CN1498960A - 一种细胞培养装置 - Google Patents

Abstract

一种细胞介质(12)的培养装置(10)，包括生物介质培养腔(14)，可形成封闭的环境；和电控喷射装置(16，16')，连通支持生物功能的材料源。喷射装置(16，16')可将材料喷射到生物介质培养腔(14)中。

Description

一种细胞培养装置

技术领域

本发明涉及一种细胞培养装置和利用生物细胞传感器的微型装置。本发明还涉及到保持各种细胞系活力的方法，特别是对于小型便携微射流控制的容器中的细胞。

背景技术

已提出各种装置和方法来控制细胞和细胞系的培养。这些装置便于控制支持材料、毒素、其他攻击材料及类似物的传输。但是，这些装置分别具有需要改进和增强的地方。一般的培养装置要求至少培养和维持数千个细胞。应当认识到具有数千个或更多细胞的环境使得研究和观察单个细胞或亚细胞水平上的反应和功能很困难。因此，对可容纳细胞数在1到大约10000个之间的细胞培养装置的需要尚未得到满足。

发明内容

本发明涉及一种培养装置，其包括存储腔，与存储腔连通的喷射装置，和与喷射装置接触的生物介质培养腔，生物介质培养腔形成封闭的培养环境。

附图说明

图1是与相连接的盒体连通的细胞培养装置的透视图；

图2是图1的培养装置的透视图；

图3是图2的细胞培养装置的截面图；

图4是图3的培养装置的示意图；

图5是图2的培养装置的基体的顶视图；

图6是使用图2的培养装置监控检测方法的过程图；和

图7是使用图2的培养装置进行的合成方法的过程图。

具体实施方式

本文公开的是一种细胞介质的培养装置10。图1显示的培养装置10与盒体装置11相结合，盒体可携带大量的维持细胞功能的各种材料。细胞培养装置10可永久地或可移动地固定到相关的盒体11。培养装置10还可移动地连接到适当的盒体，如盒体11，以便于分析、观察和进行类似工作。

如图2和3所示，细胞介质的培养装置10包括生物介质培养腔14，其形成封闭的环境，在其中细胞介质可生长、培养和/或对细胞进行研究。培养装置10还包括电控喷射装置，如装置16，16`，其连接到支持生物功能的材料源。电控喷射装置16可将材料喷射到生物介质培养腔14中。尽管图中的培养装置10具有两个电控喷射装置16，16`，细胞培养装置10可有任何需要数量的电控喷射装置，在需要时发送各种材料到生物介质培养腔。

本文中的术语“生物介质(biomedia)”用于表示单个细胞、同类细胞集落、或具有混合细胞谱系的细胞集落，以及亚细胞器，和更原始的显微镜可见的材料，如病毒，逆转录病毒和类似的材料。亚细胞器的示例包括但不限于线粒体、从细胞核或核仁生成的材料或包括细胞核或核仁的材料。适当的生物介质是可支持于生物介质培养腔14的材料，能够在生物介质培养腔14内维持至少一种需要的生物功能一段限定时间。

术语“细胞介质(cellular media)”包括单个完整细胞以及亚细胞器，其能够在生物介质培养腔14的范围内具有至少一个生物功能并保持一段限定时间。在必要时，还可以包括用作细胞生长或支持培养基的浆液及类似材料。所具有的生物功能可包括任何化学的、生物化学的、电化学的或物理的功能。功能示例包括但不限于能量传递、线粒体核糖核酸复制，三磷酸腺苷/二磷酸腺苷间能量传递、光合作用、蛋白质合成和其他功能。“细胞介质”还包括更原始的生物材料，如病毒、逆转录病毒和类似材料。这些生物材料可从任何适当的来源产生，包括但不限于，复杂的多细胞机体、单细胞机体、异类的或同类的细胞系、各种营养繁殖系和亚细胞材料。

培养装置10使用的电控喷射装置16，16`当收到适当控制指令时能够喷射一定量的相关材料到生物培养腔14，这些材料能够影响和/或支持生物功能。通过电控装置16，16`引入的相关材料可从任何适当的来源引入。适合用于本发明的培养装置的喷射装置技术的示例包括喷墨装置应用的喷射装置和结构。这些喷墨装置包括但不限于热喷墨装置、压电喷墨装置及类似装置。

通过电控喷射装置16，16`传输的材料是支持和/或影响生物功能的材料。本文使用的术语“支持生物功能”用来表示该材料是促进或维持容纳在生物介质培养腔14中的细胞介质12所需要或希望的。广义上，支持和/或影响生物功能的材料包括但不限于，各种营养物，如蛋白质和能量源，以及电解质、微量金属和类似材料。各种营养物材料可连接到各个电控喷射装置16，16`，以改变即变化引入生物介质培养腔14的营养物形态。电控喷射装置16，16`还可传递其他的需要或进行研究的材料进入生物介质培养腔。这些材料包括但不限于，接种菌、潜在毒素、和其他能影响细胞材料功能的材料。

如图所示，尤其是如图1到3所示，本发明的培养装置10包括存储腔18，18`，其与相连的电控喷射装置18，18`连通。可认为存储腔18，18`具有足够大的体积，可容纳所需的支持生物功能的材料。如图1所示，存贮腔位于盒体11中，具有多个隔离的存贮室，适合于容纳将引入生物培养腔14中的材料。但是，也应看到存储腔18，18`可根据容纳在生物介质培养腔14中的细胞介质12的性质和细胞培养装置10的用途，设置成相当小的体积。因此，存贮腔18，18`可位于任何适当的存储基体上，可具有任何需要或希望的尺寸，在装置10的使用年限内支持细胞的活性。

电控喷射装置16，16`的小孔出口20，20`与生物介质培养腔14连通，可使容纳在相连的存储腔18，18`的材料以不连续的数量发送。生物介质培养腔14叠放在喷射装置16，16`上形成的小孔出口20，20`之上。可想到培养装置10能够包括多个小孔出口20，20`，出口与多个电控喷射装置16，16`连接。生物介质培养腔14迭置在多个小孔出口上。

生物介质培养腔14包括适当的生物介质支持表面22，其可维持和促进在特定位置的细胞介质的生长。生物介质支持表面22位于相对喷射装置16，16`并便于操纵支持生物功能的材料的位置，并且还要便于观察和分析细胞介质的特定生物功能。如图3所示，生物介质支持表面22与腔壳体54整体形成。但是，生物支持表面22可以是单独结构或次结构，细胞介质12可在这些结构上得到培养和支持。

培养装置10还包括适当的机构以允许受控的外物进入生物介质培养腔14。这种进入对于实现某种功能是必要的，如引入攻击材料到生物介质培养腔14或其局部区域。攻击介质的示例包括，但不限于，各种接种化合物或成分，其可改变或影响细胞介质12的生物功能。接种化合物可以是毒素、病原体、生长因子、特征蛋白、无特征蛋白、环境因素或其他相关的材料。一种这样的机构是接种隔膜24，其形成和位于腔壳体54，可提供密封式进入生物介质培养腔14和生物介质培养腔14外环境之间。接种隔膜24允许可取出地插入适当的接种注射器24到生物介质培养腔，将希望的接种介质引入。如接种隔膜24这样的进入机构还可以用于其他机械装置的可移动的出口，如探针或其他传感器，这些装置用于监控围绕细胞介质的环境中的细胞介质的生物功能或条件。

引入接种化合物还可以通过适当的接种存储腔，如与适当的电控喷射装置16`连通的存储腔18`，来实现，这样连接的存储腔可引入不连续数量的适当接种介质到生物介质培养腔14。为了本发明的公开，术语“接种介质”定义为任何可促进细胞介质12反应的化合物或成分。这样的材料包括但不限于怀疑的或肯定的病原体、诱变剂、重组细胞生物材料，以及前面提到的环境的或蛋白质材料。

培养装置10还可包括与生物介质培养腔14相连的适当的废水清除机构。该废水清除机构可取出代谢的副产物，保持生物介质培养腔14中的环境处于适合保持和促进细胞介质12的代谢功能的平衡状态。废水清除机构可以是适当的微射流控制泵，其与适当结构的存储腔相连通，如图3所示的腔26。微射流控制泵可以是适当的电控喷射装置，如喷射装置28，其与适当的小孔30连通，以实现废水材料的清除。

应当认识到引入如营养物和其他介质等材料与清除废水可达到平衡，以保证生物介质培养腔内实现适当平衡。组成废水清除机构的微射流控制泵和/或其他装置的操作可与引入材料到生物介质培养腔14的装置同步进行，以保证培养腔中有适当或希望的流体水平。

培养装置10还可包括至少一个加热机构，能够调节封闭的生物介质培养环境中的温度。如图3所示，温度调节可通过促动不同电阻32来实现，电阻是相连的电控喷射装置的一部分。电阻32可用于直接加热环境，或者通过提高经各种电控喷射装置16，16`引入的材料的温度来间接加热环境。

尽管图3中显示的细胞介质12有多个细胞，应当理解装置可包括任何适当的细胞材料，只要其能维持或具有化学或生物的功能并容纳于生物介质培养腔14。这些材料可在安装装置期间引入生物介质培养腔14，或在其后通过任何适当的方式或机构引入。应当理解细胞材料可保持在惰性状态中，在接收到适当的营养材料后激活。或者，取决于培养装置10的的功能和目的，细胞材料可保持在非惰性状态中。可结合到本发明的装置的细胞材料包括，但不限于，同类细胞系的至少一个单独细胞、多个分化的或不分化的细胞系中的单独细胞、包括但不限于病毒和逆转录病毒的单独可确认亚细胞结构、和细胞器及其他材料。细胞器和材料包括但不限于线粒体、高尔基体，各种叶绿体、内质网、细胞核材料如核仁，和类似材料。

如图3所示和图4示意性显示，所介绍的培养装置10还可包括至少一个与生物介质培养腔14相连的适当的监控和传感装置34。传感装置能够间接或通过推理监控单个或多个细胞的功能。传感装置34还能够监控生物介质培养腔14环境的至少一个重要因素。这些因素的示例包括但不限于温度、环境的pH值、空气质量或成分以及类似因素。观察和分析生物介质培养腔14的环境因素可得知涉及公众健康和生物介质培养腔环境的信息。应当理解，这样的信息可用于推断涉及健康和/或生物介质培养腔中细胞材料功能的信息。传感装置34具有适当的能力得到信息和传递信息到适当的控制器36，如图4所示，以调节和/或记录生物介质培养腔中的条件。

对电控喷射装置16，16`的促动可通过适当的控制机构，如适当构造的可控电子装置，来控制，控制机构与细胞培养装置10相连接并设置成电子连通各喷射装置16，16`。如本文所公开的，电控喷射装置16，16`的促动通过可控电子装置36来控制。可控电子装置36可保持在或位于任何适当位置。如图2所示，可控电子装置36显示出结合到细胞培养装置10的基体50。可控电子装置36也在图4中示意性地显示。用于或连接到细胞培养装置10的可控电子装置36能够产生至少一个指令，能促动电控喷射装置16，16`和/或废水清除机构28。

在所显示的细胞培养装置10中，可控电子装置36还能够接收外部的输入信号和/或提供外部的数据或信号给装置，这通过界面38示意性显示。如图所示，界面38电子连接到适当的探查或监测装置，如探查装置40。

如图2和3清楚显示，培养装置10包括基体50，其上带有槽52。可看出槽52与一个或多个腔连通，可通过槽连续地接近容纳于腔中的材料，这可发生在需要或希望进行接近的情况下。如图5清楚的显示，多个电控喷射装置16，16`在基体50上形成或与其相连。各电控喷射装置连接到适当的存储腔，可将材料输送到生物介质培养腔14中，或从生物介质培养腔14取出组分。应认识到槽52可用于连续提供材料，如具有非临界数量的营养物和类似材料。电控喷射装置如16，16`和28可用于分配不连续数量的材料到生物介质培养腔14，和/或排出材料。

如图3清楚的显示，壳体54叠放在基体50上，形成生物介质培养腔14。壳体54可包括至少一个便于观察容纳在培养腔中的细胞材料的区域。很明显壳体54可以是透明的，或包括透明的区域，这样可通过各种探查装置40进行观察，探查装置40可包括但不限于视力增强装置，如显微镜、扫描电子显微镜和类似仪器。还可想到探查装置40可以是许多装置，如红外线扫描仪、电致发光探测装置和类似装置。此外，还可想到当可行和适当时，将壳体54的某区域设置成能够传递信息，如细胞温度的改变或类似信息。观察和分析的其他方法也认为属于本发明的范围。因此，便于进行这样观察的壳体材料属于本发明的范围。

壳体54还包括进入口和类似结构，进入口包括与图3所示与注射器27相连的进入隔膜，以及与外部环境连通的进入口，其连通方式要适合于装置10的最终使用功能。壳体54可设置其他入口、小孔和类似构造，可在使用细胞培养装置的实验方案要求进行相互作用的情况下，允许和/或调节与周围环境的相互作用。一个非限制性的这种示例是，工作人员暴露检测或实验位于周围环境中的物质盘上的给定有毒物质。在这种情况下，可在细胞培养装置10的壳体54设置适当的进入孔，允许材料从周围环境进入生物介质培养腔14。

培养装置10的结构和尺寸可使连接电控喷射装置16的槽52和小孔20，20`的尺寸和结构能防止进行研究的细胞介质进入。因此，生物介质支持区22的尺寸可维持1到10000个之间的细胞的生物和/或化学功能。还可以想到槽52以及小孔20，20`的尺寸可小到能够防止生物介质培养腔14中的材料进入。

生物介质进入与电控喷射装置相连的槽52和小孔这样的区域也可通过适当的机械或化学-机械机构延迟。这些机构包括但不限于喷嘴和槽几何形状体以及喷嘴孔上的水难溶薄膜，这样可允许喷出的液滴通过但可防止生物介质材料进入。

生物介质培养腔14可包括多个分培养腔。应认识到各个分培养腔可采用适当的电控喷射装置和槽，向给定的分培养腔提供所需和希望的营养物，接种体和各种其他材料。所介绍的细胞培养装置10可具有多个分培养腔，各个分培养腔带有适当的电控喷射装置和槽。多个分培养腔位于正交于槽的位置并设置了机构，由此，不同的实验条件或变化可用单个培养装置来进行。

壳体54的结构将生物介质培养腔14分隔成多个隔离的和单独的分培养腔。各分培养腔可容纳特定数量的细胞或一定的生物材料。单独的分培养腔可消除与另一个的相互作用，或允许有限的和/或控制的相互作用，这取决于细胞材料的性质或所进行的研究。隔板58可定位于生物介质培养腔14中以形成分培养腔。如图2所示，隔板58可连接到壳体54的内表面，并正交于槽52，形成希望的分培养腔。因此，各分培养腔将采用一系列与喷射装置16，16`以及适当的废水清除装置相连的喷嘴，而喷射装置与相关的存储腔18，18`连通。通过这种方式，营养物、接种体和各种材料可引入各分培养腔和取出。应当想到分培养腔可用于培养各种不同的细胞系，研究和确定各种用量的反应。还应当想到各种分培养腔可保持相同或类似的细胞系，可通过不同的暴露方式将各种接种体引入细胞系，以确定不同反应。

壳体54可通过适当的机构固定到基体50，可在需要或希望时提供与周围环境适当的隔离。如图3所示，适当的密封56位于基体50和壳体54之间。另外，壳体54和基体50可包括适当的定位件，如定位件60或定位槽(未显示)，以保证壳体54相对基体50固定和定位。

尽管介绍的培养装置10包括两个存储腔18，18`和废水存储腔26，应当想到可使用任何数量的材料源和相关的腔。因此本发明的培养装置10包括专用喷射装置，引入各种营养物，添加剂和类似材料。还应当想到营养物和/或接种体可储存在不同的存储腔中，这样将允许不同比例的材料引入培养装置10。

如图1所示，所介绍的培养装置10可结合适当的盒体11。当需要时，盒体11包括壳体46，所形成的容腔中容纳用于保持各种生物功能的材料。培养装置10还包括适当的电和/或电子界面48，可与外部装置连接以接收信息和/或传递信息，这些信息涉及容纳在盒体44的材料以及培养装置10和其中所含物的特殊细节。

本发明的培养装置可结合用作细胞基传感系统或细胞传感器的细胞介质。本文所用的术语“细胞传感器”可定义为具有生物/电子界面的系统。生物元件可对刺激产生生物反应。电子元件能检测该反应并据此传递出信号。检测到的刺激可以是任何事物，如暴露于化合物或成分。生物反应可是任何种的反应机理，包括但不限于，细胞膜特性的改变，蛋白质合成的变化，各种代谢功能的变化和类似变化。

细胞基生物传感器或细胞传感器可包括但不限于各种应用中的装置，如嗅觉检测装置中的电子鼻，还包括新疾病状态检测和毒素累积保护装置。这样的系统可使用各种精确的细胞系作为传感元件。所用的细胞类型可以是一种非常适合于生物制剂的非特定检测的细胞系。用于细胞传感器系统的细胞系类型的示例有用作许多种制剂的非共形生物毒性传感元件的细胞系，这种细胞系的非限制性示例有色素胞型细胞，如betta splendens。这种细胞一般在周围神经系统产生了信号并通过各种循环荷尔蒙时具有细胞反应。该信号通过细胞表面的特定接受体进行传递，并涉及到色素颗粒的微管移动。细胞系结合到本发明的培养装置可更长时间地保持细胞健康和性能。与各种细胞系隔离的原始组织的生存和功能可更具有活性。

细胞系如色素胞可结合到所介绍的细胞培养装置10的生物介质培养腔14内的细胞传感器，进行检测或研究各种不同的材料，包括但不限于，神经传送剂，类肾上腺素对抗剂，含血清素类对抗剂，荷尔蒙，细胞骨骼抑制剂，信号转换调节器，膜电压调节器，神经毒素，蛋白质活化酶调节器，多轮的芳族烃，phychogenic agents，病原菌，无特征藻类毒素，纯细菌蛋白毒素，病原菌，细菌隔离种群，抗菌药，真菌，抗真菌和抗原虫药，有机磷酸酯神经毒剂。

现在参考图6，所介绍的是检测外部环境中污染物或病菌的方法，其中在步骤110根据适合的暴露方案将培养装置10暴露于外部环境中。暴露可通过导入适当数量的环境样本来实现，如步骤120所示。对暴露于环境材料的细胞材料的反应在步骤130进行测量。在执行检测方法中，适当的细胞传感器用于细胞培养装置10。可以想到检测的环境包括适当监测的气体或液体，可以想到该方法和装置可有利地用于检测和监测暴露于气体介质中的各种生体毒性。为进一步实现检测方法，污染介质的进入可定时或进行控制，以提供适当的监测和检测。控制包括取出密封件以允许或促使进入。根据适当的操作方案和方式，控制还可调节入口孔的尺寸来控制细胞传感器的暴露保持在检测限度内，以不便有最佳的功能和操作。

将所介绍的细胞培养装置10用于适当结构的检测装置仍可使用本方法。使用适当的检测装置来检测生物病菌，包括细胞传感器和细胞传感器反应机构。细胞传感器保持在与电控喷射装置连通的培养腔中。喷射装置传输一定的化合物到培养腔中。传感器装置包括与细胞传感器培养腔连通的入口，能够使环境材料进入与细胞传感器接触。适当的细胞传感器包括生物隔离种群，其显示出对神经毒剂，病原菌，蛋白毒剂，神经毒剂，细菌毒剂和真菌树脂中至少一种的敏感性。

图7中还介绍和显示了制造生物生产的化合物的方法，其中在步骤210，生物功能材料保持在与微型培养装置，如细胞培养装置10，相连的培养腔中。在步骤230生物功能材料的至少一种代谢功能副产物从培养腔中取出。取出的代谢功能副产物含有生物生产的化合物，在需要和希望时，可在步骤240进行收集和处理。所介绍的方法还要进行引入另外的化合物使之与生物功能材料接触的步骤，这样能够影响生物功能材料的功能，参考步骤220。可影响生物功能的适当材料包括但不限于遗传改变材料，攻击微生物抗原和类似材料，这些材料刺激所需生物材料的生产。适当的生物材料可包括但不限于各种蛋白质、荷尔蒙、免疫材料和类似材料。

虽然，联系现在认为是最实际和优选的实施例对本发明进行了介绍，应当理解本发明不限于所介绍的实施例，相反地，本发明包括各种改进和与所附权利要求的精神或范围等同的设置，所述范围根据广义的解释，依法包括所有的改进和等同结构。

Claims (15)

1.一种细胞介质(12)培养装置，所述培养装置包括：

生物介质培养腔(14)，可形成封闭的环境；所述生物介质培养腔(14)可容纳有限数量的细胞；

支持细胞功能的材料源；和

电控喷射装置(16，16`)，连通支持细胞功能的所述材料源，所述喷射装置(16，16`)可将材料喷射到所述生物介质培养腔(14)中。

2.根据权利要求1所述的培养装置(10)，其特征在于，还包括与电控喷射装置(16，16`)连通的存储腔(18，18`)，其中所述电控喷射装置(16，16`)具有与所述生物介质培养腔(14)连通的小孔出口(20，20`)。

3.根据权利要求1或2所述的培养装置(10)，其特征在于，所述生物介质培养腔(4)包括生物介质支持表面(22)，所述生物介质支持表面位于相对所述喷射装置(16，16`)的方便观察和分析细胞材料(12)的位置。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的培养装置(10)，其特征在于，还包括污水清除机构(28，30)，其连接到所述生物介质培养腔(14)。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的培养装置(10)，其特征在于，还包括包括温度调节机构，可控制所述生物介质培养腔(14)中的温度。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的培养装置(10)，其特征在于，还包括连接到所述生物介质培养腔(14)的传感器(100)，所述传感器能够监控封闭环境中的温度、细胞呼吸和pH值中至少一项。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的培养装置(10)，还包括：

基体(50)，所述基体(50)形成槽(52)，其中所述电控喷射装置(16，16`)与所述槽(52)相连；和

壳体(54)，迭置在所述基体上，所述壳体形成所述生物介质培养腔(14)。

8.根据权利要求7所述的培养装置(10)，其特征在于，所述壳体(54)包括至少一个基本正交于所述基体(50)的所述槽(52)的隔板(58)，所述隔板在所述生物介质培养腔(14)形成分培养腔。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的培养装置(10)，其特征在于，还包括可电作用于所述喷射装置(16，16`)的控制器(36)，可调节喷射到所述生物介质培养腔(14)中的材料。

10.根据权利要求2所述的培养装置(10)，其特征在于，至少一个容腔(18。18`)容纳杀生物剂。

11.根据权利要求1到9中任一项所述的培养装置(10)，其特征在于，还包括能够进行包括生物，化学或电化学性质中至少一种功能的生物材料，所述生物材料容纳在所述生物介质培养腔，所述生物材料包括同类的独立细胞，混合的独立细胞，细胞器和亚细胞材料中的至少一种，所述亚细胞材料包括病毒，逆转录病毒和蛋白感染素中至少一种；所述细胞器包括线粒体，高尔基体，内质网和叶绿体中至少一种。

12.根据权利要求1到11中任一项所述的培养装置(10)，其特征在于，所述装置设置成便携的盒体(11)。

13.根据权利要求1到11中任一项所述的培养装置(10)，其特征在于，所述装置可检测所述装置外面环境中的生物病菌或污染物。

14.一种制造生物生产化合物的方法，包括步骤：

保持细胞材料(12)在与微型培养装置(10)相连的培养腔中，所述微型装置包括生物介质培养腔(14)和电控喷射装置(16，16`)；

通过所述电控喷射装置(16，16`)引入化合物，使其与细胞材料接触，所述化合物能影响所述细胞材料(12)的功能；和

取出所述细胞材料(12)代谢的副产物，所述代谢副产物包括生物生产的化合物。

15.一种检测外部环境中污染物的方法，所述方法包括：

按照暴露规程将培养装置(10)暴露于外部环境中，其中所述培养装置包括生物介质培养腔(14)，其形成封闭的环境，细胞材料(12)容纳于所述生物介质培养腔，电控喷射装置(16，16`)与支持细胞功能的材料源相连；

允许环境材料进入所述生物介质培养腔(14)；和

测量暴露于环境材料的细胞材料(12)的反应。

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