CN116848407A - 评估细胞培养物的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种用于评估生物细胞培养物的装置。该装置包括机体和通过数据总线耦合到机体的控制器。机体包括用于产生光的光源、用于准直由光源产生的光的准直器、用于在正交方向上致动包含生物细胞培养物的细胞培养皿的线性台、以及接收穿过细胞培养皿和生物细胞培养物的准直光的光检测器。控制器配置成通过数据总线提供使光源、线性台和光检测器操作的指令。

Description

评估细胞培养物的系统和方法

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求2021年1月6日提交的美国临时申请第63/205,757号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及评估生物物质。更具体地，本发明涉及确定生物细胞培养物的厚度、成熟度和透光性的系统和方法。

背景技术

细胞膜片技术在再生医学中获得了关注，以治愈受损的器官或组织。细胞膜片可以是单层或多层。在再生医学中，可以将实验室培养的干细胞膜片移植到受损的器官或组织上，使得移植的干细胞可以再生为潜在器官或组织的细胞。例如，这种技术已经成功地用于皮肤移植。作为另一个例子，片状透明细胞培养物，例如角膜细胞，可以生长并移植到受损的眼睛上。此外，可以在移植前精确测量供体的角膜透光率。在常规方法下，为了生长这种干细胞或角膜细胞膜片，需要各种支架，如羊膜、纤维蛋白凝胶、透明质酸水凝胶、胶原等被用来生长薄的干细胞或角膜细胞膜片。然后收获干细胞或角膜细胞膜片，并堆叠在其他干细胞或角膜细胞膜片上，形成多层干细胞或角膜细胞膜片，然后将其移植到受损的器官或组织上进行再生。这些传统的方法有许多缺点。例如，新生长的干细胞或角膜细胞膜片需要从细胞培养皿中机械移除或分离，然后放置在另一个干细胞或角膜细胞膜片的顶部。为了使干细胞或角膜细胞膜片能够承受移除的力，干细胞或角膜细胞膜片必须长得足够长，使得干细胞或角膜细胞膜片具有足够强的物理完整性，以在从细胞培养皿中取出时保持膜片结构。如果过早收获干细胞或角膜细胞膜片，干细胞或角膜细胞可能会撕裂，需要重复生长替代干细胞或角膜细胞膜片的过程。因此，生长多层干细胞或角膜细胞膜片的过程可能是费力、耗时、复杂和昂贵的。

发明内容

本文描述了一种用于确定生物细胞培养物的厚度、成熟度、透明度/透光性和细胞膜片中细胞数量的装置。该装置可包括机体和通过数据总线耦合到机体的控制器。机体可包括产生光的光源、用于准直由光源产生的光的准直器、在正交方向上致动包含生物细胞培养物的细胞培养皿的线性台、以及接收穿过细胞培养皿和生物细胞培养物的准直光的光检测器。光源可设置在机体的顶部。准直器可设置在光源下方。线性台可设置在准直器下方，并可提供固定细胞培养皿的表面。光检测器可设置在线性台下方并位于机体上的基座处。控制器可配置为通过数据总线提供用于使光源、线性台和光检测器操作的指令。

在一些实施例中，机体还可包括从机体的基座竖直延伸出的杆、机械地联接至所述杆的第一桥、和机械地联接至所述杆的第二桥。第一桥可设置在机体的顶部，并且可包括光源。第二桥可设置在第一桥和准直器之间，并且可包括与光源的视线对准的穿孔。

在一些实施例中，准直器可包括至少一个透镜。透镜可通过臂和臂接头机械地联接至杆上。

在一些实施例中，透镜可具有25.4毫米的透镜直径和25.4毫米的焦距。

在一些实施例中，透镜可容纳在联接至所述臂的支架中。

在一些实施例中，线性台可包括样品台、x台和y台。样品台可以提供固定细胞培养皿的表面。x台可在第一方向上致动线性台。y台可以在垂直于第一方向的第二方向上致动线性台。

在一些实施例中，x台和y台可包括联接至同步带的步进电机，所述同步带使得所述x台和所述y台沿其各自的方向移动。

在一些实施例中，样品台、x台和y台中的每一者均可包括允许准直光通过的开口。

在一些实施例中，控制器可包括耦合至至少两个电机驱动模块的计算单元。

在一些实施例中，所述至少两个电机驱动模块可生成用于致动所述x台的和所述y台的步进电机的信号。

在一些实施例中，所述计算单元可通过数据总线从光检测器接收模拟信号，并将模拟信号数字化。

在一些实施例中，所述计算单元可生成用于开启或关闭光检测器的数字信号。

在一些实施例中，由所述光源产生的光可包括在450-475纳米处的尖锐的峰/尖峰和在560-60纳米处的平坦的峰/平顶峰。

在一些实施例中，数据总线可为有线数据连接。

在一些实施例中，有线数据连接可为基于以太网总线、串行总线或通用接口总线的数据连接中的至少一种。

在一些实施例中，数据总线可为无线数据连接。

在一些实施例中，无线数据连接可为基于蜂窝、Wi-Fi、蓝牙或近场通信的数据连接中的至少一种。

本文描述了一种用于操作该装置的方法。控制器可将线性台致动到对应于细胞培养皿的第一预定位置的第一位置。穿过准直器的光源可产生准直光，以便在所述第一位置处穿过所述细胞培养皿和所述生物细胞培养物。光检测器可接收穿过细胞培养皿和生物细胞培养物的准直光。控制器可确定第一位置处的准直光的强度。

在一些实施例中，准直光的强度可为至少10个强度测量值的平均值。

在一些实施例中，控制器可使线性台致动至对应于细胞培养皿的第二预定位置的第二位置。穿过准直器的光源可产生准直光，以便在第二位置处穿过细胞培养皿和生物细胞培养物。光检测器可接收穿过细胞培养皿和生物细胞培养物的准直光。控制器可确定第二位置处的准直光的强度。

本文公开的装置、系统、方法和非暂时性计算机可读介质的这些和其他特征，以及相关结构元件的和部件组合的操作方法和功能、和制造的经济性，将在参考附图考虑以下说明和所附权利要求后变得更加明显，所有这些构成了本说明书的一部分，其中相同的附图标记表示各图中的相应部件。然而，应清楚地理解，附图仅仅是为了说明和描述的目的，而不旨在作为对本发明的限制的定义。

附图说明

本技术的多种不同的实施例的某些特征在所附权利要求中进行了详细阐述。通过参考以下阐述其中利用了本发明的原理的说明性实施例的详细描述，将获得对本技术的特征和优点的更好理解，附图中：

图1A-1D示出了根据本发明的多种不同实施例的用于确定生物细胞培养物的厚度、成熟度和透光性的装置。

图2示出了根据本发明的多种不同实施例的控制器的电气示意图。

图3A示出了根据本发明的多种不同实施例的可加载到控制器上以测量光强度的配置设置的视觉表示。

图3B示出了根据本发明的多种不同实施例的用于操作装置的方法。

图3C示出了根据本发明的多种不同实施例的使用该装置确定生物细胞培养物的透光率的方法。

图4A示出了图表，该图表显示了根据本发明的多种不同实施例的生物细胞培养物的透光率(光强度)和厚度或收获时间(也称为成熟度)之间的关系。

图4B-4C示出了图表，这些图表描绘了根据本发明的多种不同实施例的生物细胞培养物如多层干细胞或角膜细胞膜片的透光率与生物细胞培养物在实验室环境中生长的天数之间的关系。

图4D示出了根据本发明的多种不同实施例的确定生物细胞培养物如多层干细胞或角膜细胞膜片的厚度和/或成熟度的方法。

图4E示出了根据本发明的多种不同实施例的可用于确定细胞膜片中细胞数量的参考图表。

仅出于说明目的，附图描绘了所公开技术的多种不同实施例，其中，附图使用相同的附图标记来表示相同/相似的元件。本领域技术人员将从下面的讨论中容易地认识到，在不脱离这里描述的公开技术的原理的情况下，可以采用附图中示出的结构和方法的替代实施例。

具体实施方式

在再生医学中，可将实验室培养的干细胞膜片移植到受损的器官或组织上，使得移植的干细胞可再生为潜在的器官或组织的细胞。例如，这种技术已经成功地用于皮肤移植。作为另一个例子，片状透明细胞培养物，例如角膜细胞，可以生长并移植到受损的眼睛上，或者可以在移植前精确测量供体的角膜透光率。在常规方法下，为了生长这种干细胞或角膜细胞膜片，需要各种支架，如羊膜、纤维蛋白凝胶、透明质酸水凝胶、胶原等被用来生长薄的干细胞或角膜细胞膜片。然后收获干细胞膜片或角膜细胞膜片，并堆叠在其它干细胞膜片的顶部上，以形成多层干细胞膜片或角膜细胞膜片，然后将其移植到受损的器官或组织上进行再生。这些传统的方法有许多缺点。例如，新生长的干细胞或角膜细胞膜片需要从细胞培养皿中机械移除或分离，然后放置在另一个干细胞或角膜细胞膜片的顶部。为了使干细胞或角膜细胞膜片能够承受移除的力，干细胞或角膜细胞膜片必须长得足够长，使得干细胞或角膜细胞膜片具有足够强的物理完整性，以在从细胞培养皿中取出时保持膜片结构。如果过早收获干细胞或角膜细胞膜片，干细胞或角膜细胞可能会撕裂，并且需要重复生长替换干细胞或角膜细胞膜片的过程。因此，生长多层干细胞或角膜细胞膜片的过程可能是费力、耗时、复杂和昂贵的。需要更好的方案来监测多层干细胞或角膜细胞膜片的生长，以及确定细胞膜片的收获时间和细胞数量，其是细胞膜片形态学的一部分。

本文描述了解决上述问题的发明。与上述常规方法不同，本文所述的发明可用于监测多层干细胞或角膜细胞膜片直接在细胞培养皿上的生长，并确定多层干细胞或角膜细胞膜片的收获时间，以便将其直接移植到受损的器官或组织上。该方法还允许使用非侵入性方法确定每个细胞膜片的细胞数量，该方法将用于剂量学。以这种方式，作为一个接一个地生长干细胞或角膜细胞膜片并将干细胞或角膜细胞膜片层叠的替代，多层干细胞或角膜细胞膜片可以直接生长到特定的厚度和/或成熟度，然后收获。在多种不同的实施例中，本发明可包括用于确定生物细胞培养物如多层干细胞或角膜细胞膜片的厚度、成熟度和透光性的装置。该装置可包括机体，该机体包括光源、准直器、线性台、光检测器和控制器。光源可配置成产生(或发射)一种或多种频率的光。例如，在一些实施例中，光源可配置成以对应于红、白或蓝光的频率产生光。准直器可收集从光源发出的光，并将该光转换成准直光(即平行光线)，该准直光可聚焦在线性台的开口(例如穿孔)上。包含生物细胞培养物的细胞培养皿可固定在线性台上，使得准直光可通过开口穿过生物细胞培养物。光检测器可配置为接收(或检测)穿过生物细胞培养物的准直光，以测量其强度。控制器可配置成控制光源输出各种频率的光。控制器可配置成致动线性台。例如，在一些实施例中，控制器可包括驱动电路，该驱动电路可生成信号以在x和y方向上致动线性台。并且控制器可进一步配置成基于所述强度来确定生物细胞培养物的透光率。这里将更详细地讨论该装置。

在多种不同的实施例中，本发明还可包括使用所述装置确定生物细胞培养物的厚度、成熟度和透光性的方法。包括生物细胞培养物的细胞培养皿可以放置在线性台上。经准直的从光源发射的光可以照射到细胞培养皿的一定数量的预定位置上，使得准直光可以在预定位置穿过细胞培养物和生物细胞培养物。可以测量所述预定位置处准直光的强度，以确定所述预定位置处的生物细胞培养物的透光率值。基于这些透光率值，可以确定生物细胞培养物的厚度和/或成熟度。本发明的这些和其他特征将在本文中进一步详细描述。

图1A-1D示出了根据本发明的多种不同实施例的用于确定生物细胞培养物的厚度、成熟度和透光性的装置100。图1A描绘了装置100的等轴视图。图1B描绘了装置100的正视图。图1C描绘了装置100的侧视图。图1D描绘了装置100的简化正视图。如图1A和1B所示，在一些实施例中，装置100可包括通过数据总线130耦合到控制器120的机体102。尽管机体102和控制器120在图1A和1B中被显示为分离的实体，但是在一些实施例中，控制器120可以被集成到机体102中或者可以是机体102的一部分。在一些实施例中，数据总线130可以是有线数据连接。例如，数据总线130可以是基于以太网总线、串行总线或通用接口总线的数据连接。在一些实施例中，数据总线130可以是无线数据连接。例如，数据总线130可以是蜂窝、Wi-Fi、蓝牙或近场通信数据连接。

机体102可包括光源104、准直器106、线性台108和光检测器110(如图1B和1D所示)。在一些实施例中，机体102还可包括安装基座102a，其可用于将机体102锚固到一表面上。例如，在实验室环境中，机体102可通过安装基座102a的锚定孔固定在固定装置或桌子上。安装基座102a可包括从安装基座102a的顶部竖直延伸的光学系统支承柱102b、102c。光学系统支承柱102b、102c中的每一者可包括准直器臂(即102d和102e)，其可以用于锚固准直器106的一个或多个透镜。例如，在一些实施例中，准直器106可包括光学系统，该光学系统包括将光转换成准直光的至少两个透镜。在这个例子中，光学系统的第一透镜可通过准直器臂102d固定到机体102，光学系统的第二透镜可通过准直器臂102e固定到机体102。在一些实施例中，准直器臂102d、102e中的每一者可包括准直器臂接头(即，102f和102g)，其可以用于将准直器臂102d、102e分别机械联接到光学系统支承柱102b、102c。准直器臂接头102f、102g中的每一者包括至少两个开口，所述开口可用于调节准直器臂102d、102e的高度和长度。例如，准直器臂接头102f的第一开口可以用于沿着光学系统支承杆102b升高或降低准直器臂102d的高度。在一些情况下，第一开口可以用于将附接到准直器臂102d的透镜旋转地移入和移出光线的视线。准直器臂接头102f的第二开口可用于相对于光学系统支承杆102b加长或缩短准直器臂102d。一旦准直器臂接头102f已经被配置为处于正确的高度、旋转角和长度，准直器臂接头102f可通过拧紧与第一开口和第二开口相关联的固定销而被固定到光学系统支承杆102b。准直器臂接头102g可以类似地构造成升高或降低准直器臂102e的高度，或者相对于光学系统支承杆102c加长或缩短准直器臂102e。这样，准直器106的光学系统可以多种方式调节。例如，可通过升高或降低准直器臂102d、102e中的一者或两者来调整准直器106的焦点。作为另一个例子，通过加长或缩短准直器臂102d、102e中的一者或两者，准直器106可以移入和移出视线。替代地，通过旋转准直器臂102d、102e中的一者或两者以及将准直器臂102d、102e中的一者或两者旋转远离视线，可以将准直器106移入和移出视线。

在一些实施例中，机体102还可包括至少一个安装桥102h，其机械地联接至安装基座102a。安装桥102h可为安装基座102a提供结构刚性，从而为机体102提供结构刚性。例如，安装桥102可以最小化由线性台108的致动引起的安装基座102a的扭曲或变形。在一些情况下，安装桥102h连同安装基座102可以提供固定线性台108的安装点。例如，在一些实施例中，安装桥102h和安装基座102a可具有通孔，利用所述通孔将线性台108固定到机体102。

在一些实施例中，机体102还可包括联接至光学系统支承柱102b、102c的光源安装桥102i。类似于安装桥102h，当线性台108被致动时，光源安装桥102i可为机体102提供结构刚性。在一些实施例中，光源安装桥102i可包括嵌入(或集成)光源104的孔。尽管光源安装桥102i的孔在图1A-1C中显示为位于中心，但是在一些实施例中，该孔可设置在光源安装桥102i的其他位置。例如，光源104可以偏心地嵌入光源安装桥102i中。许多变型都是可能的和预期的。

在一些实施例中，机体102还可包括联接至光学系统支承柱102b、102c的穿孔桥102j(如图1D所示)。类似于安装桥102h和光源安装桥102i，穿孔桥102j可在线性台108被致动时为机体102提供结构刚性。在一些实施例中，穿孔桥102j还可包括允许从光源104发出的光通过并形成视线的穿孔(即，开口)。通常，穿孔桥102j和光源安装桥102i沿着光学系统支承柱102b、102c设置成使得穿孔桥102j的穿孔位于嵌入光源安装桥102i中的光源104的正下方。这样，从光源发出的杂散光在到达准直器106之前被最小化。在一个特定实施例中，穿孔桥102j沿着光学系统支承柱102b、102c设置成使得穿孔离光源104的距离为5毫米。

尽管图1A-1D所示的机体102为开放式结构，但在一些实施例中，机体102可完全封闭在封壳中。在这样的实施例中，封壳的内部可以衬有哑光黑箔，使得环境光不能穿透和干扰光检测器110。例如，进入封壳的环境光可能增加光检测器110看到的光强度。通过在内部衬上哑光黑箔，可以减少或完全消除进入封壳的环境光，从而提高强度测定的准确性。在一些实施例中，机体102还可包括一个或多个相机。相机还可配置成控制光并将光聚焦在线性台108上的多个不同位置。例如，相机可向线性台108提供反馈，从而可以改善光在线性台108上的多个不同位置上的聚焦。

光源104可配置为产生一种或多种频率的光。通常，任何类型的光源都可以被实现为光源104，并且光源104可以互换。例如，在一些实施例中，卤素光源、荧光光源或白炽光源可以被实现为光源104。在多个其他实施例中，紫外光源或红外光源可以被实现为光源104。许多变型都是可能的和预期的。在一个特定实施例中，发光二极管(LED)光源可实现为光源104。使用LED实现光源104可以提供几个优点。例如，LED光源可配置或编程为产生不同频率或波长的光。例如，可以经由来自控制器120的控制信号来指示LED光源例如输出红光、白光或蓝光(即，不同波长的光)。此外，LED光源可适于具有小的覆盖区，使得它可以容易地嵌入光源安装桥102i中。在一些实施例中，光源104可配置成发射磷光体转换白光。磷光体转换白光可具有宽的光谱功率分布，蓝色光在450-475nm处具有尖锐的峰，黄色光在560-60nm处具有平坦的峰。这种光特性可以促进通过细胞培养皿和生物细胞培养物的照明。在一些实施例中，光源104还可适于基于生物细胞培养物表达的蛋白质类型产生特定波长的光。例如，如果生物细胞培养物表达(或产生)绿色荧光蛋白，则除了确定生物细胞培养物的厚度和/或成熟度之外，光源104还可适于产生能够检测绿色荧光蛋白的存在的光。许多变型都是可能的和预期的。

准直器106可配置为将光转化为准直光。准直光(即平行光线)可以被会聚(或聚焦)，使得准直光线可穿过线性台108的开口并到达光检测器110。如图1A-1C所示，在一些实施例中，准直器106可包括光学系统，该光学系统包括至少两个透镜106a、106b。透镜106a、106b可分别固定到准直器臂102d、102e。例如，透镜106a、106b可固定在支架中。然后可以将支架拧到准直器臂102d、102e上。在一些实施例中，透镜106a、106b可以是平凸透镜，以在光穿过准直器106时减少杂散光。通常，透镜106a、106b可具有任何透镜直径和焦距来准直光。透镜106a、106b的特定透镜直径的选择可取决于各种因素，例如像透镜材料和透镜曲率等。在一个特定实施例中，透镜106a、106b中的至少一者可具有25.4毫米的透镜直径和25.4毫米的焦距。在多个其他实施例中，透镜106a、106b都可具有25.4毫米的透镜直径和25.4毫米的焦距。

线性台108可配置为在两个正交方向上致动样品台108a。例如，线性台108可通过控制器120生成的一个或多个控制信号被指示，例如以便沿着x-y平面的x轴或y轴移动样品台108a。在一些实施例中，线性台108还可包括联接到y台108c的x台108b。在一些实施例中，样品台108a可包括具有结构引导件的开口，该结构引导件允许细胞培养皿被精确地放置在样品台108a上。这样，包括不同生物细胞培养物的细胞培养皿可被放置到样品台108a上，而不影响细胞培养皿与样品台108a的对准。x台108b和y台108c中的每一者都可包括允许光通过的开口。x台108b和y台108c中的每一者还可包括机动化的皮带传动的致动器，该致动器允许x台108b和y台108c在线性方向上被致动。例如，x台108b的致动器可以沿着x轴移动x台108b，并且y台108c的致动器可以沿着y轴移动y台108b。以这种方式，放置在样品台108a上的包括生物细胞培养物的细胞培养皿可以移动到不同的位置，使得从准直器106出射的准直光可以在那些位置处照明(或照射)穿过细胞培养皿和生物细胞培养物。在一些实施例中，机动化的皮带传动的致动器可包括同步带和步进电机。在这样的实施例中，控制器120可针对步进电机生成命令信号，使得步进电机旋转到特定的旋转位置。这种旋转使得步进电机联接至其的台通过同步带致动到特定的线性位置。在一些实施例中，x台108b和y台108c中的每一者都可包括丝杠控制的致动器。与机动化的皮带传动的致动器不同，丝杠控制的致动器提高了精度和可重复性。在一些实施例中，如图1A-1C所示，样品台108a可集成到x台108b中或者是x台108b的一部分。在多个其他实施例中，样品台108a可以安装在x台108b的顶部。

光检测器110可配置为测量穿过固定在线性台108上的细胞培养皿和生物细胞培养物的光强度。在一些实施例中，光检测器110可以是单片光电二极管。光检测器110可将光检测器110看到的光的强度转换成模拟电压信号。该模拟电压信号可被控制器120的模数转换器数字化。通常，模数转换器可具有任何合适的分辨率。例如，在一些实施例中，模数转换器可具有8位的分辨率。在多个其他实施例中，模数转换器可具有10位的分辨率。许多变型是可能的。在一些实施例中，光检测器110可配置成连续测量光强度。例如，在一些实施例中，光检测器110可配置成以10Hz(即，每秒10次强度测量)测量光强度。作为另一个例子，在一些实施例中，光检测器110可配置成以100Hz(即，每秒100次强度测量)测量光强度。以这种方式，可以确定具有统计意义的强度值。

控制器120可配置为控制光源104、线性台108和光检测器110。例如，控制器120可通过数据总线130向光源104发送控制信号，以指示光源104输出特定频率或波长的光。例如，控制器120可以指示光源104输出白光，该白光对于蓝色在450-475nm处具有尖锐的峰，对于黄光在560-60nm处具有平坦的峰。作为另一个例子，控制器120可通过数据总线130向线性台108发送控制信号，以指示线性台108移动到x-y平面中的特定位置。例如，控制器120可以指示线性台108在正x方向上移动10毫米，在负y方向上移动5毫米。作为又一个例子，控制器120可通过数据总线130向光检测器110发送控制信号，以指示光检测器110以特定速率测量光强度。例如，控制器120可以指示光检测器110以5Hz、10Hz等测量光强度。在一些实施例中，控制器120可以同步与光源104、线性台108和光检测器110相关的操作，使得通过细胞培养皿和生物细胞培养物的光强度测量是自动化的。例如，在一个特定的实施方式中，控制器120可配置为在包括生物细胞培养物的细胞培养皿的9个预定位置自动测量光强度，并且在每个位置以10Hz(即，10次)测量光强度。在这个例子中，控制器120可以同步光源104、线性台108和光检测器110的操作/使光源104、线性台108和光检测器110的操作相符。例如，控制器120首先向线性台108发送控制信号，以使线性台108移动到第一预定位置。一旦移动完成，控制器120向光源104发送控制信号以输出白光。然后，最后，控制器120向光检测器110发送控制信号，以测量10次光强度。许多变型都是可能的和预期的。在一些实施例中，控制器120可以使用计算单元如Arduino计算单元来实现。这里将参考图2更详细地讨论控制器120。

图2示出了根据本发明多种不同实施例的控制器120的电气示意图200。如图2所示，在一些实施例中，控制器120可包括计算单元202。计算单元202可包括通过数据总线彼此耦合的至少一个处理器、至少一个存储器和至少一个输入/输出接口。在一些实施例中，计算单元202还可包括一个或多个电路，以生成各种信号和/或通过输入/输出接口读取各种信号，从而支持光源104、线性台108和光检测器110的操作。例如，计算单元202可包括生成使光源104打开或关闭的数字输出信号204a的电路。作为另一个例子，计算单元202还可包括可从光检测器110接收模拟输入信号204b并且数字化模拟输入信号204b的电路。在一些实施例中，如图2所示，计算单元202可通过外部5V电源206供电。该5V电源206可以给处理器、存储器和所述一个或多个电路供电，以生成和/或读取与计算单元202相关联的各种信号。在一些实施例中，控制器120还可包括至少两个电机驱动器模块208a、208b。在这样的实施例中，控制器120可以向电机驱动器模块208a、208b生成信号，使得电机驱动器模块208a、208b分别向x台108b和y台108c的步进电机210a、210b生成脉宽调制信号。脉宽调制信号可使得步进电机210a、210b旋转，这种旋转又使得x台108b和y台108c线性致动。在一些实施例中，电机驱动器模块208a、208b可以由外部9V电源212供电。在多个其他实施例中，电机驱动器模块208a、208b可由给计算单元202供电的5V电源206供电。在一些实施例中，计算单元202可使用Arduino计算单元如Arduino Uno R3来实现。在多个其他实施例中，计算单元可使用其他合适的内置计算系统来实现。

在一些实施例中，计算单元202可通信联接至计算系统。计算系统可配置成运行集成开发环境，该环境使用户(例如，程序员)能够配置计算单元202来执行自动化。一般而言，集成开发环境可以支持用于自动化的多种编程语言。例如，在一个特定实施方式中，用户可以使用Python或Visual Basics代码对计算单元202进行编程以执行自动化。许多编程语言都是可想到的。

图3A示出了根据本发明的多种不同实施例的可加载到控制器120上以测量光强度的配置设置的视觉表示300。如上所述，在多种不同的实施例中，控制器120可配置成对通过包括生物细胞培养物的细胞培养皿的光进行自动化光强度测量。这可以例如通过在耦合到控制器120的计算系统上运行的集成开发环境对控制器120的配置设置进行编程来完成。配置设置可被加载到控制器120上，使得控制器120可以同步光源104、线性台108和光检测器110的操作以实现自动化。如图所示，图3A描绘了细胞培养皿302。细胞培养皿302可包括在实验室条件下生长的生物细胞培养物，例如多层干细胞或角膜细胞膜片。细胞培养皿302可以被固定在线性台108上。配置设置可包括控制器120以某种特定顺序或次序发送给光源104、线性台108和光检测器110的指令。例如，作为非限制性例子，配置设置可包括控制器120的第一组指令，该第一组指令用于使线性台108移动到一位置，使得从光源104发射的光线的视线与细胞培养皿302的第一点304a相交，并因此与生物细胞培养物相交。在允许线性台108移动到该位置的一些时间延迟之后，配置文件可包括控制器120的第二组指令，该第二组指令用于使光源104打开。在允许光源104打开的更多时间延迟之后，配置文件可包括控制器120的第三组指令，该第三组指令用于指示光检测器测量光强度。在对应于第一点304a的位置完成光强度测量后，配置文件可包括进一步的指令，该进一步的指令用于使线性台108移动到对应于细胞培养皿302的第二点304b的位置，并在该位置重复光强度测量。这些指令继续，直到在细胞培养皿302的所有点304a-304n处测量到光强度测量值。在一些实施例中，配置设置可包括以如图2所示的蛇形路线移动细胞培养皿的指令。

图3B示出了根据本发明多种不同的实施例的操作所述装置100的方法330。在步骤332，可以指示线性台108移动到对应于固定到线性台108上的包括生物细胞培养物的细胞培养皿的第一预定位置的位置。在步骤334，可以指示光源104产生光，以在对应于第一预定位置的位置穿过细胞培养皿和生物细胞培养物。在步骤336，光检测器110可以接收穿过细胞培养皿和生物细胞培养物的光，并测量光的强度。重复该过程，直到测量了细胞培养皿所有预定位置的强度。

本文所述的技术例如由控制器120实施。在一些实施例中，这里描述的技术可以由一个或多个专用计算装置来实现。专用计算装置可以是硬连线的以执行该技术，或者可包括电路或数字电子装置，例如一个或多个专用集成电路(ASICs)或现场可编程门阵列(FPGAs)，其被持续编程以执行该技术，或者可包括一个或多个硬件处理器，其被编程以根据固件、存储器、其他存储装置或其组合中的程序指令来执行该技术。

图3C示出了根据本发明的多个不同实施例的使用装置100确定生物细胞培养物的透光率的方法360。在步骤362，照射通过包含生物细胞培养物的细胞培养皿的准直光被光检测器110接收。光检测器110将准直光的强度转换成电压。在步骤364，控制器120的模数转换器将电压转换成第一数字值。第一数字值的范围可在从0到900的范围内，其中0相当于0％透光率(即不透明)，900相当于100％透光率(即透明)。在步骤366，照射通过包含用于生长生物细胞培养物的2mL培养基(例如，成骨细胞、软骨细胞或未分化培养基)的空白细胞培养皿的准直光被光检测器110接收。在步骤366，控制器120的模数转换器将对应照射通过空白细胞培养皿的准直光的强度的电压转换成第二数字值。在步骤368，基于以下表达式计算生物细胞培养物的透光率：

(细胞膜片测量值/空白测量值)*100＝％透光率

其中细胞膜片测量值是包含生物细胞培养物的细胞培养皿的透光率，空白测量值是包含培养基的空白细胞培养皿的透光率。

在一些实施例中，装置100可用于在移植前测量角膜或任何其他生物细胞培养物的光密度。在这样的实施例中，可基于使用装置100测量的细胞膜片的透光率并且将测量的透光率与绘制了透光率对细胞数量的参考图进行比较来估计细胞膜片中的细胞数量。这样，当收获细胞膜片时，可以严格控制细胞膜片的质量控制和释放控制，以及细胞膜片治疗计量学。这导致收获前细胞膜片成熟度的可变性更小。参考图4E，进一步更详细地讨论了绘制透光率对细胞数量的参考图。

图4A示出了显示出根据本公开的多种不同实施例的生物细胞培养物的透光率(光强度)和厚度和/或成熟度之间的关系的图表400。一般来说，穿过物质或材料的光的透光率与离开物质或材料的光的强度直接相关。例如，当离开材料的光具有高光强度时，该材料被认为具有高透光率。类似地，当离开材料的光具有低光强时，该材料被认为具有低透光率。此外，通常，生物细胞培养物的厚度和/或成熟度与细胞膜片的数量直接相关。例如，生物细胞培养物越厚，生物细胞培养物具有的细胞膜片就越多。图4A显示了装置100的简图，其中细胞培养皿被固定在线性台108上。此外，图4A示出了测量光强度的三个场景402-406。在场景402中，细胞培养皿包含的生物细胞培养物已经在细胞培养皿中生长了第一天数。当细胞膜片在细胞培养皿上生长时，图4A中使用的透光率百分比(％透光率)被用作描述透光率变化的例子。从光源104产生的穿过细胞培养皿和生物细胞培养物的光损失了约1％的光强度。在这种情况下，细胞培养皿和生物细胞培养物被视为具有99％的透光率。这种透光率可以与所述第一天数期间生长的生物细胞培养物的厚度和/或成熟度相关。在场景404中，生物细胞培养物已经在第一天数后的第二天数中在细胞培养皿中进一步生长。当细胞培养皿和生物细胞培养物被再次放入装置100中以测量光强度时，这次，离开细胞培养皿和生物细胞培养物的光损失了约3％的光强度，并且细胞培养皿和生物细胞培养物被视为具有97％的透光率。在场景406中，生物细胞培养物已经在第二天数后的第三天数中在细胞培养皿中进一步生长。当细胞培养皿和生物细胞培养物被再次放入装置100中以测量光强度时，这次，离开细胞培养皿和生物细胞培养物的光损失了约12％的光强度，并且细胞培养皿和生物细胞培养物据说具有88％的透光率。因此，使用这种方法，生物细胞培养物的透光率可与生物细胞培养物的厚度和/或成熟度(即，生物细胞培养物具有的细胞膜片的数量)相关。此外，在一些情况下，生物细胞培养物的透光率可与生物细胞培养物的成熟度相关。例如，生物细胞培养物越成熟(即，生物细胞培养物在细胞培养皿中生长的时间越长)，生物细胞培养物越厚，因此，能够更好地承受与从细胞培养皿中移出相关联的应力。基于这种相关性，可校准生物细胞培养物的透光率，以用非侵入性方法确定生物细胞培养物的厚度和/或成熟度以及收获生物细胞培养物的时间。例如，收获生物细胞培养物的时间可以基于生物细胞培养物的厚度和/或成熟度来确定。在这个例子中，生物细胞培养物的厚度和/或成熟度可通过确定生物细胞培养物的透光率来确定。因此，在该实施例中，收获生物细胞培养物的时间可以基于生物细胞培养物的透光率来确定。这样，生物细胞培养物的收获时间可以非侵入性方式确定，并且不会损坏生物细胞培养物。

图4B-4C示出了描绘出根据本发明的多种不同实施例的生物细胞培养物(如多层干细胞或角膜细胞膜片)的透光率与生物细胞培养物在实验室环境中生长的天数之间的关系的图表420和440。图表420是x-y图表。x-y图表的x轴代表生物细胞培养物生长的天数，x-y图表的y轴代表在特定天数测量的生物细胞培养物的透光率。在图表420中，在特定天数在生物细胞培养物的不同点测量的透光率值的变化由条422表示。最大和最小透光率值由条422的边缘422a、422b表示。平均透光率值由条422的圆圈422c表示。基于平均透光率值，可以确定透光率和生长天数之间的数学关系。这样，仅通过测量生物细胞培养物的透光率值，就可确定生物细胞培养物生长的天数，并因此确定厚度和/或成熟度。图表420是显示脂肪基质细胞膜片的透光率和脂肪基质细胞膜片在细胞培养皿中生长的天数的x-y图表。

图4D示出了根据本发明的多种不同实施例的测定生物细胞培养物如多层干细胞或角膜细胞膜片的厚度和/或成熟度的方法460。在步骤462中，准直光在包含生物细胞培养物的细胞培养皿的预定数量的位置处照射到细胞培养皿上。准直光由装置100的光源104产生，并通过装置100的准直器106准直。细胞培养皿上的预定数量的位置是基于要加载到装置100的控制器120的配置设置来确定的。使用装置100的线性台108将细胞培养皿移动到所述预定数量的位置。

在步骤464中，在所述预定数量的位置处测量穿过生物细胞培养物的准直光的强度。强度由装置100的光检测器110测量。光检测器在所述预定数量的位置中的每个位置测量至少10个强度值。

在步骤466中，基于强度确定生物细胞培养物的透光率范围。透光率范围至少包括生物细胞培养物的最大透光率值、最小透光率值和平均透光率值。在特定天数测量的生物细胞培养物的透光率范围绘制在图上。基于在特定天数测量的平均透光率值，可确定生物细胞培养物的透光率值与生物细胞培养物的厚度/成熟度和每个细胞膜片的细胞数量之间的关系曲线。

图4E示出了根据本公开的多种不同实施例的可用于确定细胞膜片中细胞数量的参考图480。如上所述，可基于使用装置100测量的细胞膜片的透光率以及将测量的透光率与参考图480进行比较来估计细胞膜片中的细胞数量。如图4E所示，参考图480可以是x-y散点图。x-y散点图可包括y轴上的细胞膜片的透光率百分比和x轴上的细胞膜片中的细胞数量。绘制出透光率对细胞数量。此外，x-y散点图可包括来自不同培养基的数据点的聚类。例如，未分化培养基表示为三角形数据点，成骨细胞表示为正方形数据点，软骨细胞表示为圆形数据点。这样，通过知道细胞膜片和用于生长细胞膜片的培养基的透光率，可基于参考图480确定细胞膜片中的细胞数量。这样，当收获细胞膜片时，可以严格控制细胞膜片的质量控制和释放控制，以及细胞膜片治疗计量学。

Claims (20)

1.一种用于评估生物细胞培养物的装置，该装置包括：

机体，其中所述机体包括：

用于产生光的光源，其中所述光源设置在所述机体的顶部处；

光检测器，其中所述光检测器设置在所述机体上的基座处；

准直器，其用于准直所述光，其中所述准直器设置在所述光源的下方，并且所述光检测器用于接收准直光；和

线性台，其用于在正交方向上致动包含生物细胞培养物的细胞培养皿，其中所述线性台设置在所述光源和所述光检测器之间，并提供固定所述细胞培养皿的表面；以及

控制器，其通过数据总线耦合至所述机体，其中所述控制器配置成通过所述数据总线提供使所述光源、所述线性台和所述光检测器操作的指令。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述机体还包括：

从所述机体的所述基座竖直延伸出的多个杆；

机械地联接至所述杆的第一桥，其中所述第一桥设置在所述机体的顶部处并且包括所述光源；和

机械地联接至所述杆的第二桥，所述第二桥设置在所述第一桥和所述准直器之间，并且包括与所述光源的视线对准的穿孔。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述准直器包括至少一个透镜，其中所述透镜通过臂和臂接头机械地联接至所述杆。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述透镜具有25.4毫米的透镜直径和25.4毫米的焦距。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述透镜容纳在联接至所述臂的支架中。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述线性台包括样品台、x台和y台，其中所述样品台提供用于固定所述细胞培养皿的所述表面，其中所述x台在第一方向上致动所述线性台，并且其中所述y台在垂直于所述第一方向的第二方向上致动所述线性台。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述x台和所述y台包括联接至同步带的步进电机，所述同步带使得所述x台和所述y台沿其各自的方向移动。

8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述样品台、所述x台和所述y台中的每一者均包括允许所述准直光穿过的开口。

9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述控制器包括耦合至至少两个电机驱动模块的计算单元。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述至少两个电机驱动模块生成用于致动所述x台的和所述y台的步进电机的信号。

11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述计算单元通过所述数据总线从所述光检测器接收模拟信号，并将所述模拟信号数字化。

12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述计算单元生成用于开启或关闭所述光检测器的数字信号。

13.根据权利要求1所述的装置，其中，由所述光源产生的光包括在450-475纳米处的尖锐的峰和在560-60纳米处的平坦的峰。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述数据总线为有线数据连接。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述有线数据连接是基于以太网总线、串行总线或通用接口总线的数据连接中的至少一种。

16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述数据总线为无线数据连接。

17.根据权利要求14所述的装置，其中，所述无线数据连接是基于蜂窝、Wi-Fi、蓝牙或近场通信的数据连接中的至少一种。

18.一种用于操作根据权利要求1所述的装置的方法，该方法包括：

通过控制器使线性台致动至对应于细胞培养皿的第一预定位置的第一位置；

由光源经由准直器产生准直光，以便在所述第一位置处穿过所述细胞培养皿和生物细胞培养物；

由光检测器接收穿过所述细胞培养皿和所述生物细胞培养物的所述准直光；和

通过所述控制器确定所述第一位置处的准直光的强度。

19.根据权利要求18所述的方法，该方法还包括：

通过所述控制器使所述线性台致动至对应于所述细胞培养皿的第二预定位置的第二位置；

由所述光源经由所述准直器产生准直光，以便在所述第二位置处穿过所述细胞培养皿和所述生物细胞培养物；

由所述光检测器接收穿过所述细胞培养皿和所述生物细胞培养物的准直光；和

通过所述控制器确定所述第二位置处的准直光的强度。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一位置处的准直光的强度和所述第二位置处的准直光的强度用于确定：

所述生物细胞培养物的厚度；

所述生物细胞培养物的用于收获生物细胞培养物的成熟度；

所述生物细胞培养物的一个或多个细胞膜片中存在的细胞数量；和

所述生物细胞培养物的透光性。