发明内容
基于上述现有技术的缺陷而做出了本发明。本发明的发明目的在于提供一种新型的动态灌流培养***,该动态灌流培养***在实现体外生物制造类组织结构体的长期体外培养维持的状态下结构简单且能够被小型化。
为了达到上述发明目的,本发明采用以下的技术方案。
本发明提供了一种如下的动态灌流培养***,所述动态灌流培养***形成培养液的闭环的循环回路并且所述动态灌流培养***包括:储液部,所述储液部用于存储在所述循环回路中循环流动的培养液;动力源,所述动力源提供驱动力以使得所述储液部内的培养液在所述循环回路中进行循环流动;以及至少一个灌流槽,来自所述储液部的培养液在所述动力源的驱动力的作用下流入所述至少一个灌流槽内,各所述灌流槽的内部的用于收纳灌流培养组织的收纳腔的尺寸能够根据所述灌流培养组织的尺寸而变化,在所述循环回路中,所述储液部、所述动力源和所述至少一个灌流槽通过管路串联连通。
优选地,各所述灌流槽包括:灌流槽主体,所述灌流槽主体为圆筒形状并形成有在轴向上贯通所述灌流槽主体的空腔;两个活塞部,所述两个活塞部在所述灌流槽主体的轴向上彼此间隔开地安装于所述空腔,使得所述空腔的在所述两个活塞部之间的部分作为用于收纳所述灌流培养组织的收纳腔,并且所述两个活塞部能够在所述空腔内沿着所述轴向滑动,使得所述收纳腔的在所述轴向上的尺寸能够变化;以及两个杆部,一个所述杆部固定于一个所述活塞部并且各所述杆部朝向所述空腔的外侧直线状地延伸,所述管路经由贯通所述杆部和所述活塞部的通路与所述收纳腔连通,所述培养液仅通过所述通路流入流出所述收纳腔。
更优选地,所述活塞部上设置有凹槽,所述凹槽上套有密封圈;所述活塞部与所述灌流培养组织之间放置有多孔钢片。
更优选地,当所述动态灌流培养***包括多个所述灌流槽的情况下,多个所述灌流槽以并联、串联或混联的方式设置于所述循环回路中。
优选地,所述动态灌流培养***还包括:氧气传感装置,所述氧气传感装置以位于所述至少一个灌流槽和所述储液部之间的方式串联在所述循环回路中,所述氧气传感装置用于实时监测所述培养液中的氧气浓度;以及气体交换装置,基于所述氧气传感装置对所述氧气浓度的监测结果所述气体交换装置能够向所述培养液供给预定气体,所述气体交换装置直接与所述储液部双向连通。
更优选地,所述氧气传感装置包括氧气传感器和培养液流经装置,所述培养液流经装置形成有供所述培养液流过的管腔,所述管腔的两端与所述管路连通,所述氧气传感器的探头伸入所述管腔内来实时监测所述氧气浓度。
更优选地,所述氧气传感器装置还包括氧气传感器套件,所述氧气传感器套件安装于所述培养液流经装置并且所述氧气传感器插装于所述氧气传感器套件以使得所述氧气传感器的探头伸入所述管腔内。
更优选地,所述气体交换装置包括至少一个进气装置和至少一个出气装置,所述至少一个进气装置和所述至少一个出气装置分别具有仅允许气体通过的气体交换膜,所述预定气体能够经由所述至少一个进气装置进入所述储液部内的培养液,所述储液部内的多余气体能够经由所述至少一个出气装置排出。
更优选地,所述储液部包括储液部主体、盖部、出液管、回液管、进气管和出气管,所述储液部主体为用于收纳所述培养液的储液瓶,所述储液瓶具有朝向竖直方向上的上方的开口,所述盖部以可拆卸的方式安装于所述储液部主体的开口,所述盖部形成有贯通该盖部且彼此分隔开的四个通孔,所述四个通孔分别用于安装所述出液管、所述回液管、所述进气管和所述出气管,所述出液管的一端伸入所述培养液中并延伸至所述储液部主体的底部,所述出液管的另一端从所述盖部伸出以用于与所述管路连通,所述回液管延伸进入所述储液部主体的内部之后弯折,所述回液管的一端伸入所述储液部主体的内部与所述储液部主体的内壁接触且不伸入所述培养液中,所述回液管的另一端从所述盖部伸出以用于与所述管路连通,所述进气管的一端伸入所述培养液中并延伸至所述储液部主体的底部,所述进气管的另一端从所述盖部伸出以用于与所述气体交换装置的所述进气装置连通,并且所述出气管的一端伸入所述储液部主体的内部且不伸入所述培养液,所述出气管的另一端从所述盖部伸出以用于与所述气体交换装置的所述出气装置连通。
更优选地,所述动态灌流培养***还包括支撑部,所述支撑部包括彼此连接的底座和固定架,所述底座与所述固定架均具有平板形状,所述底座沿着水平方向延伸且所述固定架沿着竖直方向延伸,所述储液部和所述氧气传感装置彼此间隔开地置于所述底座,各所述灌流槽以在竖直方向上具有各自的预定高度且相对于水平方向成各自的预定角度的方式固定于所述固定架。
更优选地,所述固定架形成有在竖直方向上的不同位置和/或水平方向上的不同位置处的多个锚定孔,各所述灌流槽分别设置有一个灌流槽固定座,所述灌流槽固定座包括一个半圆柱形凹槽和有且只有一个锚定部,所述灌流槽放置于所述半圆柱形凹槽内并通过将所述锚定部与所述锚定孔装配能够实现各所述灌流槽以在竖直方向上具有各自的预定高度且相对于水平方向成各自的预定角度的方式固定于所述固定架。
优选地,所述动态灌流培养***还包括连接于所述循环回路中的过滤装置,所述过滤装置用于过滤所述培养液内的杂质。
优选地,所述动力源包括至少两个蠕动泵,所述至少两个蠕动泵能够分别独立产生所述驱动力或者以串联或并联的方式产生所述驱动力。
通过采用上述技术方案,本发明提供了一种新型的动态灌流培养***。该动态灌流培养***为三维动态灌流培养***,该动态灌流培养***通过自身的培养液的闭环的循环回路在实现体外生物制造类组织结构体的长期体外培养维持的状态下结构简单且能够被小型化;该动态灌流培养***为生物制造类组织结构体、尤其是生物3D打印的类组织结构体提供动态流动的培养液,可以实现为水凝胶类组织结构中细胞提供营养供给,同时培养液可以给予细胞适量的流体剪切力,使得实现细胞在生物材料中的塑型和自组装,从而实现了体外生物制造类组织结构体的长期体外培养维持,为类组织结构体自组装血管化和组织器官再造奠定基础。
具体实施方式
以下将参照附图来说明根据本发明的具体实施方式。需要说明的是,在图1中管路7上的箭头表示培养液L在循环回路中的流动方向,而在图1和图2中的带箭头的虚线表示气体的流动方向。
如图1所示,根据本发明的一实施方式的动态灌流培养***形成培养液L的闭环的循环回路。在该循环回路上,动态灌流培养***包括串联连接的储液部1(和气体交换装置2)、动力源3、三个灌流槽4和氧气传感装置5。通过动力源3的驱动力,使得储液部1内的培养液L以储液部1→动力源3→三个灌流槽4→氧气传感装置5→储液部1的顺序进行循环流动,从而对三个灌流槽4内的例如含细胞水凝胶支架W的灌流培养组织进行灌流培养,以实现对该灌流培养组织的长期体外培养维持。以下将结合说明书附图详细地说明组成动态灌流培养***的各组成部分。
在本实施方式中,储液部1是本发明的灌流培养***的循环回路的培养液L的起点和终点,该储液部1用于存储在循环回路中循环流动的培养液L。
如图2所示,该储液部1包括储液部主体11、盖部12、出液管13、回液管14、进气管15和出气管16。
具体地,该储液部主体11为用于收纳培养液L的储液瓶,培养液L并非充满整个储液部主体11而是仅填充储液部主体11的内部空间的一部分,在储液部主体11的内部空间中的在培养液L的液面上方的另一部分填充例如空气等的气体。储液瓶具有朝向竖直方向上的上方的开口,盖部12匹配安装于该开口。
盖部12经由螺纹连接的方式可拆卸地安装于储液部主体11的开口,可以根据需要及时更换储液部1中的培养液L。盖部12用于封住储液部主体11的内部空间以防止异物进入。在盖部12形成有贯通该盖部12的彼此分隔开的四个通孔,这四个通孔分别用于安装出液管13、回液管14、进气管15和出气管16。
出液管13、回液管14、进气管15和出气管16优选地均为金属空心管并分别安装于盖部12的四个通孔中。
出液管13整体沿竖直方向延伸。出液管13的一端伸入培养液L中并延伸至储液部主体11的底部。出液管13的另一端从盖部12伸出用于与循环回路的管路7连接。
回液管14沿竖直方向延伸进入储液部主体11的内部空间之后弯折。回液管14的一端伸入储液部主体11的内部空间但不伸入培养液L中,而是通过回液管14的弯折使其端口与储液部主体11的内壁接触,保证回流的培养液L沿着储液部主体11的内壁流入培养液L而不产生气泡。回液管14的另一端从盖部12伸出用于与循环回路的管路7连接。
进气管15整体沿竖直方向延伸。进气管15的一端伸入培养液L中并延伸至储液部主体11的底部。进气管15的另一端从盖部12伸出用于与气体交换装置2的进气装置21连接。
出气管16整体沿竖直方向延伸。出气管16的一端伸入储液部主体11的内部空间,但是不伸入培养液L中。出气管16的另一端从盖部12伸出用于与气体交换装置2的出气装置22连接。
在本实施方式中,气体交换装置2基于氧气传感器51对预定参数的监测结果能够向储液部1内的培养液L供给预定气体,例如可以根据培养液L内溶氧浓度的监测结果进行氧气的供给,气体交换装置2通过储液部1的进气管15和出气管16直接与储液部1双向连通。
如图2所示,气体交换装置2包括一个进气装置21和一个出气装置22。进气装置21和出气装置22分别具有仅允许气体通过的气体交换膜(未示出),气体交换膜能够防止其它液体和例如细菌、真菌、颗粒污染物等的异物进入培养液L。这样,预定气体能够经由进气装置21和进气管15进入储液部1的培养液L,在预定气体进入储液部1的情况下储液部1内多余的气体能够经由出气装置22和出气管16排出。
在本实施方式中,在以储液部1为起点的循环回路中,在培养液L的流动方向上,动力源3位于储液部1的下游侧。动力源3能够提供驱动力以使得储液部1内的培养液L在闭环的循环回路中进行循环流动。
如图1所示,动力源3包括两个并排配置的蠕动泵31,两个蠕动泵31能够分别独立产生驱动力或者以串联或并联的方式产生驱动力。通过电源控制部32来控制对蠕动泵31的电力供给;通过泵开关部33控制单个蠕动泵31的开启和关闭;通过控制部34可以设置蠕动泵31的转动方向、速度,从而根据需要从动力源3获得驱动力。
在图1中示出了仅一个蠕动泵31产生驱动力的模式,其中仅通过左侧的蠕动泵31获得驱动力。
在本实施方式中,在以储液部1为起点的循环回路中,在培养液L的流动方向上,三个灌流槽4彼此串联地位于动力源3的下游侧。来自储液部1的培养液L在动力源3的驱动力的作用下顺次流经三个灌流槽4。
各灌流槽4具有相同的结构,如图1和图3所示,一个灌流槽4包括灌流槽固定座41、锚定部42、灌流槽主体43、两个活塞部44和两个多孔钢片45。
如图4所示,灌流槽固定座41为用于支撑灌流槽4的其它组件的框架。
灌流槽固定座41设置有一个与灌流槽主体43的一部分相匹配的半圆柱形凹槽411,用于放置和夹住灌流槽主体43;另外灌流槽固定座41设置有仅一个锚定部42,该锚定部42用于将灌流槽固定座41锚定于支撑部6的下述固定架62的不同位置(锚定孔621)。
灌流槽主体43由透明耐高温玻璃制成并安装于灌流槽固定座41,该灌流槽主体43具有圆筒形状并形成有在轴向上贯通灌流槽主体43的空腔S,该空腔S具有圆柱形状。
两个活塞部44均具有圆筒状,并且两个活塞部44在灌流槽主体43的轴向上彼此间隔开地安装于空腔S并且能够在空腔S内沿着轴向滑动,以使得空腔S的在两个活塞部44之间的部分作为用于收纳灌流培养组织的收纳腔。由于两个活塞部44在空腔S内能够滑动,使得上述收纳腔的尺寸可调,也就是使得收纳腔的尺寸能够根据灌流培养组织的尺寸而变化。两个活塞部44的结构相同,各活塞部44均包括与空腔S的截面尺寸匹配的夹塞441以及嵌入活塞部44颈部凹槽的密封圈442,夹塞441均与杆部443连接。当活塞部安装于空腔S的情况下,主要通过密封圈442实现活塞部44与灌流槽主体43之间的密封。一个杆部443与一个夹塞442固定连接在一起、优选地形成为一体,并且一对杆部443和夹塞442形成有贯通该对杆部443和夹塞442的通路(未示出),该通路将上述收纳腔与灌流槽的外部导通。
各多孔钢片45分别位于一个活塞部44与含细胞水凝胶支架W之间,用于保证培养液L均匀分散的同时保持含细胞水凝胶类组织结构的完整性,防止含细胞水凝胶类组织变形碎裂。
灌流培养***的循环回路的管路7经由上述通路与上述收纳腔连通,培养液L仅通过通路流入流出收纳腔。
在本实施方式中,在以储液部1为起点的循环回路中,在培养液L的流动方向上,氧气传感装置5位于三个灌流槽4的下游侧,而流经氧气传感装置5的培养液L返回到储液部1而完成一个循环。氧气传感装置5串联在循环回路中并且用于实时监测培养液L中的例如氧气浓度等的预定参数。
如图1所示,氧气传感装置5包括氧气传感器51、氧气传感器套件52和培养液流经装置53,培养液流经装置53形成有供培养液L流过的管腔,管腔的两端与灌流培养***的循环回路的管路7连通,氧气传感器51安装于氧气传感器套件52使得氧气传感器51的探头伸入管腔内来实时监测氧气浓度。
氧气传感器51可以是根据需要选择现有技术的任意适当的氧气传感器。该氧气传感器51经由转换器与例如计算机等的监视设备连接,因此可以自动地实时监测氧气浓度。
氧气传感器套件52为固定氧气传感器51的装置。氧气传感器51***氧气传感器套件52中并通过螺纹连接固定,使得氧气传感器51的探头伸入氧气传感器套件52的底部以接触流经培养液流经装置53的培养液L。
培养液流经装置53为金属装置且内置管腔以允许培养液L流过,培养液流经装置53的管腔的两端连接灌流培养***的循环回路的管路7,与所述管路7连接处的管腔表面设有一圈凹槽,所述凹槽内置有密封圈,保证管路的密封连接,氧气传感器套件52可以经由螺纹连接固定于培养液流经装置53。
在本实施方式中,支撑部6用作灌流培养***的除了动力源3以外的组成部件的工作平台。如图1所示,该支撑部6由金属制成并且包括彼此连接的底座61和固定架62。
底座61具有沿着水平方向延伸的平板形状,该底座61用于安置(优选地固定)储液部1(气体交换装置2)和氧气传感装置5,使得储液部1(气体交换装置2)和氧气传感装置5彼此间隔开地固定。
固定架62具有沿着竖直方向延伸或与底座61成一定角度向上延伸的平板形状,该固定架62以阵列的方式设置有大量的椭圆形的锚定孔621,使得多个锚定孔621位于竖直方向和水平方向上的不同位置,各灌流槽4的锚定部42与该锚定孔621配合固定。由于各灌流槽4的锚定点(锚定部42)只有一个,使得各灌流槽4可以实现以在竖直方向上具有预定高度且相对于水平方向成预定角度的方式固定于固定架62,进而实现包括灌流槽4的竖直位置和水平位置以及培养液L流经的先后顺序、培养液L流经方向和角度的适应性设置,避免了灌流槽4的内腔产生气泡,实现了培养液L的灌流方向的控制。另外,在本实施方式中,在灌流培养***的循环回路中用于连接各组成部件的管路7采用乳胶管。
以上的具体实施方式对本发明的技术方案进行了详细地阐述,但是还需要说明的是:
1.为了便于将本发明的动态管理培养***模块化以及小型化,可以将动态灌流培养***中的储液部1(气体交换装置2)、灌流槽4、氧气传感装置5、支撑部6和循环回路的部分管路7(图1中左侧的虚线方框内的部分)放置于细胞培养箱,而将动力源3和循环回路的另一部分管路7(图1中右侧的虚线方框内的部分)放置于细胞培养箱外。
2.虽然在以上的具体实施方式中说明了三个灌流槽4采用串联的方式配置,但是本发明不限于此。多个灌流槽4可以采用并联、串联或混联的方式设置于循环回路中,其中混联为包括同时采用并联和串联的联接方式。
3.虽然在以上的具体实施方式中没有说明,但是本发明的动态灌流培养***的循环回路中还可以包括可拆装的用于对培养液L进行过滤的过滤装置。该过滤装置可以内置微孔滤膜,以排除细胞碎片和杂质。在循环回路中,该过滤装置优选地位于氧气传感装置5和储液部1之间。
4.通过采用上述的技术方案,本发明提供了一种新型的动态灌流培养***,该***结构简单、容易操作且成本较低,可以实现广大科研高校和院所的广泛应用,具有非常好的实用性,特别适用于含细胞水凝胶支架W的动态灌流培养。不仅如此,本发明的新型的动态灌流培养***还具有如下的有益效果:
(1)储液部1的培养液L在循环回路中循环流动,使得培养液L在一定流速的灌流速率条件下不会造成大量浪费,能够适应灌注压力和流体剪切力的需要,尤其适用具有格栅状结构或预血管化结构的含细胞水凝胶模型。
(2)关于气体交换装置2的功能,举例说明,如果在连续培养数天以后,整个循环回路内的氧浓度偏低,可以通过进气装置21和进气管15将加压的氧气或者空气输送到培养液L中,提高培养液L中的溶解氧浓度,多余气体则从出气管16和出气装置22排出。而如果培养液L偏碱,则可以通过进气装置21和进气管15将加压的二氧化碳输送到培养液L中,提高培养液L中碳酸含量,降低培养液L的碱性,多余气体从出气管16和出气装置22排出。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地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,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。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。