CN206396228U - 细胞培养平台和细胞培养系统 - Google Patents
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Abstract
一种细胞培养平台和细胞培养系统，所述细胞培养平台(101)包括用于培养细胞的培养元件(102)。每个培养元件包括用于容纳正在培养的细胞和液体形式的培养基的培养腔。培养元件还包括气室以及在气室和培养腔之间的气体可渗透材料。细胞培养平台还包括框架结构(103)，其用于机械地支撑培养元件，以及机械地支撑能够在不从外源接收气体的情况下自主地供应气体的气体供应系统(111)。该气体供应系统可以是例如气罐。框架结构包括用于引导气体流过培养元件的气室的气体通道(104)。因此，该细胞培养平台和气体供应系统构成具有受控的细胞气体环境的便携式细胞培养系统。
Description
技术领域
本公开总体涉及细胞培养。更具体地，本公开涉及一种细胞培养平台和细胞培养系统。
背景技术
细胞培养过程可能长达数月，并且通常在此过程中包含大量费力的手动操作。例如，培养过程可包括每两天或三天更换液体形式的培养基和/或对细胞进行显微成像，以跟踪正在培养的细胞的生长状况。每次进行上述类型的操作时，通常要从培养箱中取出细胞培养物。这将导致细胞培养物内部的环境发生变化，并且这些环境变化可能在培养过程中造成不期望的影响。活细胞对其培养环境较为敏感。因此，例如由于气体浓度、温度和/或光强度的变化，上述操作可能导致对细胞的不希望刺激。此外，诸如振动和摇晃等机械刺激可能造成不期望的影响。因此，在整个培养过程中将细胞保持在受控条件下是非常重要的，以便能够可靠地研究细胞和组织。
例如，缺氧研究是此类遭受针对细胞培养物的环境变化影响的研究领域之一。研究缺氧条件对活细胞的影响需要对正在培养的细胞的气体环境进行连续控制和管理。商用缺氧室是可用的，但购买和维护非常昂贵，因此它们并不能适用于所有的研究组织。此外，商用缺氧室为大型气罩，其对于细胞培养物的气体环境不能提供快速的动态变化。更换后可能需要几个小时才能稳定气体环境。此外，仅仅为缺氧研究而购买能够在缺氧室内操作的显微镜也是较为昂贵的。在缺氧室内没有显微镜的情况下，细胞培养平台需要从缺氧室中取出，并且可以推断，低氧浓度从细胞培养物的气体环境迅速消失。这可能对细胞造成严重的损害。因此，在该研究领域中，在整个培养过程中将细胞保持在相同条件下是非常重要的。
实用新型内容
下面给出本实用新型的简化概述，以便提供对本实用新型各种实施例的一些方面的基本理解。本概述并不是对本实用新型的全面综述，其既不旨在标识本实用新型的关键或重要元素，也不描绘本实用新型的范围。以下概述仅以简化形式呈现本实用新型的一些构思，作为对本实用新型示例性且非限制性实施例的更详细描述的序言。
根据本实用新型，提供了一种新型的适用于例如缺氧研究的细胞培养平台。根据本实用新型所述的细胞培养平台包括用于培养细胞的一个或多个培养元件和用于机械地支撑培养元件的框架结构。每个培养元件包括：
-用于容纳正在培养的细胞和液体形式的培养基的培养腔，
-用于容纳气体的气室，和
-位于气室和培养腔之间的气体可渗透材料。
框架结构被构造成不仅机械地支撑培养元件，而且还机械地支撑气体供应系统，所述气体供应系统能够在不从外源接收气体的情况下供应具有期望组成的气体。框架结构包括气体通道，用于接收来自气体供应系统的气体，并且用于引导气体流过培养元件的气体室。气体供应系统可以例如是(但不必然是)用于加压气体的气罐或另一可更换的和/或可再填充的容器。
根据本实用新型所述，本实用新型还提供了一种新的细胞培养系统。根据本实用新型所述的细胞培养系统包括：
-根据本实用新型所述的细胞培养平台，和
-由细胞培养平台的框架结构机械地支撑的气体供应系统。
细胞培养系统可以是便携式的，以使其可以例如放置在显微镜的样品台上，以使气体供应系统在显微成像期间仍可正常工作。因此，监测细胞生长可能需要的显微成像不引起细胞的气体环境的变化。
上述气室的体积有利地是较小的，以便能够快速改变细胞的气体环境(如果需要)。例如，气室的体积可以是用于容纳正在培养的细胞的培养腔的体积的约0.5至约3倍。
所附的从属权利要求中描述了本实用新型的多个示例性且非限制性实施例。
当结合附图阅读时，根据具体示例性实施例的以下描述，将最好地理解关于结构和操作方法的本发明各种示例性和非限制性实施例及其另外的功能和优点。
本文中使用的动词“包括”和“包含”是开放性限制，既不排除也不要求存在未记载的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。此外，应当理解，在整个文档中使用的“一”或“一个”，即单数形式，不排除多个。
附图说明
下面参照附图更详细地阐述本实用新型的示例性且非限制性实施例及其优点，其中：
图1a示出了根据本实用新型的示例性且非限制性实施例的细胞培养系统机械结构，
图1b示出了根据本实用新型的示例性且非限制性实施例的细胞培养系统的操作，以及
图2a至2g示出了图1a所示的细胞培养系统的培养元件的机械结构。
具体实施方式
在下面给出的描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则在下面给出的描述中提供的列表和示例组并非穷举。
图1a示出了根据本实用新型的示例性且非限制性实施例所述的细胞培养系统的等距视图。细胞培养系统包括细胞培养平台101和气体供应系统111，气体供应系统111能够在不从外源接收气体的情况下供应具有期望组成的气体。细胞培养平台101包括用于培养细胞的培养元件。在图1a中，其中一个培养元件用附图标记102表示。其它培养元件在图1a中未示出。细胞培养平台101还包括用于机械地支撑培养元件和气体供应系统111的框架结构103。框架结构103包括气体通道104，用于接收来自气体供应系统111的气体，并且用于引导气体流过培养元件。在此示例性情况下，培养元件(例如培养元件102)相对于框架结构103是分离部件。然而，各培养元件也可以是框架结构的一体部分。
框架结构103有利地至少部分地由一种或多种透明材料制成。相应地，每个培养元件有利地至少部分地由一种或多种透明材料制成。在此示例性情况下，可以使用光学显微技术对正在培养的细胞进行成像和/或检查。一种或多种透明材料可以包括例如聚苯乙烯、具有共聚物的聚苯乙烯、聚氯乙烯、具有共聚物的聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯-丙烯腈、聚丙烯、聚偏二氯乙烯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物和/或硅氧烷弹性体。
在图1a所示的示例性细胞培养平台101中，框架结构103包括孔板105和盖106。孔板105包括各自能够容纳一个培养元件的孔，并且盖106包括前述的气体通道104。如图1a所示，盖106在被放置在孔板的顶部时封闭孔。孔板105的物理尺寸有利地类似于标准实验室孔板的物理尺寸，使得细胞培养系统能够易于放置在例如显微镜和/或其它仪器的样品台上。细胞培养平台101的长度L可以是例如在86mm至128mm的范围上，细胞培养平台101的宽度W可以是例如在60mm至86mm的范围上，并且细胞培养平台101的高度H可以是例如在18mm至45mm的范围上。
在图1a所示的示例性细胞培养系统中，气体供应系统111包括容纳加压气体的可更换容器114。可更换容器114可以是例如气罐。可更换容器114可以包含例如12g气体，其体积在常温和常压“NTP”下为约7升。通过细胞培养系统的合理设计，上述体积足以保持足够的气体流过各个培养元件数天。培养元件有利地设计为使得小的气体流量，例如约100μl/min，足以维持培养元件内的期望气体环境。通过使用可更换容器114，不需要外部导管和/或连接到外部系统的任何线。因此，细胞培养系统是便携式的，并且仍然可以维持气体环境，因为气体供应系统111能够自主地运行而不连接到外部系统。因此，例如用于监测正在培养的细胞的生长状况可能需要的显微成像不会引起细胞的气体环境的变化。在图1a所示的示例性情况下，框架结构103包括用于可更换容器114的空腔。然而，框架结构103也可以包括用于将用于加压气体的容器紧固到框架结构的外表面的装置。
值得注意的是，上述可更换容器114不是气体供应系统111的唯一可能选择。气体供应系统111还可以包括用于加压气体的可再填充容器。可再填充容器包括用于从外源(例如气瓶和/或气体混合器)再填充的再填充阀。此外，根据本实用新型示例性实施例所述的细胞培养系统的气体供应系统还可以包括用于容纳液体的腔室，其中这些液体相互作用而产生所需气体。
根据本实用新型的示例性且非限制性实施例所述的细胞培养系统中的气流在图1b中示出。细胞培养系统的细胞培养平台包括用于从气体供应系统111接收气体的气体通道104，该气体通道104用于引导气体流过培养元件，其中一个培养元件用附图标记102表示。细胞培养平台可以包括用于控制通过培养元件的气流的可控阀109。在图1a所示的示例性细胞培养系统中，可控阀可以位于元件115中。细胞培养平台还可以包括回流阻挡物，用于防止环境空气沿与气体供应系统供应的气体的流动方向相反的方向流入培养元件。在图1a和1b中，回流阻挡物用附图标记110表示。
在根据本实用新型的示例性且非限制性实施例所述的细胞培养平台中，框架结构被构造为机械地支撑两个或更多个自主供气系统。在此示例性情况下，气体通道包括选择阀系统，用于选择允许哪个气体供应系统向培养元件供应气体。在图1b中，选择阀系统由附图标记107表示。使用例如由框架结构承载的两个可更换容器，例如气罐，可以在可更换容器的更换期间维持正在培养的细胞的期望气体环境。此外，一个气体供应系统中可以包含与另一个气体供应系统不同的气体。在此示例性情况下，可以以受控的方式改变细胞的气体环境。例如，结合缺氧研究，可以进行再氧化实验，以便交替提供两种不同的气体浓度。
在根据本实用新型的示例性且非限制性实施例所述的细胞培养平台中，气体通道包括用于连接外部气体供应的接口113。在此示例性情况下，可以将外部气瓶和/或气体混合器连接到细胞培养平台，以避免消耗来自可更换和/或可再填充容器(例如气罐)中的气体。在图1a所示的示例性细胞培养系统中，用于连接到外部气体供应的接口可以位于元件115中。
根据本实用新型的示例性且非限制性实施例所述的细胞培养平台包括用于控制正在培养的细胞的温度的电加热元件。在图1a所示的示例性细胞培养系统中，加热元件用附图标记108表示。加热元件108可以包括例如电阻线，这些电阻线较细，以使它们不干扰例如显微成像和其它光学操作。加热元件108可以是例如电池操作的，并且框架结构103可以被布置成能够机械地支撑电池。
图2a示出了图1a所示的培养元件102。图2b、2c和2d示出了通过沿图2a中所示A-A线切割培养元件102所获得的截面。与图2b至2d相关的截面平面与坐标系199的xz平面平行。在图2b和2d中，截面表面用对角阴影线表示。在图2b中，内部形状以与图2a中相同的方式呈现。图2e、2f和2g示出了通过沿着图2a所示B-B线切割培养元件102所获得的截面。与图2e至2g相关的截面平面与坐标系199的yz平面平行。与图1a和2a至2g相关的观察方向由坐标系199示出。
培养元件102包括用于容纳正在培养的细胞和液体形式的培养基的培养腔。培养腔在图2a、2d、2f和2g中用附图标记220表示。在图2a中，用交叉阴影区域描绘了正在培养的细胞。培养元件102包括用于容纳气体的气室，用于为正在培养的细胞提供期望的气体环境。气室在图2a、2c、2f和2g中用附图标记221表示。培养元件102包括在气室221和培养腔220之间的气体可渗透材料。气体可渗透材料在图2a、2e和2f中用附图标记222表示。气体可渗透材料可以包括例如聚二甲基硅氧烷。
示例性培养元件102还包括用于容纳液体形式培养基的第一储存器、用于将液体形式的培养基从第一储存器引导到培养腔220的第一液体管道、用于将液体形式的培养基引导出培养腔220的第二液体管道，以及连接到第二液体管道的第二储存器226。上述第一储存器在图2a至2f中用附图标记223表示，上述第一液体管道在图2b和2d中用附图标记224表示，上述第二液体管道在图2b和2d中用附图标记225表示，并且上述第二储存器在图2a至2d中用附图标记226表示。在图2d中，液体形式的培养基用附图标记250表示，并且液体形式的培养基从第一储器223通过培养腔220到第二储器226的流动用曲线箭头表示。在图2d所示的示例性情况中，流动是基于第一储存器223和第二储存器226之间的静水压力差。从图2d可以看出，框架结构103构成培养元件102的底部。然而，细胞培养元件102也可以具有其自身的底部元件。
示例性培养元件102还包括用于将气体从图1a和1b中所示的气体通道104引导到气室221的第一气体管道，和用于将气体从气室221引出的第二气体管道。第一气体管道在图2a、2b、2c、2e、2f和2g中用附图标记227表示，并且第二气体管道在图2a、2e、2f和2g中用附图标记228表示。在图2f和图2g中，气流用曲线箭头表示。
如图2a所示，培养元件102的气室221围绕着培养腔220，并且气室和培养腔之间的壁包括气体可渗透材料222。如图2a所示，气室具有细长形状，使得气室实际上是气体通道，因此气室221的体积可以相对较小。气室的小体积有助于快速改变(如果需要)正在培养的细胞的气体环境。例如，气室221的体积可以是用于容纳细胞的培养腔220的体积的约0.5至约3倍。
图2a至2g所示的示例性培养元件102的机械结构包括堆叠在彼此顶部上的部分。在图2a至2g中，上述部分用附图标记229、230和231表示。如图2a至2g所示，部分229-231沿着坐标系199的z方向彼此堆叠。如从图2a至2g可以看出的，当截面平面垂直于坐标系199的z轴时，部分229-231各自具有恒定的横截面轮廓。
在上面给出的描述中提供的非限制性具体实施例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则在上面给出的描述中提供的示例列表和示例组并非是穷举的。
Claims (20)
1.一种细胞培养平台(101)，包括用于培养细胞的一个或多个培养元件(102)，每个培养元件包括：
-培养腔(220)，所述培养腔(220)用于容纳正在培养的细胞和液体形式的培养基；
-用于容纳气体的气室(221)，和
-位于所述气室和所述培养腔之间的气体可渗透材料(222)；
其特征在于，所述细胞培养平台还包括框架结构(103)，所述框架结构(103)用于机械地支撑所述培养元件以及气体供应系统，所述气体供应系统能够在不从外源接收气体的情况下供应气体，并且所述框架结构包括用于从所述气体供应系统接收气体并引导所述气体流过所述培养元件的所述气室的气体通道(104)。
2.根据权利要求1所述的细胞培养平台，其中所述框架结构包括孔板(105)和盖(106)，所述孔板包括各自能够容纳一个所述培养元件的孔，所述盖(106)包括所述气体通道，并且在被置于所述孔板的顶部上时用于封闭所述孔。
3.根据权利要求2所述的细胞培养平台，其中所述孔板(105)包括用于容纳所述气体供应系统的空腔。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台，其中所述框架结构构造为机械地支撑另一个气体供应系统，并且所述气体通道包括用于选择允许哪个气体供应系统将气体供应至所述培养元件的所述气室的选择阀系统(107)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台，其中每个所述培养元件(102)包括：
-第一储存器(223)，所述第一储存器(223)用于容纳所述液体形式的培养基，
-第一液体管道(224)，所述第一液体管道(224)用于将所述液体形式的培养基从所述第一储存器引导到相关的所述培养元件的所述培养腔，和
-第二液体管道(225)，所述第二液体管道(225)用于将所述液体形式的培养基引导出所述培养元件的所述培养腔。
6.根据权利要求5所述的细胞培养平台，其中每个所述培养元件包括与相关的所述培养元件的所述第二液体管道连接的第二储存器(226)。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台，其中每个所述培养元件包括：
-第一气体管道(227)，所述第一气体管道用于将气体从所述气体通道引导至相关的所述培养元件的所述气室(221)，和
-第二气体管道(228)，所述第二气体管道用于将气体引导出相关的所述培养元件的所述气室。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台，其中每个所述培养元件的所述气室(221)围绕相关的所述培养元件的所述培养腔(220)，并且在所述气室和所述培养腔之间的壁包括所述气体可渗透材料。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台，其中每个所述培养元件包括在彼此顶部上堆叠的部分(229-231)，使得当截面平面垂直于这些部分在彼此顶部上的方向时，每个所述部分具有恒定的横截面轮廓。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台，其中所述框架结构构成每个所述培养元件的底部。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台，其中所述框架结构和所述培养元件至少部分地由一种或多种透明材料制成，以便能够对正在培养的细胞进行光学检查。
12.根据权利要求11所述的细胞培养平台，其中所述一种或多种透明材料包括以下材料中的一种或多种：聚苯乙烯，具有共聚物的聚苯乙烯，聚氯乙烯，具有共聚物的聚氯乙烯，聚乙烯，聚苯乙烯-丙烯腈，聚丙烯，聚偏二氯乙烯，硅氧烷弹性体。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台，其中所述细胞培养平台还包括用于控制正在培养的细胞的温度的电加热元件(108)。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台，其中所述气体可渗透材料包括聚二甲基硅氧烷。
15.根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台，其中所述培养平台还包括可控阀(109)，所述可控阀(109)用于控制通过所述培养元件的所述气室的气体的流量。
16.根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台，其中所述细胞培养平台还包括回流阻挡物(110)，用于防止环境空气沿与所述气体供应系统供应的气体的流动方向相反的方向流入所述培养元件的所述气室。
17.根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台，其中每个所述培养元件的所述气室的体积是相关的所述培养元件的所述培养腔的体积的0.5至3倍，优选地0.5至3倍。
18.一种细胞培养系统，包括：
-根据权利要求1-3中任一项所述的细胞培养平台(101)，和
-由所述细胞培养平台的所述框架结构机械地支撑的气体供应系统(111)。
19.根据权利要求18所述的细胞培养系统，其中气体供应系统包括用于加压气体的可更换容器(114)。
20.根据权利要求18所述的细胞培养系统，其中气体供应系统包括用于加压气体的可再填充容器，所述可再填充容器包括再填充阀。
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