视为承认所提及的任何材料在任何权利要求的优先权日之前已公开、已知或是公知常识的一部分。
发明内容
本文中描述的是细胞培养和组织工程系统和方法，所述细胞培养和组织工程系统包含统一的操作环境以在生物过程期间提供更一致的控制。与气流、温度、气体控制和冷凝控制有关的统一操作环境整合在本文所描述的系统和方法内。
如本文所描述的自动化细胞培养和组织工程系统被配置成产生、调整和维持分离的受控环境区以恰当操作细胞培养盒以及因此正在进行的生物过程。温度、湿度水平和气体浓度是受控的。温度波动和湿度变化被最小化。
令人惊讶的是，在安装和操作细胞培养盒的系统的盒收纳区域中创建并维持了两个不同的温度区。在系统运行期间，所述盒的生物反应器模块组件保持在暖区中，而试剂流体储器组件保持在冷区中。暖区包括围绕生物反应器模块的再循环暖高气流路径，所述再循环暖高气流路径由相邻的单独加热组合件产生。暖循环空气还通过通风槽渗透到盒的培养物方面。这在概念上类似于储器中的槽。冷区包括循环冷导管气流路径，所述循环冷导管气流路径共同围绕并部分穿透(流过)试剂流体储器的一部分。冷气流路径由相邻的冷热组合件产生。冷区还含有用于控制和去除冷区内的冷凝的冷凝控制装置。
暖区和冷区两者都进一步包括分离的独立受控的气体环境。在暖区中，这有助于提供特定气体浓度，所述特定气体浓度通过流体表面气体交换影响细胞培养基中存在的溶解气体，如氧气和二氧化碳。溶解气体的调整和/或维持在生物学性能方面(包含如氧气递送和细胞培养物目标pH的维持等方面)有影响。培养基内的溶解气体的控制是通过使培养基跨气体交换膜(如硅胶管)再循环来实现的，由此培养液内的溶解气体的浓度响应于流体与周围气体环境之间的浓度梯度。通过调整环境，同时调整了培养液内的溶解气体的水平。
自动化细胞培养和组织工程系统配置有可移动的热屏障组合件，在安装细胞培养盒期间，所述可移动的热屏障组合件用于将所述盒锁定在系统操作接口内，并且在这样做时形成暖区和冷区，并且保持这两个区热分离并且在物理上分离。设置绝缘机构以确保暖区和冷区彼此绝缘，并且不会影响细胞培养或所储存的试剂的性质。可移动的热屏障组合件产生并且限定了暖区和冷区中的每一个的边界的一部分。
系统加热和冷却组合件以及操作机器人被包含/定位成与系统的盒收纳区域的加热和冷却组合件以及操作机器人分离，这有利于不干扰暖气流路径或冷气流路径及其功能。进一步地，分离加热组合件以与冷却组合件分离并绝缘。系统加热组合件被配置成根据需要产生和调节连续暖高气流路径的温度持续若干天，并且进一步可以对在打开并检查系统期间由于更冷的室温空气进入而可能发生的任何温度下降进行快速调整。系统的配置和形状有助于设置暖气流路径，所述暖气流路径仅针对生物反应器模块并在所述生物反应器模块周围持续循环并且循环穿过其。冷热组合件被配置成随着冷区中的气流被持续地抽吸穿过冷热组合件并且空气温度降低而持续地去除热量。冷区被配置成具有引导的气流，也就是说，冷气流路径符合包含气流通道、气流挡板和气流通气孔的结构特征，以帮助携带较冷空气穿过围绕并部分穿过试剂流体储器的冷区并且进一步穿过试剂流体储器外部的任选的相邻冷储器。这些结构特征有助于防止和最小化(通过填充的流体袋)朝着冷热组合件行进的回流空气的任何阻塞。
提供单独的暖区和单独的冷区使在系统内可能形成的冷凝的量和定位最小化，因为系统仅在冷区中经受冷凝，所述冷区具有有效防止、控制和去除冷凝的机构。
本发明在一些方面包括自动化细胞培养和组织工程系统，所述自动化细胞培养和组织工程系统包括用于以下中的一项或多项的封闭式自动化细胞培养盒：细胞源分离、细胞增殖/扩增、细胞分化、细胞分离、细胞标记、细胞纯化、细胞洗涤和细胞接种到支架上以供组织形成(产物形成)。在一些方面，所述细胞是哺乳动物。在另外的方面，所述细胞是人细胞。细胞或组织的类型不是限制性的。在一个非限制性实例中，可以培养和扩增多能干细胞(如胚胎干细胞)和诱导性多能干(iPS)细胞以用于细胞置换疗法。
在一些方面，自动化细胞培养盒是封闭的、单次使用的一次性盒，所述盒包括一个或多个流体地连接到试剂流体储器的无菌生物反应器模块。所述无菌生物反应器装载有期望的细胞和/或组织，并且连接到试剂流体储器，所述试剂流体储器被预装载以容纳所需的流体试剂。自始至终维持所述盒的无菌性。
在自动化细胞培养和组织工程系统内操作性地采用所述自动化细胞培养盒以及专用软件程序，以递送和跟踪期望的一个或多个过程。合适的非限制性自动化细胞培养和组织工程系统描述于美国8,492,140；美国9,701,932；美国9,534,195；美国9,499,780；以及美国9,783,768中(这些美国专利中的每一个的内容以全文引用的方式并入)。
细胞培养盒内的嵌入式传感器提供实时生物反馈并且使得能够自动调整生物处理以适应细胞来源行为中的自然变化。整个生物过程都包含在所述一次性盒中，以最大限度地确保患者和操作者的安全并简化物流。进一步地，为了成功地支持细胞过程顺序中的多个生物步骤，一个或多个盒生物反应器与一个或多个互连生物反应器内的生物传感器反馈组合地整合，以在每个细胞和组织阶段进行精确控制的情况下提供高度直观的系统。这种全面的自动化水平实现了技术上可行且经济放大、患者规模的细胞制造能力，并且允许在优质生产规范(GMP)条件下简化细胞疗法的产生，因此满足细胞和组织疗法的不同自体和同种异体临床应用的独特挑战。
有利地，细胞培养盒以生物反应器模块仅位于不同暖区中并且试剂流体储器仅位于不同冷区中的方式安装在细胞培养和组织工程系统外壳内并且在操作上保持在所述外壳内。通过致动和锁定可移动的热屏障组合件来将细胞培养盒安装到系统中，所述可移动的热屏障组合件在温度、气体和湿度方面使第一热区与第二热区在环境上分离。细胞培养盒包括生物反应器模块以及所附接的试剂流体储器。虽然到单个细胞培养盒中的这种组合对使用者更加友好，但与基于物理上分离的、可以定位于单独环境区中的生物反应器模块和储器的更简单设计相比，其在为生物反应器模块和试剂流体储器创建分离的且不同的环境区方面提出了更多挑战。
本发明在暖区和冷区内提供了专用的气道路径，从而确保以排除每个区中的均匀性扭曲点的方式在容纳一种或多种细胞培养物的生物反应器模块和试剂流体储器周围提供受控的温度/气体分布。
本发明的一些方面，是一种细胞培养和组织工程系统，所述细胞培养和组织工程系统包括两个不同的独立热气流，即第一气流和第二气流，所述第一气流包括用于在细胞培养盒的生物反应器模块处和周围引导的高速暖气流，所述第二气流包括用于在操作性地连接到生物反应器模块的试剂流体储器周围循环并且循环穿过所述试剂流体储器的冷气流，
其中所述第一气流和所述第二气流是基本上分离的(实施例中的这些区相对于彼此不是气密密封的)并且不能混杂。
在一些方面，所述第一气流和所述第二气流包含在所述系统的细胞培养盒收纳区域内。
在一些方面，所述细胞培养盒收纳区域与所述系统的操作、加热和冷却组合件分离。
在一些方面，所述细胞培养盒收纳区域限定了包括高速暖气流的暖区。
在一些方面，所述暖区包括在所述暖区内的基本上均匀的温度。
在一些方面，所述细胞培养盒收纳区域限定了包括所述冷气流的冷区，所述冷区定位在所述暖区下方。
在一些方面，所述冷区包括用于减少或消除冷凝的装置。
在一些方面，热平台将所述暖区与所述冷区分离。在一些方面，所述热平台含有密封件。
本发明的一些方面是一种用于为细胞培养盒的生物反应器模块内的生物过程维持受控热环境的方法，所述方法包括：
在所述生物反应器模块处和周围引导包括高速暖气流的第一气流，并且同时使冷气流在操作性地连接到所述生物反应器模块的试剂流体储器周围循环并且循环穿过所述试剂流体储器，
其中所述第一气流和所述第二气流是分离的并且不能混杂。
根据本发明的一方面是一种细胞培养和组织工程系统，所述细胞培养和组织工程系统包括用于提供更一致且受控的环境以促进生物过程的热区架构，其中所述系统包括：
不同的暖区隔室，所述暖区隔室保持生物反应器模块，同时使高速暖气流路径在所述生物反应器模块周围连续循环并使在所述生物反应器模块处和周围引导的所述高速暖气流路径连续循环；以及
不同的冷区隔室，所述冷区隔室保持与所述生物反应器模块功能上连接的试剂流体储器，同时使冷气流路径在所述试剂流体储器周围连续循环并且循环穿过所述试剂流体储器。
在一些方面，所述不同的冷区隔室进一步包括用于减少或消除冷凝的装置。
在一些方面，所述暖区隔室进一步包括与所述冷区隔间的气体环境不同的气体环境。
根据本发明的另外的方面是一种用于细胞培养和组织工程的自动化系统，所述自动化系统在两种不同的温度和气体受控环境中保持细胞培养盒，其中所述盒的生物反应器组件操作性地保持在具有受控气体浓度的基本上均匀的暖气流区中，并且其中所述盒的试剂流体储器组件驻留在基本上均匀的冷气流区中，其中所述暖气流区与所述冷气流区明显地分离，并且其中所述冷气流区进一步包括用于防止或消除其中不期望的水分积聚的装置。
根据本发明的另外的方面是一种细胞培养和组织工程系统，所述细胞培养和组织工程系统用于在更一致受控环境中收纳和在操作上支撑用于生物过程的自动化细胞培养盒，所述细胞培养盒包括生物反应器模块和试剂流体储器，所述系统包括：
暖区，所述暖区被配置成使围绕所述生物反应器模块的暖气流路径循环；
冷区，所述冷区被配置成使围绕所述试剂流体储器的冷气流路径循环；以及
可移动的热屏障组合件，所述可移动的热屏障组合件用于在安装所述细胞培养盒时将所述暖区与所述冷区热隔离，并且用于将所述生物反应器模块单独地固定在所述暖区内并将所述试剂流体储器单独地固定在所述冷区内。
根据本发明的另外的方面是一种细胞培养盒，所述细胞培养盒包括：
-生物反应器模块，所述生物反应器模块具有与试剂流体储器附接的底部部分；
-试剂流体储器，所述试剂流体储器包括流体袋容器，所述流体袋容器具有位于所述储器的前壁和后壁上的敞开空气导管。
在一些方面，所述流体袋容器包括顶板和底板，所述顶板包括向下延伸的挡板。
在一些方面，所述盒进一步包括位于所述生物反应器模块的底部与所述流体袋容器的顶板之间的隔热层，所述隔热层隔绝热量从所述生物反应器模块迁移。
在一些方面，所述试剂流体储器通过定位于所述流体袋容器的顶板上并且不受所述隔热层阻碍的端口连接而附接。
在一些方面，所述试剂流体储器进一步包括用于附接到所述生物反应器模块的卡扣接片。
根据本发明的另外的方面是用于连接到生物反应器模块的试剂流体储器，所述试剂流体储器包括流体袋容器，所述流体袋容器具有位于所述储器的前壁和后壁上的敞开空气导管。
在一些方面，所述流体袋容器包括顶板和底板，所述顶板包括向下延伸的挡板。
根据本发明的一方面是一种自动化细胞培养和组织工程系统，所述自动化细胞培养和组织工程系统用于在更一致受控环境中收纳和在操作上支撑用于生物过程的自动化细胞培养盒，所述细胞培养盒包括生物反应器模块和试剂流体储器，所述系统包括：
暖区，所述暖区被配置成使围绕所述生物反应器模块的切向暖气流路径循环；
冷区，所述冷区被配置成使围绕所述试剂流体储器的切向冷气流路径循环；以及
可移动的热屏障组合件，所述可移动的热屏障组合件用于在安装所述细胞培养盒时将所述暖区与所述冷区热隔离，并且用于将所述生物反应器模块单独地固定在所述暖区内并将所述试剂流体储器单独地固定在所述冷区内。
在前述方面中的任何方面，所述系统和方法可以包括一个或多个控制器以及相关联的软件、传感器和用户接口。
非限制性方面如下：
1A.一种细胞培养和组织工程系统，所述细胞培养和组织工程系统包括两个不同的独立热气流，即第一气流和第二气流，所述第一气流包括用于在细胞培养盒的生物反应器模块处和周围引导的高速暖气流，所述第二气流包括用于在操作性地连接到生物反应器模块的试剂流体储器周围循环并且循环穿过所述试剂流体储器的冷气流，
其中所述第一气流和所述第二气流是分离的并且不能混杂。
1B.根据权利要求1A所述的系统，其中所述第一气流和所述第二气流包含在所述系统的细胞培养盒收纳区域内。
1C.根据权利要求1B所述的系统，其中所述细胞培养盒收纳区域限定了包括高速暖气流的暖区。
1D.根据权利要求1C所述的系统，其中所述暖区包括在所述暖区内的基本上均匀的温度。
1E.根据权利要求1B、1C或1D所述的系统，其中所述细胞培养盒收纳区域限定了包括所述冷气流的冷区，所述冷区定位在所述暖区下方。
1F.根据权利要求1E所述的系统，其中所述冷区包括用于减少或消除冷凝的装置。
1G.根据权利要求1F所述的系统，其中热平台将所述暖区与所述冷区分离。
1H.一种用于为细胞培养盒的生物反应器模块内的生物过程维持受控热环境的方法，所述方法包括：
在所述生物反应器模块处和周围引导包括高速暖气流的第一气流，并且同时使冷气流在操作性地连接到所述生物反应器模块的试剂流体储器周围循环并且循环穿过所述试剂流体储器，
其中所述第一气流和所述第二气流是分离的并且不能混杂。
1J根据权利要求1H所述的方法，其使用根据权利要求1A到1H中任一项所述的系统。
2A.一种细胞培养和组织工程系统，所述细胞培养和组织工程系统包括用于提供更一致且受控的环境以促进生物过程的热区架构，其中所述系统包括：
不同的暖区隔室，所述暖区隔室保持生物反应器模块，同时使高速暖气流路径在所述生物反应器模块周围连续循环并使在所述生物反应器模块处和周围引导的所述高速暖气流路径连续循环；以及
不同的冷区隔室，所述冷区隔室保持与所述生物反应器模块功能上连接的试剂流体储器，同时使冷气流路径在所述试剂流体储器周围连续循环并且循环穿过所述试剂流体储器。
2B.根据权利要求2A所述的系统，其中所述不同的冷区隔室进一步包括用于减少或消除冷凝的装置。
2C.根据权利要求2A或2B所述的系统，其中所述暖区隔室进一步包括与所述冷区隔间的气体环境不同的气体环境。
2D一种用于维持用于生物反应器内的生物过程的受控环境以及用于将生物反应器所需的流体维持在低温下以实现稳定性的方法，所述方法包括使用根据权利要求2A到2C中任一项所述的系统。
3A.一种用于细胞培养和组织工程的自动化系统，所述自动化系统在两种不同的温度和气体受控环境中保持细胞培养盒，其中所述盒的生物反应器组件操作性地保持在具有受控气体浓度的基本上均匀的暖气流区中，并且其中所述盒的试剂流体储器组件驻留在基本上均匀的冷气流区中，其中所述暖气流区与所述冷气流区明显地分离，并且其中所述冷气流区进一步包括用于防止或消除其中不期望的水分积聚的装置。
3B.一种用于维持用于生物反应器内的生物过程的受控环境以及用于将生物反应器所需的流体维持在低温下以实现稳定性的方法，所述方法包括使用根据权利要求3A所述的系统。
1.一种细胞培养和组织工程系统，其用于在更一致受控环境中收纳和在操作上支撑用于生物过程的自动化细胞培养盒，所述细胞培养盒包括生物反应器模块和试剂流体储器，所述系统包括：
暖区，所述暖区被配置成使围绕所述生物反应器模块的暖气流路径循环；
冷区，所述冷区被配置成使围绕所述试剂流体储器的冷气流路径循环；以及
可移动的热屏障组合件，所述可移动的热屏障组合件用于在安装所述细胞培养盒时将所述暖区与所述冷区热隔离，并且用于将所述生物反应器模块单独地固定在所述暖区内并将所述试剂流体储器单独地固定在所述冷区内。
2.根据权利要求1所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述冷区进一步包括用于最小化和消除其中不期望的水分积聚的冷凝控制装置。
3.根据权利要求1或2所述的细胞培养和/或组织工程系统，其中所述暖区和所述冷区各自包括基本上分离的气体环境。
4.根据权利要求1、2或3所述的细胞培养和组织工程系统，所述系统具有外壳，所述外壳包括外部壳盖和内部壳体，其中所述外部壳盖在所述系统关闭时以包封的方式围封所述内部壳体的前开口。
5.根据权利要求5所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述外部壳盖连接到所述内部壳体以在所述内部壳体保持固定时旋转，所述外部壳盖沿所述内部壳体的外弧旋转以暴露所述内部壳体的前开口以进入所述内部壳体中并且在所述外部壳盖嵌套所述内部壳体时停止旋转。
6.根据权利要求4或5所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述内部壳体的所述前开口包括具有可膨胀密封装置的周边，以在系统关闭时与所述外部壳体的内表面密封接合。
7.根据权利要求6所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述周边包括用于保持所述可膨胀密封装置的U形通道。
8.根据权利要求7所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述密封装置包括装配在所述U形通道内的弹性管，所述弹性管在所述系统打开时是基本上平坦的，并且所述密封装置在关闭所述系统时被激活以将膨胀压力引入到所述可膨胀密封件的空腔中，从而使所述密封件移位以在所述外部壳盖与所述内部壳体的所述前开口之间产生可靠密封。
10.根据权利要求9所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述外部壳盖被配置为弧形体，所述弧形体有助于引导围绕所述生物反应器模块的循环暖气流路径，并且也有助于引导围绕所述试剂流体储器的循环冷气流路径。
11.根据权利要求10所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述弧形体包括多个热单元以充当外部热屏障。
12.根据权利要求4到11中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述可移动的热屏障组合件安置在定位在所述内部壳体的所述前开口内的操作机器人接口上。
13.根据权利要求12所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述操作机器人接口连接到相关联的内部机器人并且包括阀致动器、蠕动泵和相关控制系统以与所述细胞培养盒上的对应连接配合。
14.根据权利要求4到11中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述可移动的热屏障组合件包括：
-在内部连接在所述操作机器人接口的两侧处的一对间隔开的杠杆臂，所述一对间隔开的杠杆臂用相关联的上部扶手支撑中央热平台。
15.根据权利要求14所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述可移动的热屏障组合件可从用于安装所述细胞培养盒的第一升高位置移动到第二降低位置，所述第二降低位置将所述细胞培养盒锁定并且保持抵靠所述操作机器人接口以准确对准和保持到其并且同时将所述暖区与所述冷区分离。
16.根据权利要求15所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述上部扶手的大小被设定为紧密地符合所述细胞培养盒的尺寸，并且提供抓握装置以将所述盒锁定到操作或升高所述热平台的位置。
17.根据权利要求14、15或16所述的细胞培养和组织工程系统，其中在所述操作机器人接口上邻近所述杠杆臂设置凹部，以向操作者提供受控访问以打开所述组合件。
18.根据权利要求14到17中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述热平台向前延伸并从所述细胞培养盒周围辐射到所述外部壳盖。
19.根据权利要求18所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述热平台包括柔性外部密封件和柔性内部密封件，所述柔性外部密封件在其前部外边界处以适应所述热平台与所述外部壳盖之间的相对运动，所述柔性内部密封件直接邻近所述细胞培养盒。
20.根据权利要求19所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述柔性内部密封件适应所述细胞培养盒的安装公差。
21.根据权利要求19或20所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述柔性外部密封件和所述柔性内部密封件是弹性体的并且是蒸气不可渗透的。
22.根据权利要求21所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述柔性外部密封件和所述柔性内部密封件是刮板式密封件。
23.根据权利要求14到22中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中当处于锁定位置时，所述热平台包括所述暖区的下表面边界的一部分和所述冷区的上表面边界的一部分。
24.根据权利要求14到18中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述内部壳体包括支撑托盘的底板，所述托盘具有支撑所述细胞培养盒的底表面的一部分的前向悬臂式搁架。
24a.根据权利要求24所述的细胞培养和组织工程系统，其中气流导管由所述顶板和所述托盘限定。
25.根据权利要求4到24中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中加热组合件设置在所述内部壳体的上部区段中，产生在所述生物反应器模块处引导的热空气。
26.根据权利要求25所述的细胞培养和组织工程系统，其中加热布置包括大容量长叶片风扇，所述长叶片风扇可操作地连接到加热气流引导器以产生并引导高速暖气流路径。
27.根据权利要求26所述的细胞培养和组织工程系统，其中围绕所述生物反应器模块的高切向暖气流路径促进所述暖区的温度均匀性，并且因此促进所述生物反应器内的生物过程的温度均匀性。
28.根据权利要求27所述的细胞培养和组织工程系统，其中围绕所述生物反应器模块的高切向速度暖气流路径帮助将生物反应器内部温度维持在约35℃、在约36℃、在约37℃、在约38℃或在约39℃下。
28a.根据权利要求28所述的细胞培养和组织工程系统，其中气体被选择性地引入到所述暖区中。
28b.根据权利要求28a所述的细胞培养和组织工程系统，其中气体包括氧气、二氧化碳和氮气中的一种或多种。
28c.根据权利要求28a或28b所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述暖区包括在所述暖气流路径中的传感器以监测所述气体。
28d.根据权利要求28c所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述传感器操作性地连接到提供气体反馈控制的PID(比例积分微分)控制器。
29.根据权利要求4到28中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中冷热组合件形成内部壳体的后部并且产生和控制围绕所述试剂流体储器的冷区气流路径以增强试剂稳定性。
30.根据权利要求29所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述冷热组合件包括冷槽阵列，所述冷槽阵列包括用珀尔帖装置(peltier device)压缩到热槽以将热量传递到热槽的多个冷槽。
31.根据权利要求30所述的细胞培养和组织工程系统，其中压缩是利用珀尔帖固态装置的弹簧压缩，所述珀尔帖固态装置包括弹簧压缩螺栓阵列，每个弹簧压缩螺栓包括螺旋弹簧，所述热槽充当用于排热的导热路径。
32.根据权利要求31所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述珀尔帖固态装置用于将热量从所述冷槽泵送到所述热槽以便随后将热量传递到周边环境。
33.根据权利要求30到32中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中每个冷槽阵列被分成功能单元，所述功能单元包括冷槽和相关联的轴流式风扇。
34.根据权利要求33所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述轴流式风扇具有轴向流动配置。
35.根据权利要求33或34所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述冷槽包括竖直翅片结构。
36.根据权利要求29到35中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其进一步包括隔热件，所述隔热件用于防止热量从所述热槽返回到所述冷槽。
37.根据权利要求2到36中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述冷凝控制装置包括围封在连接到所述热槽的导管内的水分输送材料，所述水分输送材料收集并移动可能形成的并且沿着所述冷槽行进并且直到将其蒸发的所述热槽的任何冷凝物。
38.根据权利要求37所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述冷凝控制装置最小化并消除由于水分积聚引起的不期望的微生物污染。
39.根据权利要求29到38中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述冷热组合件可以与所述内部壳体底部解除铰链，以悬挂在打开配置中以便进行清洁。
40.根据权利要求39所述的细胞培养和组织工程系统，其中可以将所述冷槽阵列和相关联的轴流式风扇解除联接以进行清洁。
41.根据权利要求40所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述热槽风扇和相关联的罩可以与所述内部壳体的上部部分解除闩锁并且升起到打开配置中以进行清洁。
42.根据权利要求1到41中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述试剂流体储器通过顶部安装的端口连接而连接到所述生物反应器模块，以与所述生物反应器模块下侧上的端口配合。
43.根据权利要求42所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述试剂流体储器进一步包括用于可逆地附接到所述生物反应器模块的卡扣接片。
44.根据权利要求43所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述试剂流体储器容纳生物过程所需的试剂，并且容纳从所述生物反应器模块消除的废物产物的保留。
45.根据权利要求44所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述试剂流体储器包括流体袋容器，所述流体袋容器用于储存多种单独的试剂并且用于储存所述废物产物。
46.根据权利要求45所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述多种单独的试剂储存在试剂袋中。
47.根据权利要求46所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述废物产物储存在试剂袋中。
48.根据权利要求46或47所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述试剂袋是柔性试剂袋。
49.根据权利要求44到48中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述试剂流体储器进一步包括位于前壁和后壁顶部处的敞开空气导管，使得所述敞开空气导管位于所述试剂袋上方，从而直接在所述试剂袋上方提供冷气流。
50.根据权利要求49所述的细胞培养和组织工程系统，进一步地其中所述试剂流体储器包括具有向下延伸的挡板的顶板，以帮助引导冷气流在所述试剂袋上方并跨过所述试剂袋。
51.根据权利要求50所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述细胞培养盒进一步包括位于所述生物反应器模块与所述试剂流体储器之间的隔热层，所述隔热层隔绝热量从所述生物反应器模块的任何迁移。
52.一种细胞培养盒，其包括：
-生物反应器模块，所述生物反应器模块具有与试剂流体储器附接的底部部分；
-试剂流体储器，所述试剂流体储器包括流体袋容器，所述流体袋容器具有位于所述储器的前壁和后壁上的敞开空气导管。
53.根据权利要求52所述的细胞培养盒，其中所述流体袋容器包括顶板和底板，所述顶板包括向下延伸的挡板。
54.根据权利要求52或53所述的细胞培养盒，其中所述盒进一步包括位于所述生物反应器模块的底部与所述流体袋容器的顶板之间的隔热层，所述隔热层隔绝热量从所述生物反应器模块迁移。
55.根据权利要求53或54中任一项所述的细胞培养盒，其中所述试剂流体储器通过定位于所述流体袋容器的顶板上并且不受所述隔热层阻碍的端口连接而附接。
56.根据权利要求55所述的细胞培养盒，其中所述试剂流体储器进一步包括用于附接到所述生物反应器模块的卡扣接片。
57.一种自动化细胞和组织培养工程系统，其包括根据权利要求52到56中任一项所述的细胞培养盒。
57a.根据权利要求57所述的自动化系统，其中所述盒包括一个或多个连接到逻辑装置的传感器。
58.一种用于连接到生物反应器模块的试剂流体储器，所述试剂流体储器包括流体袋容器，所述流体袋容器具有位于所述储器的前壁和后壁上的敞开空气导管。
59.根据权利要求57所述的试剂流体储器，进一步地其中所述流体袋容器包括顶板和底板，所述顶板包括向下延伸的挡板。
60.一种细胞培养盒，其包括根据权利要求58或59所述的生物反应器模块和试剂流体储器。
61.一种自动化细胞培养和组织工程系统，其用于在更一致受控环境中收纳和在操作上支撑用于生物过程的自动化细胞培养盒，所述细胞培养盒包括生物反应器模块和试剂流体储器，所述系统包括：
暖区，所述暖区被配置成使围绕所述生物反应器模块的切向暖气流路径循环；
冷区，所述冷区被配置成使围绕所述试剂流体储器的切向冷气流路径循环；以及
可移动的热屏障组合件，所述可移动的热屏障组合件用于在安装所述细胞培养盒时将所述暖区与所述冷区热隔离，并且用于将所述生物反应器模块单独地固定在所述暖区内并将所述试剂流体储器单独地固定在所述冷区内。
62.一种用于为细胞培养盒的生物反应器模块内的生物过程维持受控热环境的方法，所述方法包括：
产生不同高速暖气流并使所述不同高速暖气流维持在所述生物反应器模块处和周围，并且同时产生不同冷气流并使所述不同冷气流在操作性地连接到所述生物反应器模块的试剂流体储器周围循环并且循环穿过所述试剂流体储器，
其中所述第一气流和所述第二气流是分离的并且不能混杂。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解本文所描述的以下典型方面的描述。出于说明本发明的目的，在附图中示出了当前典型的方面。然而，应当理解的是，本发明不限于在附图中示出的方面的精确布置以及手段。应当注意，在如附图中示出和在描述中提及的不同实施例中，相似的附图标记指代相似的元件。
鉴于以下附图，将更全面地理解本文中的描述：
图1展示了本发明的细胞培养和组织工程系统的一个实施例的横截面，其示出与操作机器人接合的细胞培养盒以及处于锁定位置的热屏障组合件；
图2展示了处于打开配置的系统的横截面，所述打开配置暴露所示出的细胞培养盒与处于解锁位置的热屏障组合件；
图3A展示了系统的前正视图，其示出操作机器人接口以及热屏障组合件处于直立位置以安装细胞培养盒；
图3B展示了图3A的系统以及处于锁定位置的热屏障组合件的前正视图；
图3C展示了外部冷储器的特写前正视图，所述外部冷储器形成冷区的一部分并且定位成邻近所安装的试剂流体储器，所述外部冷储器具有挡板以确保返回到冷槽的空气不被阻挡。这些挡板与在图3B中所看到的热屏障组合件的底层结构对齐；
图4展示了暖区气流路径和加热组合件的特征；
图5展示了冷区气流路径和冷热组合件的特征；
图6展示了试剂流体储器结构的特写透视图；
图7展示了冷槽阵列的特写横截面视图；
图8a展示了邻近冷槽阵列的冷凝控制结构的定位；
图8b展示了冷凝控制结构的放大横截面视图；
图9展示了与系统解除铰链的冷热组合件；
图10展示了具有松开的冷风扇的冷热组合件；并且
图11展示了从系统后部释放的热槽风扇和相关联的罩。
具体实施方式
本文所提及的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献以全文引用的方式并入本文。本文所讨论的出版物和应用仅被提供用于在本申请的提交日之前对其进行公开。本文中的任何内容均不应被视为承认本发明因现有发明而无权先于此类出版物。另外，这些材料、方法和实例仅具有说明性并且不旨在具有限制性。
在发生冲突的情况下，以包含定义的本说明书为准。
除非另外限定，否则本文所使用的所有技术术语和科学术语均具有与本文中的主题所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。如本文所使用的，供应以下定义以促进对本发明的理解。
如本文所使用的，元件或组件之前的冠词“一个/种(a/an)”旨在关于元件或组件的实例(即出现)的数量不是限制性的。因此，“一个/种(a/an)”应被理解为包含一个或至少一个，并且元件或组件的单数词形式也包含复数，除非该数字明显意味着是单数。
如本文所使用的，术语“发明”或“本发明”是非限制性术语，并且不旨在指特定发明的任何单一方面，而是涵盖说明书和权利要求中所描述的所有可能的方面。
如本文所使用的，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”、“包含(including)”、“具有(having)”及其变形和变位表示“包含但不限于”，并且应被理解为是开放性的，例如，意味着包含但不限于。
如本文所使用的，术语“约”是指数值数量的变化。一方面，术语“约”意指在所报告的数值的10％以内。另一方面，术语“约”意指在所报告的数值的5％以内。然而，另一方面，术语“约”意指在所报告的数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％以内。
将理解的是，可以通过附带条件或否定限制明确地将所包含的本文所限定的任何组件排除在所要求保护的发明之外。
如本文可能使用的，术语“基本上”(或其同义词)相对于上下文表示涵盖所引用的实体的大部分或大多数的度量或程度(extent)或量或程度(degree)，或相对于所引用的实体或相对于所引用的主题至少适度地或大得多或更大或更有效或更重要的程度。
如本文所使用的，术语“可以”表示包含或不包含和/或使用和/或实施和/或发生的选项或作用，但所述选项构成本发明的一些实施例或其结果的至少一部分，而不限制本发明的范围。
如本文中在说明书和权利要求中所使用的，短语“和/或”应当理解为意指如此联合的要素中的“任一个或两个”，例如，要素在一些情况下结合地存在而在其它情况下分开存在。除了用“和/或”短语具体标识的要素，其它要素可以任选地存在，无论是与具体标识的那些要素相关还是不相关，除非明确相反地指出。
如本文所使用的，关于本发明的自动化装置的组件的接合，“支撑的”、“安装的”、“附接的”、“连接的(connected)”、“接合的”、“联接的”、“连接的(linked)”可以可互换地使用。进一步地，这些术语中的任何一个都可以与术语“可逆地”一起使用。
如本文所使用的，“热区”应被理解为在暖或冷方面具有限定的一致温度的分离的区域。进一步地，具有限定温度或限定温度范围的区维持在所述限定温度下或限定温度范围内，使得所述区相对于限定温度或限定温度范围是稳定的、均匀的、无偏差的或同质的。
如本文所使用的，“暖区”应被理解为精确温度高于室温(即，高于约23℃)的分离的封闭区域。通常，哺乳动物细胞的精确温度为约37℃。然而，根据特定细胞培养的特殊需要，仍可以选择高于和低于37℃的温度作为精确温度并作为“暖区”来完成。例如，如果不存在分化因子，则干细胞会在37℃下在没有分化的情况下增殖。相反，在高于和低于37℃的温度下生长的干细胞将在不存在分化因子的情况下进行分化。此外，可能需要不同的“暖区”温度来对给定培养物施加温度应力。“暖区”将含有高速暖气流路径。本领域技术人员将理解与常规气流速度相比“高速”的含义。“暖区”容纳生物反应器模块并且具有独特的气体调节装置。
如本文所使用的，“冷区”应被理解为温度范围为约2℃到8℃的分离的封闭区域。“冷区”的确切温度不需要精确而是整体的温度降低，如约2℃到8℃。“冷区”含有冷气流。“冷区”容纳流体试剂储器和任何另外的流体试剂袋。“冷区”容纳冷凝控制装置。
“暖区”与“冷区”分离，使得任一区中的温度都不会迁移到另一个区。高速暖气流不会与冷气流混杂。
细胞培养盒驻留在暖区中。
试剂流体储器驻留在冷区中。
外部(另外的)流体袋驻留在冷区中。
如本文所使用的，相对于“暖区”或“冷区”“驻留”意指所提及的结构元件仅在培养系统的封闭操作中经受所述特定区中的大气。
本发明和实践本发明的一般非限制性概述呈现如下。概述概述了本发明的实施例/方面的示例性实践，从而为变体和/或替代方案和/或不同的方面/实施例提供了建设性基础，其中一些在随后进行描述。
图1和图2分别示出了处于关闭配置和打开配置的本发明的系统的实施例。图1展示了本发明的细胞培养和组织工程系统1的实施例，其中一次性细胞培养盒2已安装并在自动化条件下操作。细胞培养盒2包括生物反应器模块4以及所附接的试剂流体储器6。系统1类似于“茧形”并且包括内部壳体8和覆盖所述内部壳体的开口12的外部壳盖10。外部壳盖10包封内部壳体的前开口12并且通过内部壳体8的两侧处的可旋转连接(未示出)连接到所述内部壳体，使得外部壳盖10可以旋转以沿着内部壳体的外弧形状从第一关闭位置打开到围绕连接点旋转的打开位置，直到外部壳盖嵌套内部壳体为止(在图2中示出)。内部壳体8的前开口12包括具有U形通道16的周边14，所述U形通道包括可膨胀密封件17，使得当系统关闭时，所述可膨胀密封件被致动以膨胀并与外部壳体的内表面接合以便以气密方式密封系统。外部壳盖10包括充当外部热屏障的热单元18。
细胞培养盒2被安装成抵靠定位于内部壳体8的开口12内的操作机器人接口20。操作机器人接口20进一步包括在内部壳体内的相关联的机器人和电子装置22。细胞培养盒2在操作上被限制抵靠操作机器人接口20，并且通过从细胞培养盒2延伸到外部壳盖10的可移动的热屏障组合件24锁定在此位置。通过可移动的热屏障组合件24将细胞培养盒2锁定到操作机器人接口20产生了上部暖区26和下部冷区28。生物反应器模块4固定在暖区26内。试剂流体储器固定在冷区内28内。另外的外部冷储器29定位在冷区内并邻近所安装的细胞培养盒的试剂流体储器。此外部冷储器29可以含有用于收集流体废物和/或提供另外所需的一种或多种培养液和一种或多种试剂的一个或多个另外的储存袋。因此，细胞培养系统提供了适合于生物过程的暖温育环境(例如约37℃+/-5℃)以及用于在试剂储存时间段期间增强试剂稳定性的单独的冷环境(例如超过0℃到约10℃)两者。
在图2中，系统1处于暴露细胞培养盒2以供检查和/或取出的打开配置，并且进一步示出了处于打开升高位置的可移动的热屏障组合件24。细胞培养盒2的生物反应器模块4通过配合的端口连接(未示出)流体地连接到试剂流体储器6。生物反应器模块4支持生物过程(如细胞培养或组织工程)的操作要求，并且包括一个或多个可以操作性地串联连接的生物反应器。试剂流体储器6基本上容纳和储存在生物反应器模块的一个或多个生物反应器中发生的生物过程所需的试剂。试剂流体储器6包括多个柔性试剂袋(未示出)，所述试剂袋中的每个试剂袋含有培养基、生长因子、药剂、细胞标记和从生物反应器模块消除的废物产物中的一种或多种。
在操作中，外部壳盖10被旋转到打开位置以使得能够进入盒2以安装或取出细胞培养盒，所述细胞培养盒通过可移动的屏障组合件24的结构配置被限制抵靠操作机器人接口20。当需要安装/取出细胞培养盒时，可以通过允许完全进入细胞培养盒的内部连杆机构将可移动的热屏障组合件24升高远离所述盒。在安装盒2之后，热屏障组合件24被移动到如图1所示的接合(降低的)位置，由此确保与机器人7和相关的接口连接的准确对准并形成单独的暖区和冷区。当安装了细胞培养盒并且可移动的热屏障被锁定在位时，所述热屏障有效地形成围绕所述盒的暖区的下表面和围绕所述盒的冷区的上表面的一部分。
图3A和3B示出了操作机器人接口20以及处于打开升高位置的可移动的热屏障组合件24的前正视图。操作机器人接口20包括若干个阀致动器和蠕动泵连接，细胞培养盒与所述若干个阀致动器和蠕动泵连接对准并连接。可移动的热屏障组合件24包括连接在操作机器人接口20的两侧处的间隔开的杠杆臂30，所述间隔开的杠杆臂支撑示出在升高位置的热平台32。热平台的下侧被示出为具有通道33。在图3B中，示出了热平台32以及其相关联的上部扶手34，所述上部扶手紧密地符合所安装并锁定的细胞培养盒的尺寸。凹部36设置在杠杆臂30附近，所述杠杆臂提供操作者受控进入以打开并延伸可移动的热屏障组合件24。上部扶手34为使用者提供了抓握装置，以将细胞培养盒锁定到位以便进行操作或解锁和升高热平台32。热平台32被示出为向前延伸并围绕细胞培养盒辐射到外部壳盖(在图1中示出)。所述热平台具有柔性外部密封件和柔性内部密封件两者，所述柔性外部密封件在其前部外边界处以适应所述热平台与所述外部壳盖(未示出)之间的相对运动，所述柔性内部密封件直接邻近所述细胞培养盒(未示出)以适应所述细胞培养盒的安装公差。两个密封件都是弹性体的并且是水分和蒸气不可渗透的。
图3C示出了外部冷储器38的内部，所述外部冷储器具有挡板40以帮助防止对空气返回到示出在所述外部冷储器背面处的冷热组合件的阻挡。外部冷储器38被定位成邻近试剂流体储器并且两者均位于冷区28内。冷藏空间可以含有在试剂流体储器(未示出)外部的单独的一个或多个外部储存袋。挡板40用于防止包含在外部冷储器中的任何储存袋不隔绝回到冷槽的返回空气。当热平台处于细胞培养盒周围的降低的锁定位置时，下侧通道33与挡板40对齐以产生用于不受阻碍的冷气流的连续结构。
图4示出了细胞培养系统1的温度受控的暖区26和冷区28。系统1被示出为处于关闭位置。所述暖区具有与所述冷区的气体环境基本上分离的气体环境。所述暖区包括针对如氧气、二氧化碳和氮气等气体的气体控制系统。氮气使氧气和/或二氧化碳的浓度低于环境浓度。暖区26由定位于内部壳体的上部区段中的加热组合件41产生。加热组合件包括大容量长叶片风扇42，所述大容量长叶片风扇可操作地连接到加热气流引导器44以产生并引导高暖气流路径45(通过箭头示出)以便在生物反应器模块4周围循环。所述大容量长叶片风扇提供高速气流以最小化暖区内的空间和时间温度不均匀性。由于层流、最小压降和最小气流方向变化的组合，长叶片风扇42具有提供高速气流速率的流动配置。由于高对流热传递，高气流速度促进了温度均匀性，这固有地使暖区内由竞争性热源引起的表面温度差异最小化。
进一步地，高速暖气流的连续循环由外部壳盖的内壁的弧形形状辅助，并且帮助高速暖气流的循环路径一致且均匀。暖区被示出为与冷区完全热分离。通过与细胞培养系统内的其它区域的热传递以及通过向周围周边环境的热传递，竞争性热负荷被放置在暖区上。冷区以及典型地周边环境倾向于在低于暖区温度设定点的温度下操作，并且因此这些因素表示暖区的热损失。相比之下，机器人架构内的特定电子组件可以在高于暖区温度的温度下操作，并且因此此类组件表示暖区的热增益。暖区的配置和操作避免了固有地驱动温度不均匀性的热传递条件的问题，使得统一的暖区维持在生物反应器模块内正在进行的生物过程的更一致的操作条件。
可以根据特定生物过程的需要为暖区选择一致的加热温度。受控温度可以选自32℃、33℃、34℃、35℃、36℃、37℃、38℃或更高。
图5展示了冷区28的主要功能组件。内部壳体具有支撑托盘46的底板，所述托盘具有用于支撑细胞培养盒的底表面的前向悬臂式搁架48，从而在托盘下方形成带导管的气流路径以产生冷区气流路径49(通过箭头示出)。
在内部壳体的后部处包含冷热组合件50以产生和控制围绕所述试剂流体储器的冷区气流路径以增强试剂稳定性。冷热组合件50包括冷槽阵列52，每个冷槽阵列包括多个翅状冷槽54(参见图7)，所述翅状冷槽通过冷槽风扇56从冷区气流路径接收热量。珀尔帖固态热电装置(参见图7)将热量从冷槽54传递到邻近的热槽58。热槽风扇60随后将热量从热槽排放到周围环境空气62中。
冷槽风扇56具有轴向流动配置，所述轴向流动配置由于在热槽翅片58处的湍流而提供高对流热传递系数，从而在冷藏区内的气流与冷槽之间产生最小温差。冷藏区内的试剂由于被冷气流路径环绕而被冷却。冷区内的温度可以不及暖区中均匀，因为增强试剂稳定性的关键标准是整体温度降低而不是精确的温度精度。
图6展示了将多种试剂储存在如柔性试剂袋(未示出)等单独的流体容器中的试剂流体储器6。试剂袋被约束在流体袋容器64内。试剂流体储器6通过有助于维持与生物反应器模块的附接的端口连接67和卡扣接片66连接到生物反应器模块。试剂袋通过盒隔热件68隔绝以防止热量从暖区迁移。试剂袋的冷藏温度通过使冷空气在试剂流体储器周围和内部循环来维持，所述冷空气包含通过设置在邻近试剂流体储器的顶部部分的前壁和后壁上的试剂流体储器敞开空气导管70在试剂袋上方的气流。试剂流体储器的顶部(顶板部分)具有延伸到所述储器中的向下延伸的挡板(未示出)，所述挡板有助于引导冷气流在试剂袋上方并跨过试剂袋，并且允许气流移动穿过其中的由挡板40引导的外部冷储器以不受阻碍地流回到冷槽阵列。
冷区的结构如此以在其中产生阻碍最小的带导管/引导的气流，以便提供将在整个冷区中循环的连续冷空气流动，从而在试剂流体储器下方和周围提供冷气流并使所述冷气流通过用于冷空气的通气孔穿透试剂流体储器的顶部部分以流过所述储器并直接穿越所述流体袋并且通过另外的通气孔离开进入到外部冷储器，所述冷气流在所述外部冷储器处通过挡板被引导回到冷热组合件的冷槽以散热。通道、挡板、通气孔、隔热件以及热平台的密封件和下侧通道的设置共同确保将冷空气维持在冷区中而对冷空气流动的阻碍最小，以便去除热量并使冷空气循环。
图7示出了珀尔帖固态热电装置的结构，所述珀尔帖固态热电装置将热量从所述冷槽泵送到所述热槽以便随后将热量传递到周边环境。与如蒸气压缩冷藏等其它传统冷藏方法相比，珀尔帖固态装置是优选的，因为固态装置是紧凑的并且没有容易发生故障的移动部分。设置隔热件以防止热量从热槽返回到冷槽，因为此类热量返回将损害热效率。冷槽具有邻近的并入纪念碑状物(monument)，从而形成冷槽的延伸并表示热量从冷槽行进到珀尔帖固态装置的传导路径。从珀尔帖固态装置递送到热槽的后续热量是从冷槽泵送的热量与由珀尔帖固态装置消耗的电力之和。如此，递送到热槽的聚集热量显著大于从冷槽去除的热量。
与热槽相反，有利地将纪念碑状物并入到冷槽中，因为然后需要通过纪念碑状物进行较少的热传递。因此，跨纪念碑状物的温差显著小于在纪念碑状物位于热槽上时呈现的温差，由此减少了热损失。对于珀尔帖固态装置，性能系数(所泵送的热量与所消耗的电力的比率)随着温差的减小而增加。因此，相对于并入纪念碑状物作为热槽的一部分的替代方案，纪念碑状物在冷槽上的定位提供了性能系数的显著增益。
冷槽阵列52包含相对于是整体式的热槽58的多个单独的冷槽54。为了确保冷槽54的纪念碑状物、珀尔帖固态装置与热槽58之间的紧密热接触，冷槽被分成功能单元(冷槽加轴流式风扇)，由此每个功能冷槽单元通过使用弹簧压缩螺栓70阵列(通过珀尔帖固态装置)紧密接触整体式热槽。弹簧压缩是通过使用螺旋弹簧72实现的。冷槽向整体式热槽的弹簧压缩的关键优点在于，热畸变和/或生产畸变是自纠正的，因为每个冷槽组合件可以独立地对齐并实现抵靠相关联的珀尔帖固态装置以及向前抵靠整体式热槽的均匀压缩负载。这种自补偿压缩负载使从单独冷槽到整体式热槽的热传递的有效性最大化。
当细胞培养系统打开时，冷区不可避免地与周边环境交换空气。因此，当所述细胞培养系统随后关闭时，来自周边环境的空气被夹带在冷区内。如果进入的环境空气的湿度导致露点高于冷区的最终温度，则来自环境空气的水分就会冷凝。所产生的不可避免的冷凝可能在冷区内产生不期望的水分积聚区，因为这种积聚可能产生微生物污染的潜在部位。冷凝自然地开始并在冷槽上继续进行，因为此组件的表面是冷藏区内最冷的表面。为了自动管理并因此去除冷凝的并发症，在冷区内，细胞培养系统采用冷凝控制机构73，图8A中示出了所述冷凝控制机构的定位。在图8B中更接近地示出的冷凝控制机构73包括水分输送材料74。水分输送材料74在冷槽上形成冷凝并且所述冷凝通过重力的效应和气流向下穿越冷槽翅片的作用沿着冷槽的翅片行进时收集冷凝物。所述水分传输材料穿过专用导管76从冷槽突出到热槽，随之水分的传输通过热槽的热量随后并连续地蒸发到周围环境中。这种冷凝管理策略不需要移动部分或额外电力。
优质生产规范要求对细胞培养系统进行维修和清洁。图9示出冷热组合件50可以被解除闩锁并支撑在铰链51上以悬挂打开以便能够进行维修和清洁。所述冷热组合件通过闩锁78的激活和随后围绕铰链点的向下旋转而从正常操作位置释放。当所述冷热组合件返回到正常关闭操作配置时，冷藏电源连接器82提供用于数据和电源的可靠电连接。
图10进一步展示了冷槽风扇56包括组合件84，所述组合件可以与冷槽解除联接并从冷槽撤离，以使得能够进一步仔细地清洁下面的冷槽。
图11进一步展示了热槽风扇60和相关的罩如何可以通过铰链向上撤回并远离热槽，从而使得能够进一步仔细地清洁下面的热槽。
在实施例中，中空轴的使用使得能够将细胞培养系统的内部连接到所述系统的外部，允许在所述轴内产生独特的第三控制区，以使过程能够在除培养温度或冷藏温度之外的温度下运行。此类实施例可以用于可能受益于中间温度并且可以在此过渡区中受控制的过程步骤。
在另外的实施例中，暖区和/或冷区中可以包含热窗口，所述热窗口包含并入到外壳中的双液晶(LCD)窗口(或功能等效物)，所述LCD窗口允许：当LCD透明时，查看内部盒动作；当LCD被激活且不透明时，不传导试剂的有害光降解；以及由于形成夹带的空气空间的双LCD壁而产生的热屏障。
在实施例中，单独的内部气流可以连接到能够控制多个生产单元的中央式气流管理系统。
在另外的实施例中，空气过滤可以包含在空气循环路径内，并且这种过滤器在每次处理或其它合理时间段之后是用完即可丢弃的。
本领域技术人员应当理解，在可行的情况下，选择用于制造本文所描述的系统的组件的材料以最大化隔热性质而不损害所述组件在生物相容性(例如，无毒、符合USP VI级标准)或结构性质(例如，强度、刚度、韧性和重量)方面的主要功能。虽然所述系统被示出为通常被配置成茧形，但这可以变化，尺寸也可以变化，只要形状维持在其中的暖气流路径和冷气流路径即可。
此外，本发明的细胞培养和组织工程系统包括与冷区、热区、细胞培养盒、加热组合件、冷热组合件相关联的和/或定位在其内的并且与操作机器人接口和相关联的内部机器人和电子器件相关联的并且进一步与计算机装置相关联的各种传感器。
应当理解的是，对本文所描述的当前优选实施例的各种改变和修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。可以在不脱离本发明主题的精神和范围并且在不减少其预期的优点的情况下进行此类改变和修改。因此，所附权利要求旨在覆盖此类改变和修改。

Claims (20)

1.一种细胞培养和组织工程系统，其用于收纳和在操作上支撑用于生物过程的自动化细胞培养盒，所述细胞培养盒包括生物反应器模块和试剂流体储器，所述系统包括：
暖区，所述暖区被配置成使围绕所述生物反应器模块的暖气流路径循环；
冷区，所述冷区被配置成使围绕所述试剂流体储器的冷气流路径循环；以及
可移动的热屏障组合件，所述可移动的热屏障组合件用于在安装所述细胞培养盒时将所述暖区与所述冷区热隔离，并且用于将所述生物反应器模块固定在所述暖区内并将所述试剂流体储器固定在所述冷区内。
2.根据权利要求1所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述冷区进一步包括用于最小化和消除其中不期望的水分积聚的冷凝控制。
3.根据权利要求1或2所述的细胞培养和/或组织工程系统，其中所述暖区和所述冷区各自包括基本上分离的气体环境。
4.根据权利要求1、2或3所述的细胞培养和组织工程系统，所述系统具有外壳，所述外壳包括外部壳盖和内部壳体，其中所述外部壳盖在所述系统关闭时以包封的方式围封所述内部壳体的前开口。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述可移动的热屏障组合件在操作上被限制抵靠定位在所述内部壳体的所述前开口内的操作机器人接口。
6.根据权利要求5所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述操作机器人接口连接到相关联的内部机器人并且包括阀致动器、蠕动泵和相关控制系统以与所述细胞培养盒上的对应连接配合。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述可移动的热屏障组合件包括：
-在内部连接在所述操作机器人接口的两侧处的一对间隔开的杠杆臂，所述一对间隔开的杠杆臂用相关联的上部扶手支撑中央热平台。
8.根据权利要求7所述的细胞培养和组织工程系统，其中当处于锁定位置时，所述热平台包括所述暖区的下表面边界的一部分和所述冷区的上表面边界的一部分。
9.根据权利要求4到8中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述内部壳体包括支撑托盘的底板，所述托盘具有支撑所述细胞培养盒的底表面的一部分的前向悬臂式搁架。
10.根据权利要求4到9中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中加热组合件设置在所述内部壳体的上部区段中，产生在所述生物反应器模块处引导的热空气。
11.根据权利要求10所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述加热组合件包括大容量长叶片风扇，所述大容量长叶片风扇可操作地连接到加热气流引导器以产生并引导高速暖气流路径。
12.根据权利要求4到11中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述内部壳体后部的冷热组合件产生并控制围绕所述试剂流体储器的冷区气流路径以增强试剂稳定性。
13.根据权利要求12所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述冷热组合件包括冷槽阵列，所述冷槽阵列包括用珀尔帖装置(peltier device)压缩到热槽以将热量传递到所述热槽的多个冷槽。
14.根据权利要求13所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述珀尔帖装置是珀尔帖固态装置，所述珀尔帖固态装置包括弹簧压缩螺栓阵列，每个弹簧压缩螺栓包括螺旋弹簧，所述热槽充当用于排热的导热路径。
15.根据权利要求14所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述珀尔帖固态装置用于将热量从所述冷槽泵送到所述热槽以便随后将热量传递到周边环境。
16.根据权利要求13到15中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中每个冷槽阵列被分成功能单元，所述功能单元包括冷槽和相关联的轴流式风扇。
17.根据权利要求13到16中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其进一步包括隔热件，所述隔热件用于防止热量从所述热槽返回到所述冷槽。
18.根据权利要求2到17中任一项所述的细胞培养和组织工程系统，其中所述冷凝控制包括围封在连接到所述热槽的导管内的水分输送材料，所述水分输送材料收集并移动可能形成的并且沿着所述冷槽行进并且直到将其蒸发的所述热槽的任何冷凝物。
19.一种自动化细胞培养和组织工程系统，其用于收纳和在操作上支撑用于生物过程的自动化细胞培养盒，所述细胞培养盒包括生物反应器模块和试剂流体储器，所述系统包括：
外壳，所述外壳包括外部壳盖和内部壳体，其中所述外部壳盖在所述系统关闭时以包封的方式围封所述内部壳体的前开口；
暖区，所述暖区包含加热组合件，所述加热组合件被配置成使围绕所述生物反应器模块的切向暖气流路径循环；
冷区，所述冷区包含冷热组合件，所述冷热组合件被配置成使围绕所述试剂流体储器的切向冷气流路径循环；以及
可移动的热屏障组合件，所述可移动的热屏障组合件用于在安装所述细胞培养盒时将所述暖区与所述冷区热隔离，并且用于将所述生物反应器模块固定在所述暖区内并将所述试剂流体储器固定在所述冷区内。
20.一种用于为细胞培养盒的生物反应器模块内的生物过程维持受控热环境的方法，所述方法包括：
产生不同高速暖气流并使所述不同高速暖气流维持在所述生物反应器模块处和周围，并且同时产生不同冷气流并使所述不同冷气流在操作性地连接到所述生物反应器模块的试剂流体储器周围循环并且循环穿过所述试剂流体储器，
其中所述第一气流和所述第二气流是分离的并且不能混杂。
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