生物细胞培植系统的制作方法

专利名称：生物细胞培植系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及细胞培植领域，尤其是指一种用作培植动物细胞 的生物细胞培植系统。
背景技术：
生物科技以及生物医疗科学于当今科技发展中日受重视，而众多 科研活动中，培植动物细胞，尤其用于人体的细胞(如干细胞)更是 最受关注的项目之一。无论是研究细胞行为、使用细胞本身或使用细 胞活动的副产品，都是需要有兼具质量、数量和效率的细胞供应所支持。
现今全球有愈来愈多的组织投身于细胞栽培，当中有大学、政府 机构及为数不少的私有企业，市面的培植系统都不可以给胞同时提供 充足氧气供应及低剪力的培植条件，而声称可以同时提供以上两条件 的培植系统，则因其功能不足的电子、软件及机械设计而减低了系统 的效率及在应用上受到限制。
故，氧气供应、移除废除及低剪力的环境是培植细胞的有利条件； 市面上有若干细胞培植系统应用不同的方法以改善培植效率，例如于 培植的过程中搅拌培植媒体或向之灌气，这些方法虽然可以提高培植 媒体的含氧量及使细胞悬浮，但却会于培植媒体中产生湍流，撕裂细 胞聚落(cell aggregates )甚至破坏细胞本身，这一类培植系统只 适用于培植植物、细菌和真菌等等较强壮的细胞。
另夕卜，供动物细胞使用的培植系统的市场沿于起步阶段，市面上 亦有一些细胞培植系统利用包含透气物料的生物反应器及垂直旋转， 以制造低剪力(shear force)的悬浮环境，及使培植媒体透过透气物料和外部进行气体交换；外部的氧气会补充培植媒体中被细胞消耗 的氧气，而细胞产生的二氧化碳则会以反方向从培植媒体流向外部的 空气。此类系统常见即为现今市场上的用完即弃式生物反应器及操作 系统，其是用回转的技术来产生悬浮以培植在容器内的细胞，但这类
系统存在以下缺点和不足之处，使其可用性受到限制
其一、操作程序复杂，在使用时需要定期更换培植々某体，需要更 多繁复和低可操作性的维护工作，如需要打开两个阅门和使用非标准 设备(指塑胶喉管连接无针头的注射器及存取口 ，即经改装的针筒) 进行更换培养媒体，这些不足之处除会降低效率，更会增加培植媒体 被细菌和真菌等等污染的机会。
其二、因存取口的直径偏小，限制了可进出容器的物体大小，例 如外植物(explant)或完成培植的组织。
其三、 一般系由外部空气泵或辅助空气交换的结构来向透气部分 来注入新鲜空气，如此会使得透气部分的扩散速度低。
其四、目前市场上的旋转器是使用简单的模拟电路系统，只提供 简单的控制和速度显示，而无法及时反馈过程，给操作者带来困扰。
再者，相关现有技术还可参阅中国专利CN1271198C、CN1288235C， 以及美国专利US5， 437, 998、US5， 665, 594、US5， 702, 941、US5， 763， 279 等所揭示之专利文献。鉴于上述各资料，现时市面上的生物细胞培植 系统都未能同时提供高含氧、低剪力及使用简易培植系统，以致在功 能和使用上都受到若干限制，是故本发明人有需要开发一同时提供前 述三点有利条件及能克服市面系统的限制的细胞培植系统实属必要。

实用新型内容
本实用新型针对上述现有技术所存在之缺陷，主要目的在于提供 一种提供结构简单、操作方便之生物细胞培植系统。 为实现上述之目的，本实用新型采取如下技术方案
一种生物细胞培植系统，包括一生物反应器以及一将该生物反应 器固定且提供旋转动力的旋转系统，该旋转系统包括
一控制器，其包括有一预先编入转速转变程序的控制单元和一人 机介面，该人机介面可使用者获得系统的运作讯息和并执行用者发出
的指令；该人机介面由显示器及控制面板构成，该显示器、控制面板 分别与控制单元电性连接；以及
一旋转器，其包括至少一马达和一监测马达转速的探测器，该马 达、探测器分别与上述控制单元电性连接；其中当探测器探测到马达 的实际转速与设定转速不符时，便会于上述控制器的人机介面的显示 器上显示警示模式，以提醒用者采取措施。
所述的探测器为光耦合及光栅圓盘。
所述的控制器内置有用于监测旋转器上马达操作时间的计时装置。
所述生物反应器包括 一具有横向轴线的开放容器，其具有一供 存入或提取细胞用的存取口 ，该存取口由至少一块可多次刺穿并又能 自动闭合针孔的隔板和一上盖依次密封； 一透气件，该透气件设置于 上述开放容器的开口处，并与上述隔板形成一个以开放容器为主的密 闭空间；以及一底座，上述透气件固定在该底座上；该底座设有复数 个使若干面积的透气件暴露于空气中的开口 ，且在该底座上向外的一 面设有与上述旋转系统配接的连接结构。
所述底座上向外 一 面还突设有复数个离心扇叶。
所述上盖顶端设有一支架，该支架中央设有一开口。
所述隔板为矽加铁弗龙粘接而成的圓碟状薄片。
所述存取口的内直径为15mm至25mm。
所述连接结构为六角型的带扣插座。
所述透气件与底座之间由0型环固定。
本实用新型所具备操作方便之形成表现如下
1、 由显示器及控制面板构成的人机介面之控制器，可提供相应 旋转器速度调整和文字显示。
2、 利用先编入转速转变程序的控制单元产生速度过渡模式可用 作开启及停止马达的运作，这样便可减少因突然变速而形成的湍流。
3、 闭环速度控制，其中由探测器探测到马达速度不正常时进行
反馈，便可透过显示器作出警告。
4、 进一步利用控制器内置的计时装置来计算马达在进行研究及 管理时的运作时间。
5、 所配合之生物反应器在存取口中使用隔板和上盖，容许用者 使用标准皮下注射器来更换培养媒体，减少改装针筒和消毒的准备工 作。另一方面，其容器的底座配置离心风扇，用以增加容器附近的通 风，从而提高空气透过透气件的透气率。


图l是本实用新型之生物反应器的立体外观示意图2是本实用新型之生物反应器的另一视角之立体外观示意图3是本实用新型之生物反应器的剖视结构示意图4是本实用新型之旋转系统的结构示意图5是本实用新型之旋转系统的速度转变模式的曲线示意图6是本实用新型之旋转系统的简易电路框图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施方式
对本实用新型作进一步描述。 请参阅图1至图6所示， 一种生物细胞培植装置，包括一生物反应
器1和一旋转系统2，其中
如图1至图3所示，生物反应器l是供被培植细胞生长及增殖之器
械；其由无毒性及生物惰性的物料制成，以确保不会于培植过程间毒
害或被培植的细胞或与之产生不可欲的反应，该物料需要能够抵受消
毒程序，同咖玛射线照和酒精涂抹以至浸泡等等；该生物反应器是包 括一具有横向轴线的扁平开放容器ll、 一透气件12和一底座13，其各 构件最好有 一 大体上的水平方向的纵向轴线。当容器11沿水平轴旋转 时，培养媒体亦会跟随旋转，并悬浮当中的细胞，如旋转速度合适， 细胞可达到力走转4义悬浮(Clinostat suspension)状态。
容器11的轮廓被设计成旋转时产生最少湍流的形态，此一低剪力 的悬浮状可模拟细胞于主体生长环境，容许细胞三维增长(3D cell multiplication),生长成立体纟田月包团(eel 1 aggregate );其夕卜壁上 最少有一部分透明，以让用者可透过此一透明部分观察细胞培植情 况；该容器具有一供存入或提取本生物反应器的容物之用的存取口 11a以及一安装透气件12的开口 ，该存取口lla由至少一块可被皮下注 射器重复刺穿及自动闭合针孔的隔板llb和一上盖llc所密封；该隔板 llb是可选用矽及铁弗龙(Teflon)粘接而成的圆^乘状溥片，该上盖 llc与存取口 lla之间设有互相配合的螺旋紋，以让旋下该上盖llc时 产生压力压紧隔板l 1 b，以达到密封该存取口 11 a之效用；在该上盖11 c 的顶端设有一支架lld,以控制皮下注射器侵入深度，保护上盖llc 下方的透气组件。该支架lld的中央设有一个只足够皮下注射器金属 针部分通过的开口。上述存取口lla的内直径为15mm至25mm，让用者 可以最下隔板l 1 b和上盖11 c从容器11直接装载或倒出物质，如细胞和 细胞培养液等；因此这一容器l l装卸方法可用于同 一时间内处理较大 体积或较多数量的物质，通常于设置或完结培植过程时使用。
进行培植时，细胞会消耗培养液中的氧气和养份，同时产生二氧 化碳和代谢废物。为保持可供细胞生长的环境，用者需要及时替换容 器lla中的旧培养液；于该容器lla中，用者可于前述存取口 lla用一 般皮下注射器经过上盖llc刺穿隔板llb,注入新鲜的培养液，并以同 一方法抽出容器lla的旧培养液；于其一最佳实施例，本生物反应器
有两个容器ll，每一容器ll具有一存取口lla,用者可同时分别于两 个存取口 11 a注入和抽出培养液，以保持反应器内部与环境的压力平衡。
以前述隔板l 1 b密封存取口 1 la是可容许简易及洁净的维护操作， 该隔板llb之优点如下第一、在使用期限内，隔板llb会自动闭合被 皮下注射器刺穿的针孔，该自动闭合的针孔能达到一定程度的密封及 防止细菌穿过。第二、不涉及手部与存取口lla的直接接触，如旋扭 封盖、开关阀门等动作以减少不便的操作和更减低培植物及人交差感 染的风险。第三、容许使用一般的皮下注射器， 一般于市场发售的皮 下注射器已被消毒，因此可节省自行消毒等准备工作。第四、皮下注 射器处容许简便、精确地从容器中存最特定数量的物质，如培养液、 药物和细胞等。
前述的透气件12是提供气体交换的通道及封闭上述容器lla的开 口，防止培养物溢出容器；该透气件12可以是一块薄膜或一块硬板， 需要具有透气性让培养物和环境进行气体交换。该透气件12^皮放置于 前述容器ll的开口处，其中一表面会直接接触培养物，另一表面则会 暴露于空气中，并被前述底座13所固定。在其一最佳实施例，该透气 件12是一块矽加铁弗龙的薄膜；并且该透气件12被底座13和一0型环 14固定于前述容器11的开口处，以与前述容器ll中的隔板llb形成一 个以容器ll为主的密闭空间。该透气件12因其透气性，气体会随相应 的浓度坡度流动，如进行培植时细胞消耗氧气、制造二气化碳，氧气 从空气流向培养媒体，二氧化碳则与之相反，此一气体交换可保持培 养物合适细胞生长。
前述底座13设置有复数个透气开口 13a ，使若干面积的透气件12 暴露于空气；由于浓度坡度的作用，被培植物释出的二氧化碳会从培 养液渗透过透气件12向环境的空气扩散。同时空气中的氧气亦会因浓 度坡度的作用透过透气件12向培养液渗透，补充^皮培植物的氧气。该
底座1 3上向外的 一面设有一用以将本生物反应器1固定到旋转系统2
的旋转器上的连接结构13b,在其一最佳实施例，此一连接结构为一 六角型的带扣插座。当然，在该底座13上向外的一面亦突设有若干数 目的离心扇叶13c,当本发生反应器1被装上旋转系统2的旋转器时， 离心扇叶13c会带动本生物反应器l周边的空气抽向旋转中心，亦即是 底座13的中央部分，此一气流，可增加透过透气件12的氧气及二氧化 碳交换速度，进而维持培养液和外间的氧气和二氧化碳的浓度坡度， 以增加气体交换量。离心扇叶13c的高度、长度及数目可因应被培植 细胞的特性有所调整。
再如图4至图6所示，旋转系统2可产生一低湍流的微重力环境， 其包括两部分，分别为控制器21和旋转器22。该旋转系统的主要功能 是根据用者的指令操作被安装于旋转器22上的生物反应器1。在正确 操作下，旋转系统会以特定速度转动生物反应器l,使被生物反应器l 装载的培养液和细胞进入低剪力的悬浮状态，亦即是回转器悬浮状态 (Clinostat suspension )。 jt匕5显禾口6勺才莫4以樣史重力环境(Microgravity environment)使细胞增殖不会被地心吸力所支配，因而容许细胞形
成更近似母体组织的立体细胞团。同一时间亦减少湍;;i，以免湍流造
成的剪力破坏细胞，提高培植产量。前述控制器21包括一控制单元21 a 和一人机介面，让用者获得系统的运作讯息和并执行用者发出的指 令。该人机介面由显示单元21b及控制面板21c构成，该显示单元21b、 控制面板21c分别与控制单元21a电连接，进一步，在该控制单元21a 上还电连接一警示效果的^^鸣器21d;上述显示单元21b可供用者获得 系统状态的资讯，如转速及运作时间等等；同时用者亦可透过控制面 板21 c控制整个系统的运作。
上述控制器21的控制单元21a中会被预先编入一转速转变程序 (预先设定的旋转模式，如软动动/停止，软件控制调速...)，当用 者进行突然的速度转变，如暂停高速运转的旋转器时，控制器21的控
制单元21a会自动加入一段平緩的速度转变期(见图5中A线所示)， 以代替会产生湍流的急剧速度变化(见图5中B线所示)，故此一速度 转变模式的曲线除根据初速与终速的差异外，亦根据培养液的粘结 度、细胞的密度得因素而有所调节。
再如图6，本旋转系统2是一闭环系统，当中包括一用以监察旋转 器22中各马达22a的速度探测器22b，该马达22a、探测器22b分别与上 述控制单元21a电性连接，当速度探测器22b探测到马达22a的实际转 速与设定转速不符时，旋转系统便会于控制器21的人机介面21a上显 示警示字句，提醒用者采取措施。在其一最佳实施例，探测器22b是 一光耦合及光栅圆盘。而控制器21内置有独立运行的计时装置，用以 记录每一马达的运转时间，亦即等如各个于旋转器22上才喿作的生物反 应器l的培植时间，计时装置记录亦会显示于控制器21的人机介面21a 上，供使用者进行科学研究及计量管理。当然，于基本配置上， 一台 控制器21控制二台旋转器22,每一个旋转器22带有两个独立的马达 22a，亦即是一台控制器21可分别操作四个生物反应器，本系统可以 因应需求扩充可控制旋转器22的数量，在此不加予限制。
本实用新型设计重点在于通过独特的开放容器闭合与透气件、底 座之间结合构成的生物反应器，培植时可实现高含氧、低剪力、使用 简易之目的，进而多方面改善细胞培植的效率、质量和节省成本，如 有效地防菌设施可确保培植的品质、筒单的操作可减省人手及培植物 被污染的风险等等。
以上所述，仅是本实用新型生物细胞培植装置的较佳实施例而 已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故凡是依据本实用新 型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰， 均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求1、一种生物细胞培植系统，包括一生物反应器以及一将该生物反应器固定且提供旋转动力的旋转系统，其特征在于:该旋转系统包括:一控制器，其包括有一预先编入转速转变程序的控制单元和一人机介面，该人机介面可使用者获得系统的运作讯息和并执行用者发出的指令；该人机介面由显示器及控制面板构成，该显示器、控制面板分别与控制单元电性连接；以及一旋转器，其包括至少一马达和一监测马达转速的探测器，该马达、探测器分别与上述控制单元电性连接；其中当探测器探测到马达的实际转速与设定转速不符时，便会于上述控制器的人机介面的显示器上显示警示模式，以提醒用者采取措施。
2、 根据权利要求1所述的生物细胞培植系统，其特征在于所 述的探测器为光耦合及光栅圆盘。
3、 根据权利要求1所述的生物细胞培植系统，其特征在于所 迷的控制器内置有用于监测旋转器上马达操作时间的计时装置。
4、 根据权利要求1所述的生物细胞培植系统，其特征在于所 述生物反应器包括一具有橫向轴线的开放容器，其具有一供存入或提取细胞用的存 取口 ，该存取口由至少一块可多次刺穿并又能自动闭合针孔的隔板和 一上盖依次密封；一透气件，该透气件设置于上述开放容器的开口处，并与上述隔 板形成一个以开放容器为主的密闭空间；以及一底座，上述透气件固定在该底座上；该底座设有复数个使若干 面积的透气件暴露于空气中的开口，且在该底座上向外的一面设有与 上述旋转系统配接的连接结构。
5、 根据权利要求4所述的生物细胞培植装置，其特征在于所 述底座上向外 一 面还突设有复数个离心扇叶。
6、 根据权利要求5所述的生物细胞培植装置，其特征在于所 述上盖顶端设有一支架，该支架中央设有一开口。
7、 根据权利要求5所述的生物细胞培植装置，其特征在于所 述隔板为矽加铁弗龙粘接而成的圓碟状薄片。
8、 根据权利要求5所述的生物细胞培植装置，其特征在于所 述存耳又口的内直径为15mm至2 5mm。
9、 根据权利要求5所述的生物细胞培植装置，其特征在于所 述连接结构为六角型的带扣插座。
10、 根据权利要求5所述的生物细胞培植装置，其特征在于所 述透气件与底座之间由0型环固定。
专利摘要本实用新型涉及一种生物细胞培植系统，包括一生物反应器以及一旋转系统，该旋转系统包括一控制器和一旋转器，该控制器包括有一预先编入转速转变程序的控制单元和一人机介面，该人机介面由显示器及控制面板构成，该显示器、控制面板分别与控制单元电性连接；该旋转器包括至少一马达和一监测马达转速的探测器，该马达、探测器分别与上述控制单元电性连接；其中当探测器探测到马达的实际转速与设定转速不符时，便会于上述控制器的人机介面的显示器上显示警示模式，以提醒用者采取措施。如此结构简化、操作方便，且又可减少因突然变速而形成的湍流，进而多方面改善细胞培植的效率、质量和节省成本。
文档编号C12M1/10GK201206147SQ2008200064
公开日2009年3月11日 申请日期2008年3月7日 优先权日2008年3月7日
发明者莫建邻, 莫经伦 申请人:医健有限公司