CN1177033C - 动态空间细胞培养系统 - Google Patents
动态空间细胞培养系统Info
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Abstract
本发明的动态空间细胞培养系统，包括：细胞培养室，储液室，蠕动泵。细胞培养室是由多个独立的双向层流渗透膜细胞培养单元组成。储液室是由与细胞培养单元相同个数的储液单元组成。所说的储液单元由反转膜分隔成营养液腔和回收液腔，有效节省空间。蠕动泵的通道个数与细胞培养单元数相同，通过管道，蠕动泵与细胞培养单元，营养液腔和回收液腔连接，形成多个独立的具有恒流量、微流速的连续灌流的细胞培养子系统，可同时进行多种细胞培养。其中一个细胞培养子系统还带有一个细胞取样固化装置。本发明的优点是可以在空间环境下，同时、长时间、大容量进行多种细胞培养。并且该系统具有结构紧凑，功耗低。
Description
技术领域
本发明涉及空间生物技术，特别是指一种能够在空间长时间同时进行多种细胞培养的动态细胞培养系统。
背景技术
空间微重力环境下，重力沉降趋于消失，为细胞三维生长和细胞高密度培养创造了前所未有的条件和机会。因此，空间细胞培养是目前各国空间生命科学实验的重要内容。空间细胞培养需要有营养供给，根据营养液供给方式的不同可分为静态培养和动态培养。静态培养就是在巨大的封闭培养室内预置一定量的营养液和细胞，工作过程中不能更换营养液。动态培养是指营养液可连续供给，连续向细胞供给新鲜营养液，并回收代谢产物。静态培养随着培养时间的延长，营养液空间分布将会不均匀，局部细胞密集的地方由于缺乏必需的营养液而导致细胞处于饥饿状态甚至死亡。因此，静态培养不适合进行长期细胞培养。同时静态培养各个阶段细胞所处的营养环境会有极大的不同，会产生一些不确定因素，不利于生物研究。动态培养能保证在整个细胞培养过程中使细胞始终处于得到充足的新鲜营养液，减少了不确定因素，同时大大提高了营养液的利用率，使细胞空间长期培养成为可能。最早的动态培养是在80年代后期，瑞士和德国研制了一种带有二个培养室的细胞培养系统，一个为静态培养室，另一个为动态培养室。该动态培养室是利用渗透泵原理研制的可向细胞连续供给新鲜营养液的一种结构。该培养室容积为200μl，新鲜营养液储备库容积为230μl，自驱动的渗透泵以1μl/h的流速将新鲜营养液供应给细胞。我国在1994年也研制了动态细胞培养装置，也采用自驱动的渗透泵，供液流量70μl/天；细胞培养室容积为4ml。但是上述二种动态细胞培养装置由于受到渗透泵流速的限制，且渗透泵的辅助设备较为膨大，已不能适合大容量的多种空间细胞同时培养。另外飞船在返回地面时，细胞的状态往往会发生变化，而已有的空间细胞培养系统缺乏一种能对细胞空间状态进行固定的装置，用于为细胞空间状态进行生物研究。
发明内容
因此，本发明的目的就是要提供一种可同时进行多种细胞培养的大容量、长时期的动态空间细胞培养系统。同时该系统还带有一个细胞取样固化装置，为生物学家提供空间细胞状态的生物研究。
本发明的目的是这样实现的，动态空间细胞培养系统，包括：细胞培养室，储液室，蠕动泵。
细胞培养室是由多个独立的双向层流渗透膜细胞培养单元组成。所说的双向层流渗透膜细胞培养单元其中间置有两片平行的渗透膜，构成培养细胞的细胞腔。上下二片平行的渗透膜与单元壁之间构成为上下二个流动的营养液腔体。
储液室是由与细胞培养单元相同个数的储液单元组成。所说的储液单元由翻转膜分隔成营养液腔和回收液腔。
蠕动泵的通道个数与细胞培养单元数相同，通过管道，蠕动泵与细胞培养单元，营养液腔和回收液腔连接，形成多个独立的具有恒流量、微流速的连续灌流的细胞培养子系统，可同时进行多种细胞培养。其中一个细胞培养子系统还带有一个细胞取样固化装置。
细胞取样固化装置包括：柱塞泵、固化剂腔、补偿液腔。
蠕动泵由步进电机驱动，驱动电源采用低功耗的四相单四拍窄脉宽驱动电路，由多谐振荡器 时序脉冲分配器 脉宽控制电路和多路功率驱动器组成。该模式大大降低了电机功耗，又能提供足够静转矩，其最大静转矩为34.3N·cm，功耗为1.3W。
本发明的优点是：
1.该系统可以在空间环境下，同时、长时间、大容量进行多种细胞培养；
2.该系统具有结构紧凑，功耗低。
3.该系统在飞船返回地面前可对部分细胞进行固定，保持细胞的空间状态，用于为细胞空间状态进行生物研究。
附图说明
图1为动态空间细胞培养系统结构示意图；
图2为双向层流渗透膜细胞培养单元结构示意图；
图3为储液单元的结构示意图；
图4为细胞取样固化装置结构示意图；
图5为步进电机驱动电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步对本发明作详细阐述，本实施例具有四个细胞培养子系统，如图1所示。
细胞培养室1由四个双向层流渗透膜细胞培养单元2组成，该单元采用聚碳酸脂压制成矩形，中间置有二片平行的渗透膜21构成培养细胞的细胞腔22，容量为10ml。上下二片渗透膜21与单元壁之间为上下二个流动的营养液腔体23，每一腔体分别置有进液端口24和出液端口25，并且二个腔体23的进液端口24和出液端口25位置相反，从而使二个腔体的营养液流动方向相反，见图2。细胞培养室1置在带有维持培养细胞所需温度的半导体制冷器28上。营养液腔体23的出液端口25通过管道7与回收液腔42的输入端口47连接，进液端口24通过管道7与蠕动泵5、营养液腔41的输出端口46连接，见图3。每路管道的流速均为0.5ml/小时，通过管道蠕动泵将新鲜营养液输送给细胞培养单元2，并将回收液带回回收液腔42。上述的四个细胞培养单元中有一个细胞培养单元2带有细胞取样固化装置6。带有细胞取样固化装置的培养单元的细胞腔22侧壁置有取样端口26和补偿液端口27，见图4。
储液室3由四个储液单元4组成，每个储液单元4由左半腔44和右半腔45中间有翻转膜43隔成营养液腔41和回收液腔42。左半腔和右半腔形状相同。翻转膜43的形状近似半腔形状，体积略小于半腔。翻转膜43的口边沿在左右半腔口边上，中间有一密封填圈48通过螺接将左右半腔和翻转膜密封固定。翻转膜由柔性橡胶材料制成。在实验开始时，营养液全部装在营养液腔41，回收液腔42为空的，翻转膜凹向右半腔45，营养液腔41的体积为整个储液单元的体积，其内充满营养液，回收液腔42为空的，其体积为零。随着营养液腔41不断输出营养液，回收液流回回收液腔42，翻转膜开始向左半腔凹，营养液腔41体积不断缩小，直至营养液全部排空，营养液腔41体积为零。这时回收液充满储液单元4，营养液腔41体积为零。整个过程中，储液单元的总体积保持不变，充分利用了储液空间，使总体积减少了一半，并且实现一个全密封的换液过程，适合空间应用。
储液室3置在带有维持营养液所需温度的半导体制冷器44上。
蠕动泵5有四个通道51，四个通道的一端通过管道7分别与细胞培养室1的四个单元2的进液端口24连接，四个通道的另一端管道7分别与营养液腔41输出端口46连接，细胞培养室的四个细胞培养单元2的出液端口25通过管道7分别与四个储液单元4的回收液腔42输入端口47连接。蠕动泵5由步进电机52驱动，形成四个独立的流速均为0.5ml/小时恒流量、微流速的连续灌流的细胞培养子系统。使新鲜营养液与细胞腔中的营养液充分交换，从而保证细胞能时刻得到新鲜营养液。
蠕动泵5由步进电机驱动，驱动电源采用低功耗的四相单四拍窄脉宽驱动电路，由多谐振荡器 时序脉冲分配器 脉宽控制电路和多路功率驱动器组成。多谐振荡器521由四二输入与非门U1，电阻R1，R2以及电容C1，C2组成；时序脉冲分配器522由RS触发器U2，U3组成；脉宽控制电路523由电容C3，C4，C5，C6组成；多路功率驱动器524由达林顿驱动器U4组成。该模式大大降低了电机功耗，又能提供足够静转矩，其最大静转矩为34.3N·cm，功耗为1.3W。
细胞取样固化装置6包括：柱塞泵61、固化剂腔62、补偿液腔63。柱塞泵的顶部端口613通过管道69与细胞腔22的取样端口26连接，补偿液腔63通过管道69与细胞腔22的补液端口27连接，固化剂腔62通过管道与柱塞泵的侧部端口612连接。
细胞取样固化装置的工作过程如下：初始状态，固化剂腔62和补偿液腔63分别装上一定量的固化剂和营养液；柱塞泵61中活塞611处于关闭状态，活塞上的弹簧612处于压紧状态，并用定位销钉67锁紧，关断夹刀68将管道69压扁。细胞腔22中充满细胞和营养液，当地面发出固化开指令后，固化电机68开始拔销钉67，关断夹刀68移位，管道69畅通，弹簧612松开，活塞下滑，利用压力差将固化剂和细胞液自定抽至柱塞泵腔体，营养液从补偿腔63送至细胞腔22。当关断夹刀68移动到行程开关64时，活塞底部触压行程开关66，固化电机开始反转，再次锁住活塞，当移动到行程开关65，关断固化电机，细胞取样固化完毕。
本发明的动态空间细胞培养系统已成功地装载在神舟三号飞船返回舱内，进行了空间细胞培养科学实验，并达到了生物学家预期的效果。
Claims (2)
1.一种动态空间细胞培养系统，包括：细胞培养室(1)，储液室(3)，蠕动泵(5)，其特征在于：
细胞培养室(1)是由多个独立的双向层流渗透膜细胞培养单元(2)组成；所说的双向层流渗透膜细胞培养单元的中间置有两片平行的渗透膜(21)，构成培养细胞的细胞腔(22)，上下二片平行的渗透膜(21)与细胞培养单元壁之间构成上下二个流动的营养液腔体(23)；细胞培养室(1)带有维持培养细胞所需温度的半导体制冷器(28)；
储液室(3)是由与细胞培养单元(2)相同个数的储液单元(4)组成；每个储液单元(4)由左半腔(44)和右半腔(45)中间有翻转膜(43)隔成营养液腔(41)和回收液腔(42)；营养液腔(41)有一营养液输出端口(46)；回收液腔(42)有一回收液输入端口(47)；左半腔和右半腔形状相同；翻转膜(43)的形状近似左半腔或右半腔，体积略小于左半腔或右半腔；翻转膜(43)口边沿在左右半腔口边上，中间有一密封填圈(48)通过螺接将左右半腔和翻转膜密封固定；翻转膜由柔性的橡胶材料制成；储液室(3)置在带有维持营养液所需温度的半导体制冷器(44)上；
蠕动泵(5)的通道(51)个数与细胞培养单元(2)数相同，蠕动泵(5)带有步进电机(52)；
所说的营养液流动腔体(23)分别置有进液端口(24)和出液端口(25)，二个营养液流动腔体(23)的进液端口(24)和出液端口(25)位置相反，出液端口(25)通过管道(7)与回收液输入端口(47)连接，进液端口(24)通过管道(7)与蠕动泵(5)、储液室(3)的营养液输出端口(46)连接，形成多个独立的细胞培养子系统；其中一个细胞培养子系统还带有一个细胞取样固化装置(6)；该子系统的细胞培养单元的细胞腔(22)侧壁置有取样端口(26)和补偿液端口(27)；
所说的细胞取样固化装置(6)包括：柱塞泵(61)、固化剂腔(62)、补偿液腔(63)；柱塞泵的顶部端口(613)通过管道(69)与细胞腔(22)的取样端口(26)连接，补偿液腔(63)通过管道(69)与细胞腔(22)的补液端口(27)连接，固化剂腔(62)通过管道与柱塞泵的侧部端口(612)连接。
2.根据权利要求1一种动态细胞培养系统，其特征在于：所说的步进电机驱动电源采用四相单四拍窄脉宽驱动，该电源由多谐振荡器(521)、时序脉冲分配器(522)、脉宽控制电路(523)和多路功率驱动器(524)组成；多谐振荡器(521)由四二输入与非门U1，电阻R1，R2以及电容C1，C2组成；时序脉冲分配器(522)由RS触发器U2，U3组成；脉宽控制电路(523)由电容C3，C4，C5，C6组成；多路功率驱动器(524)由达林顿驱动器U4组成。
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