CN116694468A - 用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统及其应用 - Google Patents

用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统及其应用 Download PDF

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CN116694468A CN202310918164.1A CN202310918164A CN116694468A CN 116694468 A CN116694468 A CN 116694468A CN 202310918164 A CN202310918164 A CN 202310918164A CN 116694468 A CN116694468 A CN 116694468A
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田佳
李娟�
那向明
张传宇
何志颖
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鲁岳峰
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Abstract

本发明属于细胞培养系统技术领域，公开了一种用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统及其应用。用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统包括分别连接于控制单元的多模式可控波动反应器运动单元和细胞培养单元，控制单元可以控制多模式可控波动反应器运动单元的多模式可控波动运动和监测细胞培养参数，控制单元能够分别控制Z轴电动升降台、X轴电动载物台、Y轴电动载物台和R轴电动摆台中的任意一个单独运动或组合运动，并根据插补算法形成多模式可控波动运动。本发明可以通过不同模式的可控波动运动，实现不同细胞不同培养阶段的培养需求，使得细胞培养过程更易于混合和分离等工艺的实施，适于细胞体外培养，提高细胞培养效率和质量。

Description

用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统及其应用
技术领域
本发明涉及细胞培养系统技术领域，尤其涉及一种用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统及其应用。
背景技术
生物医药行业中，为了大量生产酶、激素、抗体、蛋白、病毒、疫苗和细胞等生物制品而进行大规模的体外细胞培养，越来越多的生物反应器系统已经用于生物制品的合成和生产。利用生物反应器生产流感疫苗、狂犬疫苗等，其生产规模已经到了25000L，搅拌式反应器和气升式反应器是其中常用的类型。近年来，随着细胞治疗和再生医学的发展，干细胞在危重以及难治性重大疾病的治疗中展现了良好的应用前景。但是由于干细胞来源少但需求量大，因此，必须进行规模扩增得到足够数量、高质量的干细胞，才能满足不断增长的临床需求。
干细胞培养分为悬浮培养和贴壁培养，目前，常用的培养反应器为容器型，如T型培养瓶或培养皿，依赖于增加容器个数来提高产量，很难满足规模化生产需求，人力物力浪费巨大并且操作过程难以标准化，容易染菌，产品性能无法实时监控，产品批次间质量差异大。因此，使用生物反应器进行干细胞的规模扩增是必然趋势。
但是，干细胞对生物反应器提出新的挑战：
一、干细胞对培养环境更为敏感，不适宜的流体环境和剪切力会造成干细胞丧失干性、活性，或者导致分化；
二、干细胞体外扩增经历细胞粘附、铺展、增殖、脱附等阶段，不同阶段对于培养环境特别是流体环境要求不同。现有生物反应器能够提供的运动模式单一，难以满足不同细胞不同培养阶段的混合要求，易造成细胞混合不均匀的状态，造成细胞异质性生长。
三、对于贴壁型的细胞/干细胞，微载体的加入给体外培养过程带来新的需要考虑的因素，包括微载体的粒径、密度、沉降速度等。微载体培养工艺操作复杂，对细胞生物反应器的要求高，因此，开发适于细胞特别是干细胞体外培养的生物反应器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统及其应用，以解决细胞体外培养的生物反应器运动模式单一，难以满足不同细胞不同培养阶段的培养和混合需求的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，包括：
多模式可控波动反应器运动单元，从下到上依次设置有Z轴电动升降台、X轴电动载物台、Y轴电动载物台和R轴电动摆台；
细胞培养单元，包括托盘和细胞培养袋，所述托盘设置在所述R轴电动摆台上，所述托盘与所述R轴电动摆台可拆卸式连接，所述托盘上放置所述细胞培养袋；
控制单元，所述控制单元连接所述多模式可控波动反应器运动单元以控制所述多模式可控波动反应器运动单元的多模式可控波动运动，所述控制单元连接所述细胞培养单元以监测细胞培养参数，所述控制单元能够分别控制所述Z轴电动升降台、所述X轴电动载物台、所述Y轴电动载物台和所述R轴电动摆台中的任意一个单独运动或组合运动，并根据插补算法形成多模式可控波动运动。
可选地，所述多模式可控波动运动包括：一维直线运动、二维直线运动、二维曲线运动、三维直线运动、三维螺旋运动和摆动中的任意一种或多种的组合运动。
可选地，所述插补算法包括运动方程如下：
一维直线运动方程：
X＝Vx*t或Y＝Vy*t或Z＝Vz*t；
二维直线运动方程：
X＝Vx*t
Y＝Vy*t
二维曲线运动方程：
X＝Vx*t
Y＝Asin(t)
或，
X＝Asin(t)
Y＝Acos(t)
三维直线运动方程：
X＝Vx*t
Y＝Vy*t
Z＝Vz*t
三维曲线运动方程：
X＝Asin(t)
Y＝Acos(t)
Z＝Vz*t
式中，X、Y和Z分别为所述X轴电动载物台、所述Y轴电动载物台和所述Z轴电动升降台分别在X轴、Y轴和Z轴的运动距离，t为时间，Vx、Vy和Vz分别为所述X轴电动载物台、所述Y轴电动载物台和所述Z轴电动升降台在X轴、Y轴和Z轴上的分速度，A为所述X轴电动载物台、所述Y轴电动载物台或所述Z轴电动升降台分别在X轴、Y轴或Z轴上的最大运动距离，运动时同时启动同时到达终点。
可选地，所述Z轴电动升降台、所述X轴电动载物台和所述Y轴电动载物台的行程范围为(-1000mm)-(+1000mm)，运动速度不超过1000mm/s，所述R轴电动摆台的摆动角度在(-180°)-(+180°)之间，摆动速度不超过180°/s。
可选地，所述Z轴电动升降台、所述X轴电动载物台和所述Y轴电动载物台的行程范围为(-100mm)-(+100mm)，运动速度不超过100mm/s，所述R轴电动摆台的摆动角度在(-15°)-(+15°)之间，摆动速度不超过7.5°/s。
可选地，所述托盘上设有一个或多个培养位，所述培养位与所述细胞培养袋一一对应设置，以满足实验室、小试、中试或规模化培养的需求。
可选地，所述托盘上设置有电加热片，所述细胞培养袋位于所述电加热片上，所述电加热片与所述控制单元连接。
可选地，所述细胞培养单元还包括监测组件和循环泵组件，所述控制单元连接所述监测组件以接收所述监测组件的监测参数并实时显示，所述控制单元连接所述循环泵组件，为所述细胞培养袋提供液体循环或气体循环控制。
本发明还提供一种用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统的应用，将所述的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，用于在细胞培养的粘附阶段和/或扩增阶段和/或收集阶段提供多模式可控波动运动。
可选地，在细胞培养的粘附阶段和/或扩增阶段和/或收集阶段，控制单元控制多模式可控波动反应器运动单元形成多模式可控波动运动，粘附阶段的可控波动运动为：动静态结合培养，每隔1-2小时设置一种或多种可控波动运动模式五分钟；扩增阶段的可控波动运动模式为：XY平面圆周运动联合R轴摆动运动，X轴运动方程X＝Asin(t)，Y轴运动方程Y＝Asin(t)，150≤A≤200，运动速度为5-100mm/s，R轴摆动范围(-15°)-(+15°)，摆动速度均为2.5°/s-7.5°/s；收集阶段的可控波动运动模式为：R轴摆动范围(-180°)-(+180°)。
本发明的有益效果：
本发明的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，通过设置控制单元控制多模式可控波动反应器运动单元，便于多模式可控波动反应器运动单元提供多模式可控波动运动，从而可以通过不同模式的可控波动运动，实现不同细胞不同培养阶段的培养需求，提供柔和而均匀的流体环境，使得细胞培养过程更易于混合和分离等工艺的实施，适于细胞体外培养，提高细胞培养效率和质量。
本发明的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统的应用，将所述的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，用于细胞培养的粘附阶段和/或扩增阶段和/或收集阶段，可以为细胞培养的不同阶段提供相应模式的可控波动运动，使得细胞培养过程更易于混合和分离等工艺的实施，提高细胞培养效率和质量。
附图说明
图1是本发明的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统的结构示意图；
图2是本发明的用于细胞培养的多模式可控波动反应器运动单元的二维正余弦运动轨迹示意图；
图3是本发明的用于细胞培养的多模式可控波动反应器运动单元的二维圆周运动轨迹示意图；
图4是本发明的用于细胞培养的多模式可控波动反应器运动单元的三维直线运动轨迹示意图；
图5是本发明的用于细胞培养的多模式可控波动反应器运动单元的三维螺旋曲线运动轨迹示意图。
图中：
1、多模式可控波动反应器运动单元；11、Z轴电动升降台；12、X轴电动载物台；13、Y轴电动载物台；14、R轴电动摆台；
2、细胞培养单元；21、托盘；211、电加热片；22、细胞培养袋；23、监测组件；24、循环泵组件；
3、控制单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
本发明提供一种用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，如图1所示，包括多模式可控波动反应器运动单元1、细胞培养单元2和控制单元3，多模式可控波动反应器运动单元1包括从下到上依次设置的Z轴电动升降台11、X轴电动载物台12、Y轴电动载物台13和R轴电动摆台14；细胞培养单元2包括托盘21和细胞培养袋22，托盘21设置在R轴电动摆台14上，托盘21与R轴电动摆台14可拆卸式连接，托盘21上放置细胞培养袋22；控制单元3连接多模式可控波动反应器运动单元1以控制多模式可控波动反应器运动单元1的多模式可控波动运动，控制单元3连接细胞培养单元2以监测细胞培养参数，控制单元3能够分别控制Z轴电动升降台11、X轴电动载物台12、Y轴电动载物台13和R轴电动摆台14中的任意一个单独运动或组合运动，并根据插补算法形成多模式可控波动运动。
如图1所示，多模式可控波动反应器运动单元1为XYZR四轴运动平台，Z轴电动升降台11固定在底座上，设置Z轴驱动电机控制升降运动，控制单元3连接Z轴驱动电机以实现对托盘21或细胞培养袋22的Z向高度调整以及运动模式控制；X轴电动载物台12和Y轴电动载物台13设置在Z轴电动升降台11上并组成XY平面载物台，X轴电动载物台12和Y轴电动载物台13分别通过X轴驱动电机和Y轴驱动电机控制位移，X轴驱动电机和Y轴驱动电机均与控制单元3电连接。X轴驱动电机和Y轴驱动电机均为直线电机，Z轴驱动电机为直线电机或转动电机加蜗轮蜗杆驱动单元。R轴电动摆台14可拆卸的安装在XY平面载物台上，可为细胞培养提供R轴摆动运动。R轴平行于X轴或Y轴。
本发明的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，通过设置控制单元3电连接并控制多模式可控波动反应器运动单元1，便于多模式可控波动反应器运动单元1提供多模式可控波动运动，从而可以通过可控波动运动，实现不同细胞不同培养阶段的培养需求，使得细胞培养过程更易于混合和分离等工艺的实施，适于细胞体外培养，提高细胞培养效率和质量。
可选地，多模式可控波动运动包括：一维直线运动、二维直线运动、二维曲线运动、三维直线运动、三维螺旋运动和摆动中的任意一种或多种的组合运动。
其中，一维直线运动通过控制X轴、Y轴或Z轴方向的运动速度、距离和往复次数，可以实现一维可控波动运动，一维直线运动与R轴摆动运动组合可形成联动，满足细胞培养过程中对搅拌、混合以及分离等工艺的操作需求。同理，其他模式的可控波动运动，也可以通过对速度、距离和往复形式等的控制，进行单模式或多模式的可控波动运动。
可选地，插补算法包括运动方程如下：
一维直线运动方程：
X＝Vx*t或Y＝Vy*t或Z＝Vz*t；
二维直线运动方程：
X＝Vx*t
Y＝Vy*t
二维曲线运动方程：
X＝Vx*t
Y＝Asin(t)
或，
X＝Asin(t)
Y＝Acos(t)
三维直线运动方程：
X＝Vx*t
Y＝Vy*t
Z＝Vz*t
三维曲线运动方程：
X＝Asin(t)
Y＝Acos(t)
Z＝Vz*t
式中，X、Y和Z分别为X轴电动载物台12、Y轴电动载物台13和Z轴电动升降台11分别在X轴、Y轴和Z轴的运动距离，t为时间，Vx、Vy和Vz分别为X轴电动载物台12、Y轴电动载物台13和Z轴电动升降台11在X轴、Y轴和Z轴上的分速度，A为X轴电动载物台12、Y轴电动载物台13或Z轴电动升降台11分别在X轴、Y轴或Z轴上的最大运动距离，X、Y和Z能够相互替换，运动时同时启动同时到达终点。
对于上述各插补算法的运动方程进行补充解释说明如下：
本发明的XYZR多轴平台能够分别在X轴、Y轴、Z轴和R轴方向单独运动，也可以在X、Y、Z、R轴分别进行组合运动，形成多模式可控波动运动并实现轨迹运动操作。
对于一维直线运动，运动方程为X＝Vx*t或Y＝Vy*t或Z＝Vz*t；一维直线运动是指具有细胞培养袋22的托盘21能够分别在X轴、Y轴和Z轴方向进行运动，运动模式通过速度和距离进行控制，结合往复循环运动方式，实现可控波动运动。
对于二维直线运动，以质点(本实施例中为具有细胞培养袋22的托盘21)XY平面在二维方向进行直线插补运动为例，X轴和Y轴同时启动并同时到达终点，设置轴X方向的运动距离为X，轴Y方向的运动距离为Y，若插补主轴运动速度为V(各轴的实际速度为主轴的分速度，X轴的运动分速度为Vx，Y轴的运动分速度为Vy)，此时运动轨迹为X＝Vx*t和Y＝Vy*t。需要说明的是，其他二维直线插补运动，例如XZ平面、YZ平面二维方向实现直线插补运动方程与XY平面运动设置相同。
二维曲线运动包括二维正余弦运动和二维圆周运动，以XY平面二维方向实现正余弦运动为例，X轴方向上采用直线运动，Y轴方向上采用正弦运动，插补运动方程如下：
轴X实际运动距离：X＝Vx*t
轴Y实际运动距离：Y＝Asin(t)
如图2所示，XY平面直线插补运动从平面的0点(X0，Y0)运动到1点(X1,Y1)，X轴和Y轴同时启动，并同时到达终点，设置X轴方向的运动距离为X，Y轴方向的运动距离为Y，若插补主轴运动速度为V(各轴的实际速度为主轴的分速度，X轴的运动分速度为Vx，Y轴的运动分速度为Vy)，此时运动轨迹如图2，得到正弦曲线运动。需要注意的是，其他二维曲线插补运动，例如XZ平面和YZ平面二维方向实现曲线插补运动方程与XY平面运动设置相同。
XY平面二维方向的圆周运动，X轴方向上采用正弦运动，Y轴方向上采用余弦运动，插补运动方程如下：
轴X实际运动轨迹：X＝Asin(t)
轴Y实际运动轨迹：Y＝Acos(t)
XY平面圆周插补运动从平面的0点(X0，Y0)运动到1点(X1,Y1)，XY轴同时启动，并同时到达终点，设置X轴方向的运动距离为X，Y轴方向的运动距离为Y，若插补主轴运动速度为V(各轴的实际速度为主轴的分速度，轴X的运动分速度为Vx，轴Y的运动分速度为Vy)，此时运动轨迹如图3所示，形成圆周运动。需要注意的是，其他二维圆周曲线插补运动，例如XZ平面、YZ平面二维方向实现曲线插补运动方程与XY平面运动设置相同，只需相互替换X、Y、Z即得到相应运动方程。
XYZ三维方向可实现空间直线运动时，X轴、Y轴和Z轴均参与插补运动，插补运动方程如下：
轴X实际运动轨迹：X＝Vx*t
轴Y实际运动轨迹：Y＝Vy*t
轴Z实际运动轨迹：Z＝Vz*t
三轴直线插补运动从平面的0点(X0,Y0,Z0)运动到1点(X1,Y1,Z1)，XYZ轴同时启动，并同时到达终点，设置X轴方向的运动距离为X，Y轴方向的运动距离为Y，Z轴方向的运动距离为Z，若插补主轴运动速度为V(各轴的实际速度为主轴的分速度，X轴的运动分速度为Vx，Y轴的运动分速度为Vy，Z轴的运动分速度为Vz)，此时运动轨迹如图4所示，形成三维空间内的直线运动轨迹。
XYZ三维方向可实现空间螺旋曲线运动时，轴X、轴Y和轴Z三轴参与插补运动，插补运动方程如下：
轴X实际运动轨迹：X＝Asin(t)
轴Y实际运动轨迹：Y＝Acos(t)
轴Z实际运动轨迹：Z＝Vz*t
三轴直线插补运动从平面的0点(X0,Y0,Z0)运动到1点(X1,Y1,Z1)，XYZ轴同时启动，并同时到达终点，设置轴X方向的运动距离为X，轴Y方向的运动距离为Y，轴Z方向的运动距离为Z，若插补主轴运动速度为V(各个轴的实际速度为主轴的分速度，轴X的运动分速度为Vx，轴Y的运动分速度为Vy，轴Z的运动分速度为Vz)，此时运动轨迹如图5所示，为三维螺旋曲线轨迹。
需要说明的是，例如XZ平面、YZ平面二维方向实现圆周运动，对应的Y轴或者X轴直线运动，按照插补运动方程可实现不同方向的螺旋曲线运动。
上述任意一个或多个曲线运动均能够与R轴电动摆台14的摆动运动相结合以形成更加丰富的运动模式，满足不同细胞不同培养条件的操作需求。
可选地，Z轴电动升降台11、X轴电动载物台12和Y轴电动载物台13的行程范围为(-1000mm)-(+1000mm)，运动速度不超过1000mm/s，R轴电动摆台14的摆动角度在(-180°)-(+180°)之间，摆动速度不超过180°/s。
进一步优选地，Z轴电动升降台11、X轴电动载物台12和Y轴电动载物台13的优选地行程范围为(-100mm)-(+100mm)，运动速度不超过100mm/s，R轴电动摆台14的摆动角度在(-15°)-(+15°)之间，摆动速度不超过7.5°/s。
本实施例中，以Z轴、X轴、Y轴和R轴的原点所在竖直线为中心线，托盘21的中心位于中心线上时定义为初始状态，XYZR多轴平台能够实现设定速度下的连续运动，控制单元3输出控制指令实现多模式可控波动运动控制。
可选地，托盘21上设有一个或多个培养位，培养位与细胞培养袋22一一对应设置，以满足实验室、小试、中试或规模化培养的需求。
通常地，细胞培养单元2采用多种规格的一次性细胞培养袋22，无需清洗，可快速更换以增加试验频次。其中，细胞培养袋22可根据不同培养需求，在0.05L-5000L的规格范围内任意选择，优选规格范围为0.05-500L，更优选为0.05-50L范围内。需要说明的是，当细胞培养袋22体积较大时，重量增加，可配套托盘21的承重能力，调节规格型号或者增加配重系统，以维持稳定持续的运动模式。托盘21可负载承重可达到最高10000kg，优选承重范围小于500kg，更优选为0-200kg，更优选为0-100kg，更优选为0-50kg，在可选择范围内分别满足实验室、小试、中试和规模化的培养需求。通过设置Z轴驱动电机、X轴驱动电机、Y轴驱动电机的功率，各轴根据承重需求、运动范围、运动速度等需要调整尺寸和称重，可增加配重系统，升级称重装置用于大规模培养，维持稳定持续的运动模式。托盘21与细胞培养袋22配套使用。托盘21与R轴电动摆台14可拆卸地连接，便于托盘21的替换。托盘21上设置的培养位可以是一个或多个，如一个托盘21可以设置2-100个培养位。
可选地，托盘21上设置有电加热片211，细胞培养袋22位于电加热片211上，电加热片211与控制单元3连接。
如图1所示，电加热片211为电加热方式的加热片或加热丝，设置在托盘21底部，通过控制单元3进行通电控制，用于为细胞培养过程提供适宜温度。
可选地，细胞培养单元2还包括监测组件23和循环泵组件24，控制单元3连接监测组件23以接收监测组件23的监测参数并实时显示，控制单元3连接循环泵组件24，为细胞培养袋22提供液体循环或气体循环控制。
在一些实施例中，细胞培养过程需要进行温度、溶氧值、pH值和二氧化碳含量等的参数测试，因此监测组件23包括温度传感器、pH值测定仪、溶解氧检测仪和二氧化碳浓度检测仪等，控制单元3采集监测参数并根据监测参数，可以控制循环泵组件24启动或停止，以便控制细胞培养过程。循环泵组件24可以包括步进电机、传动单元和循环泵，用于实现细胞培养袋22内培养基的循环更换以及气体的循环更换。循环泵组件24设置一组或多组，与细胞培养袋22相配合设置。
本发明还提供一种用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统的应用，将本发明提供的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，用于细胞培养的粘附阶段和/或扩增阶段和/或收集阶段。
本发明提供的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，可以用于悬浮培养细胞和贴壁培养细胞(如羊膜上皮干细胞)，特别适用于干细胞的培养，能够提供温和低剪切力，根据细胞不同培养阶段的要求适配合适的可控波动运动模式，支持干细胞良好的体外扩增和细胞活性维持。多模式可控波动生物反应器能够满足不同培养规模的要求，支持从实验室、小试、中试到规模生产不同阶段的需求。
可选地，在细胞培养的粘附阶段和/或扩增阶段和/或收集阶段，控制单元3控制多模式可控波动反应器运动单元1形成可控波动运动，粘附阶段的可控波动运动模式为：动静态结合培养，每隔1-2小时设置可控波动运动五分钟；扩增阶段的可控波动运动模式为：XY平面圆周运动联合R轴摆动运动，X轴运动方程X＝Asin(t)，Y轴运动方程Y＝Asin(t)，150≤A≤200，运动速度为5-100mm/s，R轴摆动范围(-15°)-(+15°)，摆动速度均为2.5°/s-7.5°/s；收集阶段的可控波动运动模式为：R轴摆动范围(-180°)-(+180°)。
本发明的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统的应用，将用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，用于细胞培养的粘附阶段和/或扩增阶段和/或收集阶段，可以为细胞培养的不同阶段提供相应的可控波动运动，使得细胞培养过程更易于混合和分离等工艺的实施，提高细胞培养效率和质量。
具体地，在贴壁型干细胞在可扩展支持基质上三维规模培养时，包括粘附阶段、快速扩增阶段和收集阶段，在粘附阶段，需要动静态结合方式培养，静态有利于维持细胞粘附，短期动态搅拌有利于增加细胞与载体接触均匀，细胞载体混合物静置2小时后，控制单元3驱动控制多模式可控波动反应器系统运动单元1进行可控波动运动，运动模式为XY平面圆周运动，运动条件为X轴按照X＝100sin(t)，Y轴按照Y＝100sin(t)的条件运动10分钟均匀混合后继续静置培养，如此循环48小时。在一些实施例中，运动条件也可以是调节R轴电动摆台14偏摆12°或10°，摆动速度为3°/s或4°/s，摆动10分钟均匀混合后继续静置培养，如此循环48小时。
在扩增阶段，通过细胞培养单元2的循环泵组件24补充新鲜培养基至培养体系，控制单元3控制多模式可控波动反应器系统运动单元1进行联合运动：X轴按照X＝150sin(t)，Y轴按照Y＝150sin(t)，R轴偏摆10°，速度为4°/s，在该运动模式条件下持续7天，提供轻柔波动模式充分混匀微载体细胞，同时在培养过程中，隔天通过循环泵组件24将培养基注入到细胞培养袋22中，给细胞提供营养物质的同时带走细胞代谢产物；在一些实施例中，联合运动的运动方程也可以是：X轴按照X＝200sin(t)，Y轴按照Y＝200sin(t)，R轴电动摆台14偏摆15°，速度为4°/s；或者是：XYZ三维螺旋曲线运动联合R摆动运动模式，运动条件为X轴按照X＝150sin(t)，Y轴按照Y＝150sin(t)，Z轴按照Z＝5t，R轴偏摆10°，速度为3°/s。
在收集阶段，培养结束，控制单元3控制多模式可控波动反应器系统运动单元1回零，同时调节R轴电动摆台14摆动180°，倾斜承载物托盘21，将贴壁型细胞培养液一次性快速排干，加入适量PBS缓冲液清洗后，加入一定量消化液，静置一段时间后，通过循环泵组件24排出消化液及细胞，截留微载体，离心回收细胞并重悬收集保存。
通过上述过程可知，控制单元3对多模式可控波动反应器系统运动单元1的控制模式，还包括回零控制，即多模式可控波动反应器系统运动单元1可以从当前任意位置直接回复中零位置，提供运动效率。
本发明提供的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统的应用，可以为细胞培养提供温和地剪切力培养条件，可充分混匀微载体-细胞培养物，提供适宜的温度、pH、溶氧值等，可为大规模细胞扩增提供可调节的定制化培养条件配置。三维微载体-细胞混合培养能够减小细胞接种密度，比二维接种密度低3-4倍，可大大提高细胞扩增倍数，可进一步提高细胞的增殖能力。
本发明提供的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，能够提供多模式可控波动运动，结合R轴电动摆台14设计多角度倾斜，方便取样，同时该多模式可控波动反应器运动单元1设置有光电限位，直驱结构，防尘，防滴溅，无摩擦，适合长时间工作无磨损，多模式可控波动能够动静态结合，提供温和的剪切力，满足不同细胞不同培养阶段的培养需求，特别适用于干细胞的培养。
本发明通过使用一次性细胞培养袋22，可定制多规格满足不同规模培养需求，支持实验室、小试、中试到规模生产不同阶段的需求。控制单元3分别控制多模式可控波动反应器运动单元1和细胞培养单元2，可满足细胞不同需求的混合要求，细胞培养系统可快速跟换一次性的细胞培养袋22，增加实验频次，同时多细胞培养袋22同时工作，方便监测和模拟相关实验需求；用于细胞培养的多模式可控波动生物反应器系统能够有效支持细胞的良好体外培养，同时能够快速分离细胞和可扩展支持基质，特别能够支持干细胞的体外扩增，细胞扩增数量高，活性好，能够更好地维持干性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，其特征在于，包括：
多模式可控波动反应器运动单元(1)，从下到上依次设置有Z轴电动升降台(11)、X轴电动载物台(12)、Y轴电动载物台(13)和R轴电动摆台(14)；
细胞培养单元(2)，包括托盘(21)和细胞培养袋(22)，所述托盘(21)设置在所述R轴电动摆台(14)上，所述托盘(21)与所述R轴电动摆台(14)可拆卸式连接，所述托盘(21)上放置所述细胞培养袋(22)；
控制单元(3)，所述控制单元(3)连接所述多模式可控波动反应器运动单元(1)以控制所述多模式可控波动反应器运动单元(1)的多模式可控波动运动，所述控制单元(3)连接所述细胞培养单元(2)以监测细胞培养参数，所述控制单元(3)能够分别控制所述Z轴电动升降台(11)、所述X轴电动载物台(12)、所述Y轴电动载物台(13)和所述R轴电动摆台(14)中的任意一个单独运动或组合运动，并根据插补算法形成多模式可控波动运动。
2.根据权利要求1所述的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，其特征在于，所述多模式可控波动运动包括：一维直线运动、二维直线运动、二维曲线运动、三维直线运动、三维螺旋运动和摆动中的任意一种或多种的组合运动。
3.根据权利要求2所述的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，其特征在于，所述插补算法包括运动方程如下：
一维直线运动方程：
X＝Vx*t或Y＝Vy*t或Z＝Vz*t；
二维直线运动方程：
X＝Vx*t
Y＝Vy*t
二维曲线运动方程：
X＝Vx*t
Y＝Asin(t)
或，
X＝Asin(t)
Y＝Acos(t)
三维直线运动方程：
X＝Vx*t
Y＝Vy*t
Z＝Vz*t
三维曲线运动方程：
X＝Asin(t)
Y＝Acos(t)
Z＝Vz*t
式中，X、Y和Z分别为所述X轴电动载物台(12)、所述Y轴电动载物台(13)和所述Z轴电动升降台(11)分别在X轴、Y轴和Z轴的运动距离，t为时间，Vx、Vy和Vz分别为所述X轴电动载物台(12)、所述Y轴电动载物台(13)和所述Z轴电动升降台(11)在X轴、Y轴和Z轴上的分速度，A为所述X轴电动载物台(12)、所述Y轴电动载物台(13)或所述Z轴电动升降台(11)分别在X轴、Y轴或Z轴上的最大运动距离，各轴运动时同时启动同时到达终点。
4.根据权利要求1所述的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，其特征在于，所述Z轴电动升降台(11)、所述X轴电动载物台(12)和所述Y轴电动载物台(13)的行程范围为(-1000mm)-(+1000mm)，运动速度不超过1000mm/s，所述R轴电动摆台(14)的摆动角度在(-180°)-(+180°)之间，摆动速度不超过180°/s。
5.根据权利要求4所述的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，其特征在于，所述Z轴电动升降台(11)、所述X轴电动载物台(12)和所述Y轴电动载物台(13)的行程范围为(-100mm)-(+100mm)，运动速度不超过100mm/s，所述R轴电动摆台(14)的摆动角度在(-15°)-(+15°)之间，摆动速度不超过7.5°/s。
6.根据权利要求1所述的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，其特征在于，所述托盘(21)上设有一个或多个培养位，所述培养位与所述细胞培养袋(22)一一对应设置，以满足实验室、小试、中试或规模化培养的需求。
7.根据权利要求6所述的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，其特征在于，所述托盘(21)上设置有电加热片(211)，所述细胞培养袋(22)位于所述电加热片(211)上，所述电加热片(211)与所述控制单元(3)连接。
8.根据权利要求1所述的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，其特征在于，所述细胞培养单元(2)还包括监测组件(23)和循环泵组件(24)，所述控制单元(3)连接所述监测组件(23)以接收所述监测组件(23)的监测参数并实时显示，所述控制单元(3)连接所述循环泵组件(24)，为所述细胞培养袋(22)提供液体循环或气体循环控制。
9.用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统的应用，其特征在于，将权利要求1-8任一项所述的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统，用于在细胞培养的粘附阶段和/或扩增阶段和/或收集阶段提供多模式可控波动运动。
10.根据权利要求9所述的用于细胞培养的多模式可控波动反应器系统的应用，其特征在于，在细胞培养的粘附阶段和/或扩增阶段和/或收集阶段，控制单元(3)控制多模式可控波动反应器运动单元(1)形成多模式可控波动运动，粘附阶段的可控波动运动模式为：动静态结合培养，每隔1-2小时设置一种或多种可控波动运动五分钟；扩增阶段的可控波动运动模式为：XY平面圆周运动联合R轴摆动运动，X轴运动方程X＝Asin(t)，Y轴运动方程Y＝Asin(t)，150≤A≤200，运动速度为5-100mm/s，R轴摆动范围(-15°)-(+15°)，摆动速度均为2.5°/s-7.5°/s；收集阶段的可控波动运动模式为：R轴摆动范围(-180°)-(+180°)。
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