CN116496883A - 一种流加式细胞自动培养装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流加式细胞自动培养装置，包括：控制单元、驱动机构、微量泵、多路切换阀、通路板、细胞培养板、输入单元及输出单元，所述控制单元与所述驱动机构连接，所述驱动机构分别与所述微量泵及所述多路切换阀连接，所述微量泵、所述多路切换阀、所述细胞培养板、所述输入单元及所述输出单元之间通过所述通路板连通形成培养通道；驱动机构驱动所述多路切换阀对所述培养通道进行切换。本发明还提供一种流加式细胞自动培养方法，采用本发明所述的流加式细胞自动培养装置及方法可通过多路切换阀、通路板实现多路液路切换，液路路数可以根据需要灵活设置。

Description

一种流加式细胞自动培养装置及方法

技术领域

本发明属于空间生物技术领域，具体涉及一种流加式细胞自动培养装置。

背景技术

细胞培养尤其是空间微重力环境下的细胞培养是开展细胞科学研究的必要手段。空间细胞培养是目前国际上的热点空间生物技术，在空间微重力条件下，细胞可以均匀悬浮于培养液中，为细胞的三维生长和分化创造了良好的条件。为了开展空间细胞培养研究就需要细胞培养装置，细胞培养装置是为所研究的细胞提供生长、增殖、分化和运动的环境条件，细胞培养主要在细胞培养板中进行，细胞培养装置需要在空间微重力环境下定期给细胞培养板提供培养液、固定/裂解液、消化液、空气或其他气体(输入)，同时具备定期采样、收集废液(输出)的功能，这就对细胞培养装置的结构和功能提出更高的要求。细胞培养板仅有一路输入、一路输出，因此细胞培养装置要能够可靠的实现不同输入、输出通路的切换，同时保证输入流量气体或液体的速度和精度。

现有专利CN 107739713 A提出使用蠕动泵将培养液等泵入细胞培养板再输出到废液袋，这种培养装置的缺点是每一路输入、输出通路需要使用一个蠕动泵，需要使用多个接头、软管，容易漏液、堵塞管路，同时只能提供高低两种流速，精度较低，且组装复杂。

发明内容

针对现有设计中存在的不足，本发明的目的是提供一种流加式细胞自动培养装置及方法以实现整体装置无接头、无软管，减少了漏液风险和堵塞风险，流速范围宽、精度高、连续可调，满足更多细胞培养需求，可在轨更换液袋、细胞板，满足了空间细胞培养所要求的小型化、方便组装和高可靠性的要求。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种流加式细胞自动培养装置，包括控制单元、驱动机构、微量泵、多路切换阀、通路板、细胞培养板、输入单元及输出单元，所述控制单元与所述驱动机构连接，所述驱动机构分别与所述微量泵及所述多路切换阀连接，所述微量泵、所述多路切换阀、所述细胞培养板、所述输入单元及所述输出单元之间通过所述通路板连通形成培养通道；其中，所述驱动机构驱动所述多路切换阀对所述培养通道进行切换；所述驱动机构驱动所述微量泵通过所述培养通道将所述输入单元内的细胞培养输入物泵入至所述细胞培养板内，并将所述细胞培养板内的细胞培养输出物泵出至所述输出单元。

进一步，所述驱动机构包括电机、第一单向传动器及第二单向传动器，所述控制单元与所述电机连接，所述电机分别连接所述第一单向传动器及所述第二单向传动器，所述电机正转或反转时，分别驱动所述第一单向传动器与所述二单向传动器，所述第一单向传动器连接所述微量泵，所述第二单向传动器连接所述多路切换阀。

进一步，所述驱动机构还包括减速器，所述电机通过所述减速器分别与所述第一单向传动器及所述第二单向传动器连接。

进一步，所述驱动机构还包括正向输出轴及反向输出轴，所述第一单向传动器通过所述正向输出轴与所述微量泵连接，所述第二单向传动器通过所述反向输出轴与所述多路切换阀连接。

进一步，所述多路切换阀包括阀芯及阀体，所述阀芯与所述第二单向传动器形成连接，其内部中空并被沿所述第二单向传动器的轴线方向分隔为两个腔体，且外壁上开设有贯穿的第一通道孔，所述第一通道孔的数量为多个，多个所述第一通道孔沿所述第二单向传动器的轴线方向设置，并排布成多列，每列上的所述第一通道孔数量相同且间距不同，每列上贯穿两个腔体的所述第一通道孔数量相同；所述阀体套设于所述阀芯外，与所述阀芯转动连接，且沿所述第二单向传动器的轴线方向开设有多个贯穿的第二通道孔，所述第二通道孔通过所述通路板与所述细胞培养板、所述输入单元及所述输出单元形成连通，以通过所述阀芯的转动，使每列上的所述第一通道孔与所述第二通道孔连通，形成多种所述培养通道，且所述阀芯的两个腔体分别形成所述培养通道中的输入通道及输出通道。

进一步，所述流加式细胞自动培养装置还包括密封件，所述密封件包覆于所述通路板外，以对所述通路板进行密封，且所述密封件上开设有密封孔，所述微量泵、所述多路切换阀、所述细胞培养板、所述输入单元、所述输出单元通过所述密封孔与所述通路板形成连通。

进一步，所述通路板包括基板及针头，所述针头设置于基板上，并位于所述密封孔内。

进一步，所述输入单元包括培养液袋、固定/裂解液袋、消化液袋及气体袋，所述培养液袋、所述固定/裂解液袋、所述消化液袋及所述气体袋皆与所述通路板连通。

进一步，所述输出单元包括取样袋及废液袋，所述取样袋及所述废液袋皆与所述通路板连通。

本发明还提供一种流加式细胞自动培养方法，包括步骤：组装装置，形成完整的培养通道；控制多路切换阀进行培养通道的切换；控制微量泵工作，根据切换的培养通道完成细胞培养。

本发明的效果在于：可仅通过驱动机构与多路切换阀及微量泵的配合，即可实现多路输入输出通路的切换和控制泵入/泵出气液流量，且通过多路切换阀、通路板实现多路液路切换，液路路数可以根据需要灵活设置，流速控制精度高，范围宽，连续可调，满足更多细胞培养需求。

附图说明

图1为本发明提供的一种流加式细胞自动培养装置的结构示意图；

图2为图1中驱动机构的结构示意图；

图3为图1中多路切换阀的结构示意图；

图4为图3的爆炸结构示意图；

附图标记说明：

1、控制单元；2、驱动机构；3、微量泵；4、多路切换阀；5、密封件；6、通路板；7、培养液袋；8、固定/裂解液袋；9、消化液袋；10、气体袋；11、取样袋；12、废液袋；13、细胞培养板；21、减速器；22、第一单向传动器；23、第二单向传动器；24、反向输出轴；25、正向输出轴；26、电机；41、阀芯；42、阀体；411、第一通道孔；421、第二通道孔；。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1-4所示，本发明提供的一种流加式细胞自动培养装置，包括控制单元1、驱动机构2、微量泵3、多路切换阀4、通路板6、细胞培养板13、输入单元及输出单元，控制单元1与驱动机构2连接，驱动机构2分别与微量泵3及多路切换阀4连接，微量泵3、多路切换阀4、细胞培养板13、输入单元及输出单元之间通过通路板6连通形成培养通道，驱动机构2驱动微量泵3通过培养通道将输入单元内的细胞培养输入物泵入至细胞培养板13内，并将细胞培养板13内的细胞培养输出物泵出至输出单元。驱动机构2驱动多路切换阀4对培养通道进行切换，以根据培养需求切换不同的培养通道，从而满足细胞的培养条件。

可以理解，微量泵3、多路切换阀4、细胞培养板13、输入单元及输出单元之间通过通路板6连通形成培养通道，可以通过在通路板6上设置通路实现，在本实施例中，通路板6是3D打印材料制成，可根据实际需要自行设置对应的通路，以形成特定的培养通道。

进一步地，驱动机构2包括电机26、第一单向传动器22及第二单向传动器23，控制单元1与电机26连接，电机26的输出轴分别连接第一单向传动器22及第二单向传动器23，以在电机26正转或反转时，分别驱动第一单向传动器22与第二单向传动器23，第一单向传动器22连接微量泵3，第二单向传动器23连接多路切换阀4。

可以理解，当电机26正转时，通过第一单向传动器22驱动微量泵3工作，当电机26反转时，通过第二单向传动器23驱动多路切换阀4切换培养通道。

可以理解，第一单向传动器22及第二单向传动器23可以是棘轮机构、摩擦式棘轮机构等，分别实现当电机26正转时，带动第一单向传动器22一同转动，第二单向传动器23不动，而当电机26反转时，带动第二单向传动器23转动，第一单向传动器22不动。

可以理解，电机26可通过任意方式分别与第一单向传动器22及第二单向传动器23连接，只要电机正反转时分别驱动第一单向传动器22及第二单向传动器23即可。

可以理解，电机26也可以反转时驱动第一单向传动器22，正转时驱动第二单向传动器23，可根据需求设定第一单向传动器22及第二单向传动器23的转动方向，即棘轮机构的转动方向。

进一步地，驱动机构2还包括减速器21，电机26通过减速器21分别与第一单向传动器22及第二单向传动器23连接。

可以理解，减速器21可以是齿轮减速箱。

进一步地，驱动机构2还包括正向输出轴25及反向输出轴24，第一单向传动器22通过正向输出轴25与微量泵3连接，第二单向传动器23通过反向输出轴24与多路切换阀4连接。

进一步地，多路切换阀4包括阀芯41及阀体42，阀芯41与第二单向传动器23形成连接，其内部中空并被沿第二单向传动器23的轴线方向分隔为两个腔体，且外壁上开设有贯穿的第一通道孔411，第一通道孔411的数量为多个，多个第一通道孔411沿第二单向传动器23的轴线方向设置，并排布成多列，每列上的第一通道孔411数量相同且间距不同，且每列上贯穿两个腔体的第一通道孔411数量相同。

阀体42套设于阀芯41外，与阀芯41转动连接，且沿第二单向传动器23的轴线方向开设有多列贯穿的第二通道孔421，第二通道孔421通过通路板6与细胞培养板13、输入单元及输出单元形成连通，以通过阀芯41的转动，使每列上的第一通道孔411分别与第二通道孔421连通，形成多种培养通道，且阀芯41的两个腔体分别形成培养通道中的输入通道及输出通道。可以理解，通过每列上第一通道孔411数量相同但间距不同的设置，可使阀芯41每次转动至有一列第一通道孔411与第二通道孔421连通时，形成的培养通道与上一列第一通道孔411形成的培养通道不同，从而达到切换培养通道的效果。可以理解，第一通道孔411的列数与每列的数量及第二通道孔421的数量可根据需要形成的培养通道，配合通路板6内部通道自主设置。在本实施例中，每列第一通道孔411的数量为四个，其中每两个第一通道孔411分别与两个腔体连通，第二通道孔421的数量为七个。

可以理解，通过第一通道孔411与第二通道孔421连通形成培养通道时，阀芯41的两个腔体分别形成输入通道及输出通道。如将阀芯41内的两个腔体分为上腔体及下腔体，当第一通道孔411的数量为四个时，两个第一通道孔411连通上腔体，以在与第二通道孔421连通时，形成培养通道中的输入通道，而另外两个第一通道孔411则连通下腔体，以在与第二通道孔421连通时，形成培养通道中的输出通道。可以理解，当阀芯41转动至一列第一通道孔411与第二通道孔421连通时，两个腔体中的一个通过通路板6与细胞培养板13及输入单元连通，以形成将输入单元内的培养液、固定/裂解液、消化液、空气或其他气体泵入至细胞培养板13内的输入通道，而另一个腔体则通过通路板6与细胞培养板13及输出单元连通，以将细胞培养板13中的细胞培养输出物泵出至输出单元内。

进一步地，每列第一通道孔411之间的距离相等。

可以理解，通过设置每列第一通道孔411之间的距离相等，可使电机26每次反转相同的角度，即可切换一次培养通道。

进一步地，流加式细胞自动培养装置还包括密封件5，密封件5包覆于通路板6外，以对通路板6进行密封，且密封件5上开设有密封孔，微量泵3、多路切换阀4、细胞培养板13、输入单元、输出单元通过密封孔与通路板6形成连通。

进一步地，通路板6包括基板及针头，针头设置于基板上，并位于密封孔内。

可以理解，基板内设置有通路，针头与通路连通，并穿过密封孔与微量泵3、多路切换阀4、细胞培养板13、输入单元、输出单元连通，以形成培养通道。

进一步地，输入单元包括培养液袋7、固定/裂解液袋8、消化液袋9及气体袋10，培养液袋7、固定/裂解液袋8、消化液袋9及气体袋10皆与通路板6连通，细胞培养输入物包括培养液、固定/裂解液、消化液、空气或其他气体等。

进一步地，输出单元包括取样袋11及废液袋12，取样袋11及废液袋12皆与通路板6连通。

可以理解，通过多路切换阀4切换培养通道，可向细胞培养板13内定量输入培养液袋7、固定/裂解液袋8、消化液袋9及气体袋10中的一种或多种，以及由细胞培养板13内向取样袋11和/或废液袋12排出细胞培养输出物，即样品或废液。

可以理解，气体袋10内可以是空气或其他气体。微量泵3可以是脉冲微量泵，也可以是蠕动泵或其他管道型微泵。

可以理解，通路板6内的通路可根据培养需求自行设定。

可以理解，控制单元1可读取磁编码传感器的角度读数，计算出当前阀芯41位置和设定阀位之间的角度差，转化为电机26步数，控制电机26转动阀芯41到指定阀位，也可读取微量脉冲泵上的霍尔传感器，精确控制微量脉冲泵旋转的圈数进而精确控制微量脉冲泵泵入、泵出的液体或者气体流量。

本装置的工作原理为：培养液袋7中培养液经过通路板6到微量泵3，再输出到多路切换阀4，然后再流入通路板6，经通路板6内部的通路流至细胞培养板13，最后由细胞培养板13流出至通路板6，又流回多路切换阀4，经多路切换阀4、通路板6流至废液袋81，形成一个完整的液路通路。期间，通过转动阀芯41，通过不同列的第一通道孔411与第二通道孔421连通，形成不同培养通道，即不同的液路通路，从而实现不同的培养需求。

本发明还提供一种流加式细胞自动培养方法，其利用一种流加式细胞自动培养实现，包括步骤：

S1，组装装置，形成完整的培养通道；

具体的，根据需求组装驱动机构、微量泵、多路切换阀、通路板、细胞培养板、输入单元及输出单元，并使其连通形成培养通道，以使控制单元能够控制驱动机构驱动微量泵工作，从而将输入单元内的培养液或空气等气体通过通路板及多路切换阀泵入至细胞培养板内，并将细胞培养板内的细胞培养输出物泵出至输出单元。

S2，控制多路切换阀进行培养通道的切换；

具体的，通过控制单元控制电机反转，形成不同的培养通道。

S3，控制微量泵工作，根据切换的培养通道完成细胞培养；

具体的，在切换好多路切换阀后，控制单元正转控制微量泵工作，以完成细胞培养的过程。

通过上述实施例可以看出，本发明可仅通过驱动机构与多路切换阀配合，即可实现多路输入输出通路的切换和控制泵入/泵出气液流量，且通过多路切换阀、通路板实现多路液路切换，液路路数可以根据需要灵活设置，流速控制精度高，范围宽，连续可调，满足更多细胞培养需求。

同时，本发明装置内部无接头、无软管，可减少漏液、堵塞风险，各液袋和细胞培养板可以通过固定框架和带防护套的插针插接式装载，快速、安全、无漏液，可在轨更换液袋、细胞板，无次数限制，体积更加紧凑，各液袋容量显著增大，并且各液袋容量可以根据需要灵活调整。

本发明所述的方法及装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (10)

1.一种流加式细胞自动培养装置，其特征在于，包括：

控制单元、驱动机构、微量泵、多路切换阀、通路板、细胞培养板、输入单元及输出单元，所述控制单元与所述驱动机构连接，所述驱动机构分别与所述微量泵及所述多路切换阀连接，所述微量泵、所述多路切换阀、所述细胞培养板、所述输入单元及所述输出单元之间通过所述通路板连通形成培养通道；

其中，所述驱动机构驱动所述多路切换阀对所述培养通道进行切换；所述驱动机构驱动所述微量泵通过所述培养通道将所述输入单元内的细胞培养输入物泵入至所述细胞培养板内，并将所述细胞培养板内的细胞培养输出物泵出至所述输出单元。

2.如权利要求1所述的一种流加式细胞自动培养装置，其特征在于：

所述驱动机构包括电机、第一单向传动器及第二单向传动器，所述控制单元与所述电机连接，所述电机分别连接所述第一单向传动器及所述第二单向传动器，所述电机正转或反转时，分别驱动所述第一单向传动器与所述二单向传动器，所述第一单向传动器连接所述微量泵，所述第二单向传动器连接所述多路切换阀。

3.如权利要求2所述的一种流加式细胞自动培养装置，其特征在于：

所述驱动机构还包括减速器，所述电机通过所述减速器分别与所述第一单向传动器及所述第二单向传动器连接。

4.如权利要求2所述的一种流加式细胞自动培养装置，其特征在于：

所述驱动机构还包括正向输出轴及反向输出轴，所述第一单向传动器通过所述正向输出轴与所述微量泵连接，所述第二单向传动器通过所述反向输出轴与所述多路切换阀连接。

5.如权利要求2所述的一种流加式细胞自动培养装置，其特征在于：

所述多路切换阀包括阀芯及阀体，所述阀芯与所述第二单向传动器形成连接，其内部中空并被沿所述第二单向传动器的轴线方向分隔为两个腔体，且外壁上开设有贯穿的第一通道孔，所述第一通道孔的数量为多个，多个所述第一通道孔沿所述第二单向传动器的轴线方向设置，并排布成多列，每列上的所述第一通道孔数量相同且间距不同，每列上贯穿两个腔体的所述第一通道孔数量相同；

所述阀体套设于所述阀芯外，与所述阀芯转动连接，且沿所述第二单向传动器的轴线方向开设有多个贯穿的第二通道孔，所述第二通道孔通过所述通路板与所述细胞培养板、所述输入单元及所述输出单元形成连通，以通过所述阀芯的转动，使每列上的所述第一通道孔与所述第二通道孔连通，形成多种所述培养通道，且所述阀芯的两个腔体分别形成所述培养通道中的输入通道及输出通道。

6.如权利要求1所述的一种流加式细胞自动培养装置，其特征在于：

所述流加式细胞自动培养装置还包括密封件，所述密封件包覆于所述通路板外，以对所述通路板进行密封，且所述密封件上开设有密封孔，所述微量泵、所述多路切换阀、所述细胞培养板、所述输入单元、所述输出单元通过所述密封孔与所述通路板形成连通。

7.如权利要求1所述的一种流加式细胞自动培养装置，其特征在于:

所述通路板包括基板及针头，所述针头设置于基板上，并位于所述密封孔内。

8.如权利要求1所述的一种流加式细胞自动培养装置，其特征在于:

所述输入单元包括培养液袋、固定/裂解液袋、消化液袋及气体袋，所述培养液袋、所述固定/裂解液袋、所述消化液袋及所述气体袋皆与所述通路板连通。

9.如权利要求1所述的一种流加式细胞自动培养装置，其特征在于：

所述输出单元包括取样袋及废液袋，所述取样袋及所述废液袋皆与所述通路板连通。

10.一种流加式细胞自动培养方法，其特征在于，包括步骤：

组装装置，形成完整的培养通道；

控制多路切换阀进行培养通道的切换；

控制微量泵工作，根据切换的培养通道完成细胞培养。