CN116323908A - 提供具有受控流速和受控溶解气体浓度的液体介质的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于提供具有受控流速和具有受控浓度的溶解气体的液体介质的装置(2)，该装置(2)包括：液体储存器(4)，设置有：至少一个进气口(7)、至少一个出气口(8)和至少一个出液口(9)；进气管线(5)，其被配置为将气态介质提供到所述液体储存器(4)中，所述进气管线(5)连接到所述至少一个进气口(7)并包括至少一个控制阀(12)；和排气管线(6)，其配置为从所述液体储存器(4)中抽取所述气态介质，所述排气管线(6)连接到所述至少一个出气口(8)并且包括至少一个控制阀(15)。本发明还涉及包括所述装置的组件，以及用于提供具有受控流速和具有受控浓度的溶解气体的液体介质的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于提供具有受控流速和受控溶解气体浓度的液体介质的装置。本发明还涉及包括所述装置的组件以及在所述组件中实施的方法。
背景技术
细胞培养，如微流体细胞培养，构成了药物筛选、组织培养、毒性筛选和生物学研究等应用的重要技术。该技术能够提供改进的生物学功能、更高质量的基于细胞的数据、减少的试剂消耗和更低的成本。
此外，由于体外样本可能密切代表其体内特征，细胞或其它生物或化学活性材料(如涂有各种生物分子的珠子)的处理、表征、培养和可视化在药物发现、疾病诊断和分析领域，以及其它各种治疗和实验工作中越来越受到重视。
因此，必须能够控制细胞培养的环境，以便最好地模拟体内条件。在这些条件中，氧气中培养物的浓度代表了应被控制和测量的重要因素。现在提出了各种系统来控制细胞培养物中的氧浓度。然而，此类系统存在缺点，例如无法控制培养液中气体(例如氧气)的浓度的气体控制、培养液中的平衡时间长、从第一气体浓度切换到第二个气体浓度所需的时间长，并且无法产生梯度浓度。
此外，器官芯片(organs-on-chips)是多通道3-D微流体细胞培养芯片，其共培养不同类型的细胞，以模拟器官系统的生理反应。尽管使用器官芯片有很多优势(例如克服与动物实验相关的问题、建立比通常的细胞培养更逼真的生理模型、避免伦理问题、准确控制不同的参数)，但器官芯片技术仍处于起步阶段，仍有若干技术和工业挑战有待解决。例如，在灌注微流体芯片之前或期间准确控制细胞培养基中氧溶解浓度仍然是一项困难的任务。
微流体系统中介质的流动主要由注射泵、蠕动泵或基于压力的控制器产生。在注射泵中，一旦注射器被填充，则无法控制注射器中所含流体中的溶解气体浓度。蠕动泵会引起脉动，因此不适用于许多应用。基于压力的控制器用于控制特殊瓶中的压力，在该瓶中注入加压气体，液体从连接到微流体系统的毛细管中逸出。在这样的系统中，为了达到给定的液体流速，改变压力以适应流速计读取的流速。标准压力控制器通常包括两个阀门系统，分别为进气级和排气级。它们可以分别控制压力传感器连接的中间腔中输入气体的注入(即进气)或排出(即排气)。然而，这些系统在溶解气体物质(species)的控制方面存在缺点，例如改变气体组成时的响应时间长，或者存在液体流速和溶解物质的浓度不能独立控制的事实。
文献US 2016/0312166涉及一种培养细胞的方法，包括：将细胞置于培养室中，培养室连接到多个微流体通道，培养室和微流体通道配置为孔板上的培养单元；将孔板与微型培养箱歧管以及热交换模块连接，微型培养箱歧管具有用于为孔板提供可拆卸的气密密封的垫圈，其中歧管密封至孔板，从而封闭气体的培养体积，并且热交换模块在培养室上方提供受控温度并与培养室连通。
文献CN 108148749涉及一种维持培养液的溶解氧浓度和酸度(acidity，pH)的微流体芯片培养系统，其特征在于保持培养液的溶解氧浓度固定，以保证培养液的溶解氧浓度及其pH值在细胞实验过程中不会发生变化。
文献KR 101294521涉及一种控制装置，其允许基于微流体在组织培养物上产生缺氧条件。控制细胞中溶解氧浓度的这种装置包括：第一通道，为组织培养提供空间；第二通道，配置于第一通道的一侧；中间膜，分隔第一和第二通道；和第二通道中的吸氧剂，以便通过分离膜将溶解氧从第一通道转移到第二通道。
文献WO 2019/191685涉及一种自动化细胞培养系统，其包括：具有多个细胞培养室的生物反应器，该生物反应器具有与多个细胞培养室流体连接的流体端口；泵，其流体地连接到流体端口以便向多个培养室提供细胞培养基；传感器，其连接到多个细胞培养室中的至少一个，用于测量至少一个细胞培养参数。
文献US 2013/0295551、WO 2014/082377和RU 2587628 C1也涉及调节或控制细胞培养的气体环境的其它微流体装置。
上述文献不能独立控制溶解气体浓度和液体介质流速。
因此需要一种装置，该装置能够独立地控制液体介质中溶解气体的浓度和分布液体介质时液体介质的流速，例如分布到细胞培养物。还需要一种装置，该装置能够有效且快速地改变在液体介质中溶解气体的浓度，例如分布到细胞培养物的液体介质。最后，需要一种装置，其提供独立控制的具有受控流速和受控浓度的溶解气体的液体介质。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种用于提供具有受控流速和受控浓度的溶解气体的液体介质的装置，该装置包括：
-液体储存器，其设置有：
-至少一个进气口；
-至少一个出气口；和
-至少一个出液口；
-进气管线，其配置为将气态介质提供到所述液体储存器中，所述进气管线连接到所述至少一个进气口并包括至少一个控制阀；和
-排气管线，其配置为从所述液体储存器中抽取气态介质，所述排气管线连接到所述至少一个出气口并包括至少一个控制阀。
根据一些实施方式，所述排气管线连接到压力控制器。
根据一些实施方式，所述液体储存器设置有至少一个入口，该入口配置为容纳传感器，优选压力传感器。
根据一些实施方式，所述进气管线包括至少一个气流传感器。
根据一些实施方式，所述排气管线包括至少一个气流传感器。
根据一些实施方式，所述进气管线连接到单个气源。
根据一些实施方式，所述进气管线分支并连接到包含不同气体的两个或更多个气源，优选地，每个气源与专用控制阀和气流传感器相关联。
根据一些实施方式，所述气态介质是空气、氧气、氮气或二氧化碳或其混合物。
根据一些实施方式，所述进气口被配置为用于使在液体储存器中包含的液体介质中的气态介质起泡，并且优选地包括管，所述管具有第一开口端和第二开口端，所述第二开口端位于所述液体储存器的下部。
根据一些实施方式，所述液体储存器包括液体搅动元件，例如磁力搅拌器和机械搅拌器、超声换能器或声音换能器、振动元件。
本发明的第二个目的是提供一种组件，包括：
-上述装置；和
-液体利用系统，包括至少一个进液口和至少一个出液口，
其中，所述装置的出液口与所述液体利用系统的进液口相连。
根据一些实施方式，所述液体利用系统是细胞培养系统。
根据一些实施方式，该组件还包括至少一个气体传感器，该气体传感器用于测量液体介质中溶解气体(优选氧气或二氧化碳)的浓度。
根据一些实施方式，该组件包括附加储存器，其连接到压力控制器并且包括进液口，该进液口连接到所述液体利用系统的出液口。
根据一些实施方式，该组件包括限流器，该限流器被配置为用于改变所述液体储存器下游的液体介质的液压阻力。
根据一些实施方式，该组件还包括再循环模块，该再循环模块被配置为将所述附加储存器连接到所述液体利用系统的进液口、到进气管线和到排气管线。
根据一些实施方式，所述液体利用系统是微流体细胞培养系统、毫流体(millifluidic)细胞培养系统或纳流体(nanofluidic)细胞培养系统。
根据一些实施方式，所述液体利用系统没有气体通道、气室和透气材料。
根据一些实施方式，该组件还包括控制单元，该控制单元被配置为接收来自所述压力传感器、所述气流传感器和/或所述液体流量传感器和/或所述气体传感器的输入，并且控制所述进气管线的控制阀、所述排气管线的控制阀、任选地连接到所述附加储存器的压力控制器和/或限流器(如果存在)，以及任选地在该或每个气源上的调节器(如果存在)。
本发明的另一目的是提供一种在上述组件中实施的、用于提供具有受控流速和在溶解气体中具有受控浓度的液体介质的方法，该方法包括以下步骤：
-为所述液体储存器提供液体介质；
-使气态介质通过所述进气管线流入所述液体储存器，并通过所述排气管线流出所述液体储存器，从而在所述液体储存器中施加压力；
-由于所述液体储存器中的压力，所述液体介质从所述液体储存器流向所述液体利用系统。
根据一些实施方式，该方法包括测量所述液体储存器内部压力的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括测量所述气态介质的流速的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括测量所述液体介质的流速的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括测量所述液体介质中一种或多种溶解气体(优选氧气或二氧化碳)的浓度的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括测量所述液体介质中一种或多种溶解气体(优选氧气或二氧化碳)的pH值的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括在所述液体利用系统的出液口处施加反压的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括从单一气源提供所述气态介质的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括从两个或多个气源提供气体并混合所述气体以提供气态介质的步骤。
根据一些实施方式，该气源或每个气源是基本上纯的氧气源、二氧化碳源、氮气源或空气源。
根据一些实施方式，该方法包括改变所述液体介质的流速，同时保持所述液体介质中溶解气体的浓度基本恒定的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括在改变所述液体利用系统的出液口处的反压的同时保持所述液体储存器内的压力恒定的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括改变所述液体储存器下游的液压阻力的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括改变所述液体介质中溶解气体的浓度的步骤，并且优选地，改变所述液体介质中溶解氧和/或溶解二氧化碳的浓度的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括改变所述液体储存器中的压力的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括改变流过所述液体储存器的气态介质的流速的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括改变流过所述液体储存器的气态介质的组成的步骤。
根据一些实施方式，该方法包括控制所述进气管线上的控制阀和/或所述排气管线上的控制阀以将所述气态介质的流速调节到预定值的步骤，优选地使用封闭的环路调节。
根据一些实施方式，该方法包括控制所述进气管线上的控制阀和/或所述排气管线上的控制阀以将所述液体储存器中的压力调节至预定值的步骤，优选地使用封闭的环路调节。
根据一些实施方式，该方法包括控制所述进气管线上的控制阀和/或所述排气管线上的控制阀以调节在所述液体介质中的溶解气体(优选氧气和/或二氧化碳)的至少一个浓度至预定值的步骤，优选地使用封闭的环路调节。
根据一些实施方式，该方法包括控制所述进气管线上的控制阀和/或所述排气管线上的控制阀以将所述液体介质的pH调节至预定值的步骤，优选地使用封闭的环路调节。
根据一些实施方式，该方法包括控制所述液体利用系统的出液口处的反压以调节从所述液体储存器到所述液体利用系统的液体介质的流速的步骤，优选地使用封闭的环路调节。
根据一些实施方式，该方法包括控制所述液体储存器下游的液压阻力以调节从所述液体储存器到所述液体利用系统的液体介质的流速，优选地使用封闭的环路调节。
根据一些实施方式，从所述液体储存器到所述液体利用系统的液体介质的流速和溶解气体(优选氧气和/或二氧化碳)的至少一个浓度是独立调节的。
根据一些实施方式，该方法包括从所述液体利用系统收集液体介质并使其流到所述附加储存器的步骤。
根据一些实施方式，该方法还包括将离开所述液体利用系统的液体介质再循环回到所述液体利用系统中的步骤。
本发明的另一目的是提供一种在细胞培养系统中培养细胞的方法，其中所述液体利用系统设置有根据上述方法的液体介质。
本发明的另一目的是提供一种非暂时性计算机可读存储介质，其上存储有指令，当执行指令时，使至少一个计算装置控制上述装置或上述组件以执行如上所述的方法。
本发明使得解决上面描述的需求成为可能。特别地，本发明提供了一种装置，该装置可以独立地控制液体介质中溶解气体的浓度以及当这一介质分布在例如细胞培养物时，液体介质的流速。此外，本发明提供了一种装置，该装置可以高效且快速地改变液体介质中溶解气体的浓度，该液体介质分布到例如细胞培养物。最后，本发明提供一种装置，该装置提供具有受控流速和受控浓度的溶解气体的液体介质。
更具体地，本发明的装置包括液体储存器；进气管线，其配置为将气态介质提供到液体储存器中；和排气管线，其配置为从液体储存器中抽出气态介质。该液体储存器设置有至少一个进气口，其连接于进气管线；至少一个出气口，其连接到排气管线；和至少一个出液口(其可以将液体介质分布到例如细胞培养系统)。进气管线和排气管线不相互连接而是分别连接到进气口和出气口的事实，使得气态介质可以从进气口循环到液体储存器中然后循环到出气口，以促进气态介质与液体介质的交换，从而有效且快速地适应和调节液体介质中一种或多种气体的浓度。输入的气态介质在通过排气管线被抽出之前流入储存器。这允许在气态介质改变时快速更新储存器中的气态介质。离开进气口的气体可以在液体介质中起泡，或者液体介质可以被搅动，这将在下文解释。
此外，液体介质中溶解气体的浓度取决于气态介质的组成和液体储存器中的压力，因此调整气态介质的压力或组成允许控制和改变(如果需要)液体介质中一种或多种溶解气体的浓度。反过来，可以通过控制进气管线和排气管线的阀门来调节压力。也可以通过独立控制进气管线的阀门(如果有两个或更多个独立的气源)或通过控制气源本身来改变气态介质的组成。
此外，该装置是组件的一部分，该组件进一步包括液体利用系统，例如细胞培养系统，其包括至少一个进液口和至少一个出液口。本发明的装置和组件可以通过控制液体利用系统的进液口和出液口之间的压力差来控制液体利用系统中液体介质的流速。换句话说，在一些优选的实施方式中，例如通过保持液体利用系统的进液口处的压力恒定，并通过改变液体利用系统出液口处的反压，可以独立于(不改变)液体介质中溶解气体的浓度来调节液体介质的流速。在本发明的情况下，这使得在液体利用系统中，在不使用培养箱或分离的气体和液体流动元件的情况下成为可能。因此，本发明的装置和组件可以避免使用用于气体流入液体利用系统的通道，这简化了制造过程并降低了制造成本。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的组件。
图2示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的装置。
图3示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的盖。
图4示出了根据本发明的一个实施方式的组件的示意性框图。
图5示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的组件。
图6A示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的组件。
图6B示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的组件。
图7示出了实验等流速(isoflow rate)曲线。排气比ke可以在Y轴上读取，进气比ka可以在X轴上读取。
图8示出了实验等压曲线。排气比ke可以在Y轴上读取，进气比ka可以在X轴上读取。
图9示出了等流速和等压曲线之间的交点。排气比ke可以在Y轴上读取，进气比ka可以在X轴上读取。
图10示出了液体介质的氧气速率(oxygen rate)在两种不同流速下随时间的演变。氧气速率(％)可以在Y轴上读取，时间(秒)可以在X轴上读取。
图11示出了在氧含量循环变化期间，液体介质的氧气速率随时间的演变。氧气速率(％)可以在Y轴上读取，时间(秒)可以在X轴上读取。
图12示出了在液体介质起泡期间pH值随时间的变化，pH值可以在Y轴上读取，时间(秒)可以在X轴上读取。
图13示出了氧气压(PO2)随时间的变化。PO2(mmHg)可以在Y轴上读取，时间(秒)可以在X轴上读取。
具体实施方式
现在将在以下描述中更详细地描述本发明而不限制本发明。
提供液体介质的装置
本发明涉及如图1至6B所示的组件1，用于提供具有受控流速和受控浓度的一种或多种溶解气体的液体介质。“溶解气体中的/的浓度(concentration in/of dissolvedgas)”是指在恒定温度下溶解在给定体积液体中的气体量。根据亨利定律(Henry’s law)，溶解在给定体积液体中的气体量与气体与液体平衡时的分压P成正比。
该组件1包括装置2和液体利用系统3，该液体利用系统3包括至少一个进液口16和至少一个出液口17。因此，装置2(其将在下文进一步描述)向液体利用系统3提供液体介质。优选地，该液体介质设置为受控的流速和具有受控浓度的一种或多种溶解气体。
以下，液体利用系统3被认为是细胞培养系统3。然而，应当理解，可以使用其它液体利用系统来代替细胞培养系统，例如化学反应器或生化反应器。因此，以下描述中的细胞培养系统3可以被任何其它液体利用系统3代替，而不改变组件的操作方式。
根据本发明的装置2包括液体储存器4(即，部分填充有液体介质的储存器)；进气管线5，其被配置为将气态介质提供到液体储存器4中；以及排气管线6，其被配置为从储存器4抽出气态介质。
液体介质优选为水溶液。在一些实施方式中，特别地，它可以是细胞培养基。
液体储存器4设有至少一个进气口7、至少一个出气口8及至少一个出液口9。液体储存器4的进气口7连接到进气管线5，液体储存器4的出气口8连接到排气管线6。液体储存器4的出液口9连接到细胞培养系统3的进液口16。
根据一些优选的实施方式，液体储存器4设置有单个进气口7。
根据其它实施方式，液体储存器4设置有两个或更多个进气口7。在这种情况下，进气口7可以连接到不同的进气管线5。例如，这些不同的进气管线5可以交替地或联合地使用。它们可以以类似的方式使用，如下文将描述的具有两个或更多个分支的进气管线5。
该进气口7或每个进气口7可以包括延伸到液体储存器4中的管(或毛细管)。换言之，进气口7可包括具有两个开口端的管，第一开口端可连接至进气管线5，第二开口端位于液体储存器4内。优选地，第二开口端位于液体储存器4的下部(底部)，以便向液体储存器4中存在的液体介质中提供(并因此起泡)气态介质，即使当发现只有少量的液体介质进入液体储存器4中。特别地，优选的是所述第二端位于液体储存器4中，在所述液体储存器4中出气口8的进入点的位置下方。换句话说，进气口7的管优选浸没在液体介质中。这可以使液体储存器4中存在的液体中的气体起泡。然而，在这种情况下，优选地，装置1可以包括一个或多个阀，以避免液体通过进气口7和通过进气管线5流出(回流)液体储存器4。
在一些实施方式中，第二开口端可以设置有喷嘴。喷嘴的存在可以减小被气化到液体储存器4内的液体介质中的气泡的尺寸并且因此增加气体和液体介质之间的扩散表面。
在一些其它实施方式中，进气口7可以直接在其下部(底部)进入液体储存器4。
在一些其它实施方式中，液体储存器4可以包括液体搅动元件，例如磁力搅拌器和机械搅拌器、超声换能器或声音换能器、振动元件。这可以将进入液体储存器4的气体与存在于液体储存器4中的液体混合，而不必使气体在液体中起泡。
根据一些优选实施方式，液体储存器4设置有单个出气口8。
根据其它实施方式，液体储存器4设有两个或更多个出气口8。然而，优选地液体储存器4设置有仅一个出气口8。
出气口8可以包括延伸到液体储存器4中的管(或毛细管)。换句话说，出气口8可以包括具有两个开口端的管，第一开口端可以连接到排气管线6，第二开口端位于液体储存器4中。优选地，第二开口端位于液体储存器4的上部(顶部)，以便从液体储存器4抽出气态介质，即使当液体储存器4充满(或基本上充满)液体介质时。出气口8的管不浸没在液体介质中。
根据一些优选实施方式，液体储存器4设置有单个出液口9。
根据其它实施方式(如图4所示)，液体储存器4设有两个或更多个出液口9。这可以将多于一个的细胞培养系统3(例如并联)连接到根据本发明的装置2，以便为每个培养细胞系统3提供具有受控流速和受控浓度的溶解气体的液体介质。在这种情况下，每个细胞培养系统3可以连接到不同的出液口9。
出液口9可以包括延伸到液体储存器4中的管(或毛细管)。换句话说，出液口9可以包括具有两个开口端的管，第一开口端可以连接到细胞培养系统3的进液口16(例如通过流体管线26)，第二开口端位于液体储存器4内，使管浸没在液体介质中。优选地，第二开口端位于液体储存器4的下部(底部)，以便从液体储存器4中抽出液体，即使发现在液体储存器4中只有少量液体介质时。
在一些实施方式中，被称为“集成实施方式(integrated embodiments)”，液体储存器4和液体利用系统3可以集成在单件中，例如筒(cartridge)。在一些实施方式中，所述筒可由模制聚合物材料制成。在这样的集成实施方式中，连接液体储存器4和液体利用系统3的任何管线、管或更一般的部件本身可以集成到单件或筒中。特别地，将液体储存器4连接到液体利用系统3的管线可以是单件或筒内的模制流体管线。阀门可以存在于出液口9或流体管线26上，以便打开或关闭液体储存器4和细胞培养系统3之间的流体连接(以便能够停止液体介质的流动)。
液体储存器4还可以优选地包括至少一个入口10，其被配置为容纳传感器10'。这样的传感器10'可以是压力传感器、温度传感器、浓度传感器、pH传感器、流量传感器、光传感器、相机或者电流或电压传感器。使得可以直接测量液体储存器4中的特定属性(例如温度或压力)。
根据一些实施方式，液体储存器4包括单个入口10，其配置为容纳传感器。在这种情况下，优选传感器是压力传感器。
根据其它实施方式，液体储存器4包括多于一个的入口10，该入口10被配置为容纳传感器10'。在这种情况下，这些入口10中的至少一个被配置为容纳压力传感器10'。
因此，本发明的装置2还可以包括传感器10'，传感器10'选自压力传感器、温度传感器、浓度传感器、流量传感器、pH传感器、光传感器、相机或电流或电压传感器，并且优选地是压力传感器，其延伸到液体储存器4中。上文的列表必须被视为可能的传感器的子集，而不视为对本发明领域的限制，其与其它类型的传感器或检测器结合也将发挥其优势。
在一些实施方式中，压力传感器10'可以存在于液体储存器4以外的位置中，例如存在于进气阀和排气阀之间。例如，压力传感器10'可以布置在进气管线5上。
如上所述，进气管线5被配置成将气态介质提供到储存器4中。因此，进气管线5可连接至至少一个气源11。
根据一些实施方式，该气源11或每个气源11可以是包含加压气体(或气体组合物)的容器11。
该气源11或每个气源可提供受控的气体组分、可控的压力、可控的流速或它们的任何组合。优选地，该气源11或每个气源11在可由气源上的调节器控制的压力下提供预定的气体组分。可替选地，气源11可以是气体混合器，或者换言之，可以是包括至少两种彼此分离的加压气体(或气体组分)的容器。在这种情况下，分离气体的混合物可以通过进气管线5提供到液体储存器中。优选地，这种气体混合器是文丘里气体混合器(Venturi gasmixer)或可调谐气体混合器，使得供给到进气管线5的气体混合物的组成可以由用户调节。
根据一些实施方式(如图1所示)，进气管线5可以连接到单个气源11。
根据其它实施方式，进气管线5可以连接到两个或更多个气源11。特别地，进气管线5可以分支并连接到两个或更多个容器11，每个容器11包含不同的气体或气体组分(并且优选地设置有压力调节器)。在这种情况下，装置2可以包括在气源11和进气口7之间的气罐，其被配置为在气体混合物进入液体储存器4之前混合离开不同气源11的不同气体。
气源11中的气体或气体组分可以选自空气、氧气、氮气、二氧化碳、一氧化碳、一氧化氮或硫化氢。在其它实施方式中，特别是对于化学应用，也可以选择其它气体，例如乙烯、一氧化碳、不同的氮氧化物、臭氧或氢气。在单个气源11的情况下，优选地气源11提供氧气或空气。
在其它优选实施方式中，两个气源11独立提供氧气和二氧化碳；或氧气和氮气；或氮气和二氧化碳；或空气和氧气；或空气和二氧化碳；或空气和氮气。
在其它优选实施方式中，三个气源11独立提供氧气、二氧化碳和氮气；或空气、二氧化碳和氮气。
可替选地，也可以使用气体混合器来提供这些不同的气体混合物。
进气管线5包括至少一个控制阀12(以下也称为进气阀)。这种控制阀12可位于气源11与液体储存器4的进气口7之间，且可被控制以调节气态介质的流速。优选地，控制阀12可以是电子阀。在一些实施方式中，进气管线5还可以包括至少一个止回阀(heck valve)以防止存在于液体储存器4中的液体在进气管线5中回流。
电子阀能够根据施加的电压实现和保持不同的开度(opening)。
可替选地，如果控制阀12不是电子阀，则它可以是气动阀或机械致动阀。
根据一些实施方式，控制阀12是连续可控阀。“连续可控阀”是指响应于不同的控制信号可以采用一系列多个(即，多于2个)开度值或一系列多个流阻值的阀。可以有有限数量的开度值或流阻值，或者可以有连续系列的此类值。
任选地，装置2还可以包括至少一个位于气源11和控制阀12之间的压力调节器，用于调节进入液体储存器4中的气体的压力。
此外，进气管线5还可以包括至少一个气流传感器13，以测量气态介质的流速。在一些其它实施方式中，气体的温度可以通过直接集成在进气管线5中的温度控制系统来控制，该系统包括例如珀耳帖元件(Peltier element)、或热化流体循环、或电阻器、或温度传感器、或其任何组合。气体的温度也可以通过箱内的交换器来控制。这允许在设定温度(例如大约37℃)处使液体源与气体源平衡，否则虽然液体源本身处于设定温度，但系统中的液体可能处于不同的温度。该气流传感器13可以位于气源11与液体储存器4的进气口7之间，优选位于控制阀12与液体储存器4的进气口7之间。
此外，进气管线5可包括选自压力传感器、温度传感器、浓度传感器、流量传感器、光传感器、相机、或电流或电压传感器中的一个或多个传感器。
根据一些实施方式，如图1所示，根据本发明的装置2包括单个进气管线5，其连接到液体储存器4的进气口7。
根据其它实施方式，根据本发明的装置2可以包括两个或更多个进气管线5。因此，每个进气管线5包括至少一个不同的控制阀12并且可以连接到不同的气源11。这可以为液体储存器4提供不同的气体。
可替选地，如图2所示，可以使用单个进气管线5，其分支并连接到多个气源11。在这种情况下，优选地，进气管线5的每个分支包括控制阀12和气流传感器13。所有并联的分支都连接在一起，以提供通过进气口7的单一的(混合的)气态介质流。在这种情况下，装置2可以包括在分支连接处下游的附加气流传感器13(图中未示出)，以便监测(并因此控制)进入液体储存器4的气态介质的总流速。在每个分支上使用单独的气流传感器13和控制阀12以及任选地在连接点下游使用附加的气流传感器13，可以调节供给到液体储存器4的气态介质的成分及其流速。
如上所述，排气管线6被配置为从液体储存器4中抽出气态介质。排气管线6的出口可以在大气中。可替选地，排气管线6可以连接到压力控制器14，这使得系统独立于大气压的变化。这是有用的，因为溶解气体在液体介质中的浓度取决于绝对压力，而不是相对压力。
“压力控制器”是指将压力保持在目标绝对值(例如使用绝对压力传感器，而不是以大气压为基准的表压传感器)的任何装置(包括例如阀门、压力传感器和调节器、气体容器和任何静压力(hydrostatic pressure)源)。
排气管线6包括至少一个控制阀15(以下也称为排气阀)。这种控制阀15可以位于液体储存器4的出气口8和压力控制器14(如果存在)之间。可替选地，控制阀15可集成在压力控制器14本身内。如上所述，优选地，控制阀15可以是电子阀。可替选地，如果控制阀15不是电子阀，则它可以是气动阀或机械致动阀。
根据一些实施方式，控制阀15是连续可控阀(如上所限定)。
通过控制进气管线5上的控制阀12和排气管线6上的控制阀15，可以调节气态介质流入和流出液体储存器4的流速，以及下文将更详细地描述液体储存器4中的压力。
继而，液体储存器4内的压力(例如用上述压力传感器10'测量)决定了在液体储存器4中含有的液体介质中的溶解气体的浓度。
溶解气体中的浓度根据以下等式计算：
[溶解气体组分]＝Kh×气态介质中气体组分的比例×P
Kh是亨利常数(Henry’s constant)，P是液体储存器中的总压力。
此外，排气管线6可包括一个或多于一个的选自压力传感器、温度传感器、浓度传感器、流量传感器、光传感器、相机、或电流或电压传感器中的传感器。
例如，排气管线6可以包括至少一个流量传感器(图中未示出)以测量从液体储存器4中抽出的气态介质的流速。该流量传感器可以位于液体储存器4的出气口8和压力控制器14之间。这可能是在进气管线5上的流量传感器之外的或代替进气管线5上的流量传感器。
根据本发明的装置2可包括一根或多根排气管线6，其连接至液体储存器4的出气口8。优选地，它包括单个排气管线6。
根据一些实施方式，液体储存器4是一体式容器，其包括至少一个进气口7、至少一个出气口8、至少一个出液口9和任选的至少一个配置为容纳传感器的入口10。
根据其它优选实施方式，液体储存器4为多件式(multiple-piece)容器。优选地，液体储存器4包括盖和瓶，盖和瓶组装在一起以形成液体储存器4。例如，盖可以拧在或夹在瓶上以形成液体储存器4。
当液体储存器4为多件式容器时，优选地，至少一个进气口7、至少一个出气口8、至少一个出液口9和任选的被配置为容纳传感器10'的至少一个入口10位于盖上。这种盖如图3所示。
瓶可以是用于细胞培养的普通锥形管，其可以连接到盖。它可以是能够容纳液体介质的任何瓶。这种瓶可以由以下材料制成，例如聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、玻璃、或聚碳酸酯、聚丙烯、环烯烃聚合物或共聚物、聚醚醚酮(polyether ether ketone，PEEK)、全氟化碳或碳氟化合物、丙烯酸聚合物，或更一般地热塑性材料和聚合物、环氧树脂等热固性树脂。
根据一些实施方式，当液体储存器4为多件式容器时，液体储存器4还可以包括能够在盖和瓶之间提供气密性的密封件。这种构件可以由选自金属、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯聚丙烯、环烯烃聚合物或共聚物、PEEK、全氟化碳或碳氟化合物，或更一般地热塑性材料和聚合物中的材料制成。特别地，所述密封构件可以是弹性材料，例如弹性体、硅氧烷弹性体、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、天然橡胶、多烯(例如特别是聚异戊二烯及其共聚物)、聚丁二烯、热塑性弹性体、氟化弹性体、聚氨酯、聚丙烯酸酯、环氧树脂。
例如，密封构件可以是O形环、弹性垫圈或任何可变形部件。密封构件可被挤压在盖和瓶之间。
优选地，根据本发明的装置2是可运输装置。它可以具有1mg至10kg并且优选100g至5kg的重量。
它也可以具有10cm3至1L并且优选50cm3至500cm3的容积。
当液体储存器4为多件式容器时，瓶的容积可以为10μL-1L，优选为1mL-100mL，更优选为1mL-15mL。
包括上述装置和液体利用系统的组件
如上所述，根据本发明的组件1还包括液体利用系统3，例如具有进液口16和出液口17的细胞培养系统3。根据本发明的装置2连接到细胞培养系统3，更具体地，根据本发明的装置2的出液口9连接到细胞培养系统3的进液口16。在一些实施方式中，装置2和液体利用系统3集成为单个部件，例如筒。在其他方面，液体利用系统3是与装置2分离的部件，并且通过诸如管道流体连接到装置2。
“细胞培养系统”是指装载和培养细胞的系统。细胞培养系统3包括至少一个通道，上述装置2提供的液体介质可以流经该通道。根据一些实施方式，细胞培养系统3可包含多于一个的通道。本发明的细胞培养系统3优选是气密的。因此，细胞培养系统3应该由基本上不透气的材料制成。这种材料可以选自聚(甲基丙烯酸甲酯)(poly(methylmethacrylate)，PMMA)、金属、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯聚丙烯、环烯烃聚合物或共聚物(cyclic olefin polymers or copolymers，COC)、PEEK、全氟化碳或碳氟化合物，或更一般地热塑性材料和聚合物。特别地，所述构件可以是弹性材料，例如弹性体、硅氧烷弹性体、PDMS、天然橡胶、多烯(例如特别是聚异戊二烯及其共聚物)、聚丁二烯、热塑性弹性体、氟化弹性体、聚氨酯、聚丙烯酸酯、环氧树脂。
细胞培养系统3可以选自毫流体细胞培养系统，或微流体细胞培养系统，或纳流体细胞培养系统。优选地，它是微流体细胞培养系统。
“毫流体细胞培养系统”是指其中最小通道或室尺寸为1-10mm量级的细胞培养系统。
“微流体细胞培养系统”是指其中最小通道或室尺寸为1至小于1000μm的量级的细胞培养系统。
“纳流体细胞培养系统”是指其中最小通道或室尺寸为小于1μm的量级的细胞培养系统。
在以下文本和权利要求中，为了方便起见，仅使用术语“微流体”，在某些情况下使用“微流体芯片”，但这些术语也包括毫流体和纳流体系统。此外，这些术语涵盖包含具有上述尺寸的通道的任何系统，无论是通过精密加工，还是通过组装微毛细管，或更一般地通过能够提供具有指定尺寸的通道的系统的任何方法制成。此外，它们不限于二维“芯片”，并且包含此类通道、室、或通道或室的阵列、或其任何组合的任何1D、2D或3D几何形状。
根据一些实施方式，本发明的细胞培养系统3可以是器官芯片或组织芯片。“器官芯片”或“组织芯片”是指模拟整个器官、器官系统或组织的活动、力学和生理反应的多通道3-D微流体细胞培养芯片。
优选地，细胞培养系统3没有单独的气流元件。因此，细胞培养系统3可以没有气体通道、或气室或气体可渗透材料(例如膜)。这可以降低制造成本并简化制造工艺。
根据一些实施方式，细胞培养系统3包括单个进液口16。在这种情况下，液体储存器4的出液口9连接到细胞培养系统3的进液口16(例如通过流体管线)以便为细胞培养系统3的至少一个通道提供液体介质，其具有受控流速和受控浓度的溶解气体。
根据其它实施方式，细胞培养系统3包括两个或更多个进液口16。在这种情况下，液体储存器4的出液口9可以连接到细胞培养系统3的所有进液口16(例如以便为细胞培养系统3的两个或更多个通道提供具有受控流速和受控浓度的溶解气体的液体介质)，或者细胞培养系统3的每个进液口16可以连接到同一液体储存器4的不同出液口9(仍然用于为细胞培养系统3的每个通道提供具有受控流速和受控浓度的溶解气体的液体介质)。
根据其它实施方式，组件1可包括单个装置2，其通过液体储存器4的多个出液口9连接至多个细胞培养系统3，每个细胞培养系统3连接至液体储存器4的不同出液口9。
根据其它实施方式，组件1可以包括连接到两个或更多个装置2的单个细胞培养系统3，特别是为了向细胞培养系统3的不同通道提供不同的液体介质。
根据其它实施方式，组件1可以包括连接到多个装置2的多个细胞培养系统3，特别是为了向各种细胞培养系统3的不同通道提供不同的液体介质。
组件1还可以包括连接到细胞培养系统3的一个或多个传感器，例如压力传感器、温度传感器、浓度传感器、pH传感器、流量传感器、光传感器、相机、或电流或电压传感器。
优选地，细胞培养系统3可以连接到液体流量传感器13'以测量液体介质进入细胞培养系统3中的流速。例如，这种传感器可以位于液体储存器4的出液口9和细胞培养系统3的进液口16之间(尽管它也可以放置在细胞培养系统3的下游)。
此外，如图1所示，根据本发明的组件1还可以包括溶解气体传感器23，以测量进入细胞培养系统3的溶解气体的浓度。溶解气体传感器23可以位于液体储存器4的出液口9和细胞培养系统的进液口16之间，以及流体管线26上，例如在液体流量传感器13'(如果这种传感器是存在的)和细胞培养系统3的进液口16之间。
溶解气体传感器23可以例如是氧气传感器，或氮气传感器，或二氧化碳传感器。为了准确表征复杂的溶解气体混合物，可以使用多于一个的溶解气体传感器，例如氧气传感器和/或氮气传感器和/或二氧化碳传感器。
细胞培养系统3的出液口17可以处于环境(大气)压力下。可替选地，细胞培养系统3的出液口17处的压力可以由于出口气体压力源而被控制，该出口气体压力源可以与装置2的出口压力源相同或可以与装置2的出口压力源不同。设定压力可以低于或高于大气压。
提供出口气体压力源的一种方式是提供附加储存器18。
如图4所示，当装置2并联地连接到多于一个的细胞培养系统3时，一个附加储存器18可以与每个细胞培养系统3相关联。
如图1所示，该附加储存器18或每个附加储存器18可包括至少一个进液口21，并进一步经由气体连接件22连接至压力控制器14'。细胞培养系统3的出液口17可以连接到附加储存器18的进液口21。因此，液体介质可离开细胞培养系统3并进入附加储存器18。压力控制器14'可以在附加储存器18内施加一定的压力。
可替选地，如图5所示，附加储存器18可包括至少一个进液口21、至少一个进气口19和至少一个出气口20。在这种情况下，附加储存器18的配置类似于上述液体储存器4的配置(不同之处在于附加储存器18包括至少一个进液口21，而液体储存器4包括至少一个出液口9)。细胞培养系统3的出液口17可以连接到附加储存器18的进液口21。因此，液体介质可离开细胞培养系统3并进入附加储存器18。
附加储存器18的进气口19可以连接到进气管线5。
附加储存器18的出气口20可以连接到压力控制器14'，其可以在出气口20处施加一定的压力。
当组件包括再循环能力时，这种配置是特别有用的，这将在下文进一步描述。
根据一些实施方式，如果根据本发明的单个装置2为数个细胞培养系统3或单个细胞培养系统3中的数个通道提供液体介质，则这数个细胞培养系统3或这些数个通道可以连接到同一个附加储存器18。
根据其它实施方式，如果数个细胞培养系统3或单个细胞培养系统3中的数个通道从根据本发明的单个装置2提供液体介质，则这数个细胞培养系统3或这数个通道可以连接到不同的附加储存器18。
作为压力控制器14'的替代或附加地，根据本发明的组件1可包括限流器(图中未示出)。根据一些实施方式，组件1中可包括多于一个的限流器。限流器可以放置在细胞培养系统3的上游、内部或下游。根据优选实施方式，细胞培养系统3的进液口16可以连接到限流器。限流器(可以是例如但不限于夹管阀、或电磁阀、或压电阀、或被动毛细管(passivecapillary)、或机械阀、或电子阀或过滤器，优选夹管阀)可以位于液体储存器4的出液口9和细胞培养系统3的进液口16之间，特别是液体流量传感器13'(如果存在这样的传感器)和细胞培养系统3的进液口16之间。限流器允许改变液压阻力，因此改变液体流速而不改变液体介质中溶解气体的浓度。
如图5所示，根据本发明的组件1还可以包括再循环模块24。再循环模块24被配置为将附加储存器18连接到细胞培养系统3的进液口16、连接到进气管线5和连接到排气管线6。再循环模块24可在上述配置与另一种配置之间切换，其中附加储存器18起着液体储存器4的作用，并且液体储存器4起着附加储存器18的作用。
更具体地，再循环模块24允许将液体储存器4的出液口9的功能切换为进液口9并且将附加储存器18的进液口21的功能切换为出液口21。因此，包含在附加储存器18中的液体介质可以从进液口16再循环到细胞培养系统3中到出液口17，然后可以进入液体储存器4。这对于在液体储存器4中的液体介质的量变得相对低之后继续供给细胞培养系统3液体介质是特别有用的。这具有许多技术优势。例如，它可以减少介质消耗，减少人工操作。它还可以允许在介质中保存细胞分泌的产物，从而改善体内平衡并避免细胞环境的严酷变化。
再循环模块24可包括一个或多于一个的阀以控制进出细胞培养系统3、液体储存器4和附加储存器18的液体和气体流量。优选地，再循环模块24可以包括多于一个的阀，优选地两个或更多个阀，优选地三个或更多个阀，并且更优选地四个或更多个阀。
再循环模块可包括一个或多于一个的压力控制器。优选地，再循环模块可以包括多于一个的压力控制器，并且优选地包括两个或更多个的压力控制器。
在一些实施方式中，再循环模块24可以包括输入储存器选择阀级(selectionvalving stage)以选择气态介质流向一个储存器还是另一个储存器；输出储存器选择阀级，以选择排气阀是从一个储存器还是从另一个储存器接收气态介质；液体重定向阀级，用于选择液体介质在储存器之间的流动方向。
在一些实施方式中，再循环模块24还包括三通阀，以在第一模式和第二再循环模式之间切换，第一模式中细胞培养系统3被充满且其出液口17连接到废液储存器，第二再循环模式中所述出液口17连接至液体储存器4。
在图6A和6B中更好地示出再循环模块24的实例。阀25a、25b、25c和25d是再循环模块24的一部分。
第一阀25a和第二阀25b负责控制细胞培养系统3、液体储存器4和附加储存器18之间的液体流。
第三阀25c和第四阀25d负责控制液体储存器4或附加储存器18与排气管线6或压力控制器14之间的气体流。
更详细地，根据图6A所示的配置，液体介质从液体储存器4的出液口9流出，通过第一阀25a并进入细胞培养系统3。在此阶段，由于第四阀25d的配置，排气管线6连接至液体储存器4。然后离开细胞培养系统3的液体介质流过第二阀25b，然后通过进液口21进入附加储存器18。在此阶段，由于第三阀25c的配置，压力控制器14'连接到附加储存器18。在稍后阶段，例如当大部分液体介质已经从液体储存器4转移到附加储存器18时，可以如图6B所示切换阀。然后，出液口9变为进液口9，而进液口21变为出液口21。
如图6B所示，液体介质从附加储存器18的出液口21流出，通过第二阀25b，进入细胞培养系统3。在此阶段，由于第四阀25d的配置，排气管线6连接到附加储存器18。然后离开细胞培养系统3的液体介质流过第一阀25a并通过进液口9进入液体储存器4。在此阶段，由于第三阀25c的配置，压力控制器14'连接到液体储存器4。
根据其它实施方式(图中未示出)，再循环可以通过液体再循环泵实现，该液体再循环泵允许将离开细胞培养系统3的出液口17的液体介质反馈回液体储存器4。为了实现这一点，再循环模块可以包括附加流体连接件和液体再循环泵，该附加流体连接件在细胞培养系统3的出液口17和液体储存器4之间，该液体再循环泵沿着液体储存器4和细胞培养系统3之间的流体管线26放置、或放置在细胞培养系统3内、或沿着将细胞培养系统3的出液口17连接到液体储存器4的第二流体管线放置。
根据优选实施方式，根据本发明的组件1没有培养箱。
细胞培养系统3可以放置在箱(oven)中，以使其保持在受控温度下，例如大约37℃的恒定温度。箱可以是组件1的一部分。在一些其它实施方式中(并且如上所述)，温度可以通过直接集成在微流体装置中的温度控制系统来控制，包括例如珀耳帖元件，或热化流体循环，或电阻器，或温度传感器，或它们的任何组合。
本发明的装置和组件的控制
根据本发明的组件1可以连接到或可以包括控制单元。控制单元使用户能够控制一个或多个参数，例如气体流速、液体流速、溶解气体浓度、压力等。控制单元可以包括图形用户界面，其允许选择一个或多个参数的输入值。
控制单元可以确保装置2和组件1的全自动化操作。
控制单元可以包括耦合到存储介质的一个或多个处理器，以及包括存储在其上的指令的计算机程序，用于执行下文更详细描述的各种步骤。控制单元可以接收来自上述传感器的任何组合的输入，以及来自用户的输入。特别地，控制单元可以接收来自以下一项或多项的输入：与液体储存器4相关联的压力传感器10'、进气管线5上的气流传感器13、排气管线6上的气流传感器13、液流传感器13'和任选的用于液体介质的溶解气体传感器23(例如，位于在流体管线26上)。控制单元还可以接收来自组件1中可能存在的任何其它压力传感器、流量传感器、光传感器、pH传感器、相机、电流或电压传感器的输入。
控制单元可以处理输入数据和/或用户指令，并因此向各种控制阀和压力控制器提供指令，特别是向进气管线5上的控制阀12、排气管线6上的控制阀15和连接到排气管线6的压力控制器14(如果存在)提供指令。它还可以向连接到附加储存器18(如果存在)的压力控制器14'和/或限流器(如果存在)提供指令。
控制单元尤其可以控制各种控制阀的孔径比(aperture ratio)。
每个控制阀的孔径比k可以定义为通过该阀的气体流速Q与可达到的最大气体流速Qmax的比值。结果，当阀门完全关闭时，k＝0，当阀门完全打开时，k＝1。
如果进气阀12关闭(ka＝0)或如果排气阀15关闭(ke＝0)，则气体流速为零。如果两个阀门都完全打开(ka＝ke＝1)，则流速最大(Q＝Qmax)。改变两个阀门的开口比可以获得不同的流速。在稳定状态下并假设气体流明显高于流出储存器4的液体，进气比(ka)、排气比(ke)和气体流速(Q)之间的理论近似关系如下：
因此，控制进气阀12和排气阀15可以调节气态介质通过液体储存器4的流速。
当存在两条或更多条进气管线时，类似的考虑也适用。
孔径比也可以控制液体储存器4中的压力P。如果进气阀12关闭且排气阀15打开，则P等于排气阀15的出口压力Poutgas(大气压或压力控制器14设定的压力)。如果进气阀12打开且排气阀15关闭，则P等于Pmax，即气源11设定的输入气体压力。如果两个阀门都打开，则理论关系如下：
在该等式中，Pmax为输入气体压力(由气源11设定)，Poutgas为排气阀15的出口压力(大气压或压力控制器14设定的压力)。在一些实施方式中，Pmax可由用户设置或由控制单元通过调节该气源11或每个气源11上的调节器或泵来控制。
因此，通过控制进气阀12和排气阀15，可以调节通过液体储存器4的气体流速Q，以及液体储存器4内的压力P。
作为提示，液体介质中溶解气体的浓度的变化取决于液体储存器4中的压力P。
此外，离开液体储存器4的液体介质的流速取决于液体储存器4中的压力P与细胞培养系统3的出口处的压力Poutliq(也称为“反压”)之间的差值，在一些实施方式中该差值可以通过相关联的压力控制器14'来调节。
总之，通过控制细胞培养系统3下游的进气阀12、排气阀15和压力控制器14'，可以独立控制溶解在液体介质中的气体浓度(取决于P)以及进入和通过细胞培养系统3的液体流速(取决于P-Poutliq)。
例如，通过保持液体储存器4中的压力P恒定，并通过改变细胞培养系统3的出液口17处的反压，可以改变液体介质的流速而不改变液体介质中的溶解气体浓度。
在一些实施方式中，细胞培养系统3下游的压力控制器14'可被设置为可高于或低于大气压的压力。使用低于大气压的压力可用于实现更高的液体流速。使用高于大气压的压力可能有助于避免细胞培养系统中形成气泡。
在其它实施方式中，上述限流器(例如夹管阀)用于调节和改变系统的液压阻力R。因此，基于理论关系(P-Poutliq)＝Qliq×R，即使不改变反压Poutliq，也可以调节液体储存器4中给定压力P的液体介质的流速Qliq。这可以使得能够简单地将细胞培养系统3的出液口17连接到大气压，而不是压力控制器14'，并且仍然可以实现对液体介质的流速的控制。
实验上，通常观察到相对于上述理论关系的偏差。
因此，有利地，在控制单元中实施调节算法以便根据来自各种传感器(特别是压力传感器、液体流速传感器和气体传感器)的输入来调节阀、压力控制器和/或限流器的控制。在一些优选实施方式中，所述调节算法涉及闭环配置。调节算法可以是比例型(P)、积分型(I)、导数型(derivative type)(D)、比例-积分型(PI)、比例-导数型(PD)、积分-导数型(ID)或优选比例-积分-导数型(PID)。
在一些实施方式中，调节算法可以依赖于模糊逻辑、人工智能、深度学习或神经网络来优化调节。
在一些实施方式中，一个或多个目标值由用户输入或以其它方式预先确定(例如气体流速和/或液体流速和/或液体介质中溶解气体的一个或多个浓度)；以及控制单元，使用调节算法，并基于来自如上所述的一个或多个传感器的输入，向控制阀、压力控制器和/或限流器发送指令，以便尽快(或在预定时间范围内)达到目标值)。作为调节的初始阶段，可以基于预设值来控制控制阀、压力控制器和/或限流器，在开始闭环调节本身之前，这些预设值可以从上述理论关系或从装置的实验校准中导出。
举例来说，调节算法可以包括以下步骤，以将气体流速和液体储存器4中的压力调节到目标值(可以由用户设定)：
-基于气体流速设定点，根据预定义的表格打开进气阀和排气阀。
-读取感测到的气体流速。
-启动进气阀开口上的闭环调节(例如PID)，以达到并保持流速在所需的设定点或接近所需的设定点。
-读取感测到的压力。
-启动排气阀开口上的闭环调节(例如PID)，以达到并保持压力在所需的设定点或接近所需的设定点。
因此，气体流速和压力是独立调节的，但在同一程序环中连续调节。
作为另一实施例，当存在多于一个的气源11时(如图2所示)，调节算法可以包括以下步骤，以便将各个气体流速和液体储存器4中的压力调节至目标值(可由用户设置)：
-基于设定点，根据预定义的表格打开进气阀和排气阀。
-读取每个感测到的气体流速并启动相应进气阀开口上的闭环调节(例如PID)，以达到并保持流速在所需的设定点或接近所需的设定点。
-读取感测到的压力。
-启动排气阀开口上的闭环调节(例如PID)，以达到并保持压力在所需的设定点或接近所需的设定点。
作为变型，例如用户可以输入总气体流速以及气流的组成，并且控制单元确定达到这些目标所需的设定点单个气体流速。例如，如果使用三个装有氧气(或空气)、氮气和二氧化碳的气体容器11，则用户可以选择目标总气体流速，以及液体介质中的两种目标气体浓度(例如氧气和氮气，或氮气和二氧化碳，或氧气和二氧化碳)。然后控制单元确定达到这三个目标值所需的单个气体流速，然后执行上述调节算法。
在一些优选实施方式中，控制单元可以在其调节动作中使用从相机拍摄的图像的分析中获得的信息。特别地，所述图像可以从细胞培养系统3的成像中提供，或者甚至优选地从包含在所述细胞培养系统3中的细胞的成像中提供。所述分析可以提供关于细胞的数量、形状、新陈代谢或其它特性的信息。因此，只要在本发明的描述中提到这样的输入，图像分析的结果就可以在本发明中与“传感器”的输出结合使用或代替“传感器”的输出使用。
装置和组件的使用
本发明还涉及一种用于提供液体介质的方法，该液体介质具有受控的流速且具有受控的浓度的溶解气体。优选地，该方法在上述组件1中实施。
根据本发明的方法包括第一步：为液体储存器4提供液体介质。“液体介质”优选是“生长介质”，即适于通过细胞增殖过程支持微生物或细胞群体的生长的含水组合物。
一旦液体介质在液体储存器4中，则该方法包括以下步骤：优选地以连续方式(但也可能以间歇方式)将来自气源11的至少一种气体经由进气管线5供给到液体储存器4中，并经由排气管线6不断地从液体储存器4中抽出气体。例如，气体流速可以是2mL/min至5L/min。
根据一些优选实施方式，气体流速可以是50mL/min至700mL/min。
根据其它优选实施方式，气体流速可以是2mL/min至50mL/min。
根据其它优选实施方式，气体流速可以是500mL/min至5L/min。
如上所述，气体流速可由进气管线5和排气管线6的控制阀12、15控制(施加)。气体与液体介质接触。如上所述，由于液体储存器4中的压力，可以控制液体介质中溶解气体的浓度。
根据本发明的方法还包括步骤：使液体介质从液体储存器4流入细胞培养系统3。液体介质的流速可以根据液体储存器4中的压力和细胞培养系统3的出液口17处的反压来调节。例如，液体介质流速可以是0.5μL/min至200μL/min(特别是对于器官芯片应用)或200μL/min至50mL/min或50至100mL/min。
优选地，液体介质从进液口16进入细胞培养系统3并且从出液口17抽出并且供给到附加储存器18(如果存在)。
根据本发明的方法可以控制和调节细胞培养系统3中液体介质的液体流速(独立于液体介质中溶解气体的浓度)。
在一些变型中，该方法包括：使气态介质流动以在液体介质中达到目标溶解气体浓度，而液体介质不流动，然后第二步骤：使具有目标溶解气体浓度的液体介质流动。从第一步骤到第二步骤的过渡可以通过打开液体储存器4和细胞培养系统3之间的阀门来实现。有利地，气体在第二步骤期间保持流动以确保液体介质中溶解气体的浓度保持在目标水平。在一些变型中，第一步骤中的气体流速高于第二步骤中的气体流速。因此，可以在第一步骤中较快地达到目标溶解气体浓度，然后可以将气体流速降低到足以维持目标溶解气体浓度并减少气体容器中的气体在入口处的消耗的水平。例如，第一步骤中的气体流速可以为150mL/min至700mL/min，第二步骤中的气体流速可以为1mL/min至300mL/min。
在一些实施方式中，该方法包括保持液体介质中溶解气体的浓度基本恒定，同时改变液体介质的流速。这可以通过将液体储存器4内的压力保持在基本恒定的水平，并通过改变施加在细胞培养系统3的出液口17处的反压来执行。由于可以连接到附加储存器18的压力控制器14'，因此可以调节该反压。
例如，液体储存器4中的压力与反压之间的差值可以在10mbar至7800mbar的范围内，并且优选地在50mbar至1000mbar的范围内。
可替选地，可以通过将液体储存器4内的压力保持在基本恒定的水平，并通过改变系统的液压阻力(例如通过使用如上所述的限流器)来执行。在这种情况下，细胞培养系统3的出液口17处的反压可以保持基本恒定。
液压阻力和反压均也可以改变。
可替选地，该方法可以包括改变液体介质中溶解气体的浓度，同时保持液体流速基本恒定，或者同时改变液体流速。
这可以尤其通过改变液体储存器4中的压力来执行。通过在必要时同时调节反压和/或液压阻力，尽管液体储存器4中的压力发生变化，但液体流速可以保持基本恒定，或者可以根据需要进行调节。
在一些优选实施方式中，液体介质中溶解氧气的浓度如上所述发生变化。这可以在不同条件下培养细胞，该不同条件代表各种健康或患病(例如肿瘤)组织的体内条件。
在一些实施方式中，溶解气体的浓度可以以间歇方式或循环方式变化。这使得例如在间歇性缺氧的条件下培养细胞成为可能，如在睡眠呼吸暂停和心肌梗死中可以发现的那样。
当使用多于一种的气源时，也可以通过改变流入液体储存器4中的气态介质的组成来改变在液体介质中溶解气体的浓度(代替改变液体储存器4中的压力或除了改变液体储存器4中的压力外)。这可以通过单独控制与各种气源相关联的控制阀12来执行；或者通过在包含不同气体组成的不同气源之间切换来执行。
在一些实施方式中，气态介质包括氧气和二氧化碳，其比例可如上所述独立控制(使用至少两个单独的气源)。这可以独立地控制液体介质中溶解氧和溶解二氧化碳的浓度。控制溶解二氧化碳的浓度，进而可以控制和调整液体介质的pH值(例如处于或接近正常生理值7.4，或处于或接近不同的值，例如低于7.4，以模拟疾病状况)。
在一些实施方式中，特别是当溶解气体的目标分压等于或高于30mmHg时，可以分两步达到溶解气体(例如氧气)的期望浓度。更具体地，第一步可包括将不含所述待溶解气体(例如氧气)的气体混合物注入液体储存器4中，并且一旦达到该目标分压，第二步可包括注入所需浓度的待溶解气体。当溶解气体的浓度从高(初始)值改变为较低(最终)值时，这是优选的。因此，这可以更快地达到溶解气体的所需(较低)浓度。
可替选地，特别地当溶解气体的目标分压低于30mmHg时，可以在一个步骤中达到溶解气体(例如氧气)的所需浓度，优选通过将所需浓度的溶解气体直接注入到液体储存器4中。
此外，根据本发明的方法可以包括步骤：将离开细胞培养系统3(从出液口17)并进入附加储存器18的液体介质再循环到细胞培养系统3中(例如通过使用上文所述的再循环模块24)。更具体地，如上文所解释的(并且如图6A和6B所示)，当大部分液体介质已经从液体储存器4转移到附加储存器18，并且由于再循环模块24的存在，根据本发明的方法可以包括以下步骤：经由进气管线5将至少一种气体连续提供到附加储存器18中(以与上文在液体储存器4的情况下所解释的相同的方式)，连续从附加储存器18经由排气管线6抽出气体(以与上文在液体储存器4的情况下所解释的相同方式)，并且经由进液口16向细胞培养系统3提供具有受控浓度溶解气体的液体介质。此时，离开培养细胞系统3的液体介质进入液体储存器4。当大部分液体介质已经从附加储存器18转移到液体储存器4时，可以再次切换储存器。
可替选地，再循环步骤可包括将离开细胞培养系统3的液体介质从出液口17转移回液体储存器4，例如通过如上所述的再循环泵。
根据本发明的方法可以用于生长细胞，包括单个细胞、类器官(organoid)、细胞集合体、细胞器、器官芯片和多细胞生物。作为示例性的和非穷举性的列表，细胞可包括哺乳动物细胞、动物细胞、植物细胞、细菌、原生动物、真核细胞、原核细胞、酵母细胞、真菌细胞、含病毒细胞或此类细胞的任何组合。多细胞生物可包括动物，特别是但不限于实验室模型动物，例如线虫、胚胎，特别是非人类胚胎，例如鱼胚胎、苍蝇、卵、植物、转基因生物(genetically modified organism，GMO)。也可以进行细胞培养以培养病毒。
还可以实施根据本发明的方法来进行生化反应，或酶促反应，或化学反应。
此外，根据一些优选实施方式，根据本发明的方法用于药物筛选操作，或毒性筛选操作。
实施例
以下实施例说明本发明而不限制本发明。
实施例1–压力/流速的实验测定
使用图1的设置，使用氧气容器作为单一气源。
使用气流传感器13，使用各种进气阀和排气阀比率，在高于大气压的源气体压力Pmax＝200mbar下进行气体流速测量。结果，获得了实验等流速(isoflow rate)曲线，如图7所示。
使用与液体储存器4相关联的压力传感器10'，使用各种进气阀和排气阀比率，在高于大气压的源气体压力Pmax＝200mbar下进行压力测量。结果，获得了实验等压曲线，如图8所示。
通过叠加两图，可以看出等压和等流速曲线有交点(图9)。
为了使氧气分压更接近大气压，可能需要将压力保持在Pmax/2以下。这对应于图表的上部，用三角形标识。在图表的这一部分中，流速随着排气阀开口的变化而变化不大，等流速曲线几乎是垂直的，这一事实在图形上是可见的。换句话说，如果要控制的压力与输入压力相比足够低(最多Pmax/2)，固定进气孔径将很大程度上决定流速，而压力可以通过改变排气阀孔径来改变。
实验P/Q曲线可用作本发明控制单元的输入，以在启动封闭的环路调节之前根据用户要求的流速和压力预先打开(pre-open)阀门，以快速接近所需的设定点并实现快速有效的调节。
实施例2–气体流速变化对氧气浓度的影响
仍然使用图1配备有Presens流通式氧传感器(FTCM-Pst7)的设置，以两种不同的气体流速，即0.133L/min(A)和0.3L/m(B)，并且以液体储存器4中相同的相对压力200mbar(Poutgas为1bar)，使氧气在液体储存器4中鼓泡。氧气测量结果如图10所示。
可以看出，达到液体介质中氧气的恒定平衡浓度(在这种情况下约为2％)所需的时间取决于气体流速，流速越高，达到平衡的时间越短。
实施例3–溶解气体浓度的循环变化
在这个实验中，实现了液体介质中氧含量的循环变化。通过在空气瓶和含2％氧气的气瓶之间切换，测量气态氧的循环。这表示可以在几种混合气源之间切换，并交替在细胞培养基中鼓泡以应用溶解氧的循环浓度。
结果如图11所示。气态介质中的氧气浓度在2％和20％之间波动。
实施例4-气体流速变化对pH值的影响
含有5％CO2和20％氧气的混合气体以两种不同的气体流速，即0.050L/min(A)和0.400L/min(B)以及以液体储存器4中相同的相对压力500mbar(Poutgas为1巴)，在液体储存器4中鼓泡。pH测量结果如图12所示。可以看出，达到液体介质中氧气的恒定平衡浓度(在这种情况下约为2％)所需的时间取决于气体流速，流速越高，达到平衡的时间越短。
实施例5–单个步骤中溶解气体浓度的变化
在此实施例中，通过向液体储存器中的细胞培养基中注入包含62mL/min N2、4.9mL/min CO2和32.5mL/min的空气，在37℃，在3mLDMEM(Dulbecco改良的Eagle培养基)中实现的50mmHg的目标氧气压力。如图13所示，在262秒(A)时达到目标压力。
实施例6–两个步骤中溶解气体浓度的变化
在此实施例中，在37℃，在3mLDMEM(Dulbecco改良的Eagle培养基)中的目标氧气压力50mmHg，分两步实现：首先在液体储存器中注入不含氧气的气体(94.5mL/min N2和4.9mL/min CO2)，以达到目标氧气压力。大约在达到目标氧气压力时(考虑到浓度传感器的响应时间时估计)，气流切换为包含62mL/min N2、4.9mL/min CO2和32.5mL/min空气，将其注入液体储存器中的细胞培养基中。如图13所示，在68秒(B)时达到目标压力，因此比实施例5中更快。
Claims (15)
1.一种用于提供具有受控流速和具有受控浓度的溶解气体的液体介质的装置(2)，所述装置(2)包括：
-液体储存器(4)，其设置有：
-至少一个进气口(7)；
-至少一个出气口(8)；和
-至少一个出液口(9)；
-进气管线(5)，其被配置为将气态介质提供到所述液体储存器(4)中，所述进气管线(5)连接到所述至少一个进气口(7)并包括至少一个控制阀(12)；和
-排气管线(6)，其配置为从所述液体储存器(4)中抽出所述气态介质，所述排气管线(6)连接到所述至少一个出气口(8)并且包括至少一个控制阀(15)。
2.根据权利要求1所述的装置(2)，其中所述排气管线(6)连接到压力控制器(14)。
3.根据权利要求1或2所述的装置(2)，其中，所述液体储存器(4)设置有至少一个入口(10)，所述入口(10)配置为容纳传感器(10')，优选压力传感器(10')。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(2)，其中所述气态介质为空气、氧气、氮气、或二氧化碳、或其混合物。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置(2)，其中，所述进气口(7)配置为使所述液体储存器(4)中包含的液体介质中的气态介质鼓泡，并且优选地包括具有第一开口端和第二开口端的管，所述第二开口端位于所述液体储存器(4)的下部，和/或其中所述液体储存器(4)包括液体搅动元件，例如磁力搅拌器和机械搅拌器，超声换能器或声音换能器，振动元件。
6.一种组件(1)，包括：
-根据权利要求1至5中任一项所述的装置(2)；和
-液体利用系统(3)，其包括至少一个进液口(16)和至少一个出液口(17)，
其中，所述装置(2)的出液口(9)连接到所述液体利用系统(3)的进液口(16)。
7.根据权利要求6所述的组件(1)，其中，所述液体利用系统(3)是细胞培养系统(3)，其优选地选自微流体细胞培养系统、毫流体细胞培养系统或纳流体细胞培养系统。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的组件(1)，包括附加储存器(18)，其连接到压力控制器(14')并且包括与所述液体利用系统(3)的出液口(17)连接的进液口(21)，和/或所述组件包括限流器，其配置为用于改变所述液体储存器(4)下游的液体介质的液压阻力。
9.根据权利要求8所述的组件(1)，还包括再循环模块(24)，其配置为将所述附加储存器(18)连接到所述液体利用系统(3)的进液口(16)、连接到所述进气管线(5)和连接到所述排气管线(6)。
10.一种用于提供具有受控流速和具有受控浓度的溶解气体的液体介质的方法，所述方法在根据权利要求6至9中任一项所述的组件(1)中实施，所述方法包括以下步骤：
-向所述液体储存器(4)提供液体介质；
-使气态介质通过所述进气管线(5)流入所述液体储存器(4)中并通过所述排气管线(6)流出所述液体储存器(4)，从而在所述液体储存器(4)中施加压力；
-由于所述液体储存器(4)中的所述压力，所述液体介质从所述液体储存器(4)流向所述液体利用系统(3)。
11.根据权利要求10所述的方法，包括在所述液体利用系统(3)的出液口(17)处施加反压的步骤，和/或包括改变所述液体储存器(4)下游的液压阻力的步骤。
12.根据权利要求10或11中任一项所述的方法，包括改变所述液体介质的流速同时保持所述液体介质中溶解气体的浓度基本恒定的步骤。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，包括以下步骤：控制所述进气管线(5)上的控制阀(12)和/或所述排气管线(6)上的控制阀(15)以将所述液体介质中的溶解气体，优选氧气和/或二氧化碳的至少一个浓度调节至预定值，优选地使用封闭的环路调节；和/或所述方法包括以下步骤：控制所述进气管线(5)上的控制阀(12)和/或所述排气管线(6)上的控制阀(15)，以将所述液体介质的pH调节至预定值，优选地使用封闭的环路调节；和/或所述方法包括以下步骤：控制所述液体利用系统(3)的出液口(17)处的反压以调节由所述液体储存器(4)到所述液体利用系统(3)的液体介质的流速，优选地使用封闭的环路调节；或所述方法包括所述控制液体储存器(4)下游的液压阻力以调节从所述液体储存器(4)到所述液体利用系统(3)的液体介质的流速，优选使用封闭的环路调节。
14.一种在细胞培养系统(3)中培养细胞的方法，其中，所述液体利用系统(3)设置有根据权利要求10至13中一项所述的方法的液体介质。
15.一种非暂时性计算机可读存储介质，其上存储有指令，当执行时，使至少一个计算装置控制权利要求1至5中一项所述的装置(2)或权利要求6至9中一项所述的组件(1)，以便执行权利要求10至14中任一项所述的方法。
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