一种仿生肺泡培养方法及培养装置与流程

本发明涉及一种仿生肺泡培养方法及培养装置。

背景技术：

机械通气作为挽救肺部损伤疾病引起的呼吸困难的干预措施，目前在临床上可分为有创机械通气和无创机械通气。而有创机械通气在治疗一些疾病同时也会引起不良效果，其中发现有创机械通气是入住急性呼吸衰竭重症监护病房（icu）的copd患者死亡的独立危险因素。研究表明，导致这一结果的主要原因是创伤性的机械通气产生的潮气量通过形成一定的机械力作用于肺泡并引起肺损伤。

肺泡是由单层上皮细胞构成的囊泡，位于肺细支气管末端膨大的囊泡四周。作为肺的基本通气单位，其生物力学行为在哺乳动物的呼吸生理中起着重要作用。肺泡占肺容积的70％以上，在吸气过程中肺泡经实质内应力的拉伸扩张以适应吸入的空气，呼气过程中通过肺泡外环境压力变化及自身弹性反冲力将气体排出肺。在这样的通气周期中，肺泡经历动态应力状态变化对更好的了解肺呼吸功能、气体交换、肺部稳定性以及机械通气对肺泡损伤作用机制有着至关重要的作用，需要对肺泡在呼吸周期中诸如由肺泡收缩与扩张引起的肺泡大小和形状的变化、肺泡拉伸程度以及新征肺泡数量的变化等关键决定因素进行研究。

对此，授权公告号为cn104316661b的中国发明专利公开了一种用于生物毒性检测的肺组织模型及生物毒性检测方法，肺组织模型包括气管、血管和肺泡单元，气管两端设有进气口和出气口；血管两端设有进液口和出液口；肺泡单元为空心球体结构，具有腔室，肺泡单元的壁为弹性透气多孔膜，肺泡单元设在血液通道内且腔室与气体通道连通，肺泡单元可以随气体通道中气体压力的变化而膨胀或收缩，腔室内的气体可以与血液通道内气体进行气体交换，实现了模拟体内肺部血液的气体交换功能。同时，通过在肺泡单元部分种植细胞，实现体内肺泡的结构和功能的仿生。

上述肺组织模型的最终实现形式是由基底层、血管层、气管层以及封盖层构成的芯片，血管、气管以及肺泡单元夹设在其中，上述肺泡单元即为细胞生长膜，实验时在细胞生长膜内种植细胞形成仿生肺泡。但是在实际应用时，由于重力作用的存在，细胞通常是集中生长在细胞生长膜的底部，细胞生长不均匀，无法模拟最真实的肺泡囊泡样三维细胞结构，进而会影响到后续实验结果的准确性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种细胞在细胞生长膜上生长比较均匀且形成由细胞链接组成的囊泡样膜结构的仿生肺泡培养方法；本发明的目的还在于提供一种实施上述仿生肺泡培养方法的仿生肺泡培养装置。

为实现上述目的，本发明中的仿生肺泡培养方法采用如下技术方案：

一种仿生肺泡培养方法，将固定有细胞生长膜、细胞生长膜内加入有细胞悬液、细胞生长膜外围设置有细胞培养液的培养器，以设定的顺序保持立式姿态和圆周方向上多角度的卧式姿态，使细胞均匀地接种在细胞生长膜的球体内壁上。

上述技术方案的有益效果在于：由于培养器以设定的顺序保持立式姿态和圆周方向上多角度的卧式姿态，因此即使有重力因素的影响，细胞可以集中生长在不同的位置，相比现有技术来说，会更加均匀，形成立体分布的细胞间链接方式，实现由细胞链接组成的囊泡样膜结构，能够模拟更真实的肺泡囊泡样三维结构，提高后续实验结果的准确性。

进一步的，为了使细胞生长更均匀、生长的更好，在培养器由立式姿态切换至卧式姿态、由卧式姿态切换至立式姿态、或者在多角度卧式姿态切换的过程中，更换细胞生长膜内的细胞悬液和/或更换培养器内的细胞培养液。

为实现上述目的，本发明中实施上述仿生肺泡培养方法的仿生肺泡培养装置采用如下技术方案：

仿生肺泡培养装置，包括：

培养器，具有容纳腔；

细胞生长膜，设置在培养器的容纳腔内，细胞生长膜和容纳腔的腔壁之间形成有用于容纳细胞培养液的容纳空间，细胞生长膜包括球体以及与球体连通的管体，球体用于容纳细胞悬液，管体用于与培养器固定密封连接；

第一封堵件，用于封堵管体的管口，以避免细胞悬液流出；

其中，定义培养器立放时管体上下延伸、球体位于管体下方，培养器底部设置有便于培养器立放的立放结构，培养器还具有至少三个便于培养器平放的平放侧面，立放结构和平放侧面结合，使培养器处于立式姿态和圆周方向上多角度的卧式姿态，以使细胞均匀地接种在球体内壁上；或者，

定义培养器立放时管体上下延伸、球体位于管体下方，培养器底部设置有立放结构，立放结构用于使培养器保持立式姿态，仿生肺泡培养装置还包括支架，支架用于设置在卧式姿态的培养器下方、对培养器进行支撑，并使培养器能够在圆周方向上多角度的卧式姿态之间进行切换；或者，

定义培养器立放时管体上下延伸、球体位于管体下方，仿生肺泡培养装置还包括支架，支架用于设置在培养器下方、对培养器进行支撑，并使培养器能够在立式姿态和圆周方向上多角度的卧式姿态之间进行切换。

上述技术方案的有益效果在于：培养器的容纳腔方便安装固定细胞生长膜，细胞生长膜和容纳腔的腔壁之间的空间方便容纳细胞培养液，给细胞生长提供营养环境；细胞生长膜的球体方便容纳细胞悬液，使细胞接种在球体内壁上；细胞生长膜的管体方便与培养器固定密封连接，第一封堵件可以封堵管体的管口，以避免细胞悬液流出。同时，培养器底部设置有立放结构，便于培养器立放，培养器还具有至少三个平放侧面，便于培养器平放，这样将立放结构和平放侧面结合，就可以使培养器处于立式姿态和圆周方向上多角度的卧式姿态，即使有重力因素的影响，细胞可以集中生长在不同的位置，相比现有技术来说，会更加均匀，形成立体分布的细胞间链接方式，实现由细胞链接组成的囊泡样膜结构，能够模拟更真实的肺泡囊泡样三维结构，提高后续实验结果的准确性。

另外，作为并列技术方案之一，培养器底部设置有立放结构，并且仿生肺泡培养装置还包括支架，支架用于设置在卧式姿态的培养器下方、对培养器进行支撑，并使培养器能够在圆周方向上多角度的卧式姿态之间进行切换，这样培养器底部的立放结构和支架相结合，使培养器处于立式姿态和圆周方向上多角度的卧式姿态，同样即使有重力因素的影响，细胞也可以集中生长在不同的位置，相比现有技术更加均匀。

此外，作为并列技术方案之二，仿生肺泡培养装置还包括支架，支架用于设置在培养器下方、对培养器进行支撑，并使培养器能够在立式姿态和圆周方向上多角度的卧式姿态之间进行切换，同样即使有重力因素的影响，细胞也可以集中生长在不同的位置，相比现有技术更加均匀。

进一步的，为了方便培养器的制造，培养器包括壳体和固定在壳体上的培养瓶，所述容纳腔由培养瓶的内腔构成。

进一步的，为了方便加入细胞培养液，培养瓶底部设置有与培养瓶内腔连通的连通管，连通管穿出壳体且在穿出端上连接有第二封堵件，第二封堵件用于封堵连通管的管口。

进一步的，为了在培养器平置时就可以加入细胞培养液，方便加液操作，连通管呈l形，连通管包括竖直部分和水平部分，竖直部分穿出壳体，第二封堵件连接在水平部分上。

进一步的，为了利于细胞的生长，并节省细胞培养液，培养瓶的形状与细胞生长膜的形状相适配。

进一步的，为了方便管体和培养器的固定连接，培养瓶的瓶口突出于壳体，所述管体的端部外翻并套设固定在培养瓶的瓶口上。

进一步的，为了方便第一封堵件的配置和安装，所述第一封堵件为与培养瓶的瓶口螺纹连接的第一封堵盖。

进一步的，为了方便第一封堵件的配置和安装，培养瓶的瓶口突出于壳体，所述第一封堵件为与培养瓶的瓶口螺纹连接的第一封堵盖。

附图说明

图1为本发明中仿生肺泡培养装置的实施例1的主视结构示意图；

图2为本发明中仿生肺泡培养装置的实施例1在使用时的状态图（立式姿态）；

图3为本发明中仿生肺泡培养装置的实施例1在使用时的状态图（卧式姿态）；

图4为本发明中仿生肺泡培养装置的实施例2的立体结构示意图；

图5为本发明中仿生肺泡培养装置的实施例2的俯视结构示意图；

图6为本发明中仿生肺泡培养装置的实施例3的俯视结构示意图；

图7为本发明中仿生肺泡培养装置的实施例4的立体结构示意图；

图8为本发明中仿生肺泡培养装置的实施例5的立体结构示意图；

图9为本发明中仿生肺泡培养装置的实施例6的立体结构示意图；

图10为本发明中仿生肺泡培养装置的实施例7中第一封堵盖的立体结构示意图。

图中：1-壳体；2-培养瓶；21-球形部分；22-管形部分；23-连通管；3-第一封堵盖；30-第一封堵盖；31-透气膜；32-连接柱；4-细胞生长膜；41-球体；42-管体；5-支腿；6-第二封堵盖；7-细胞培养液；8-细胞悬液；9-支架；90-支架；10-壳体；100-壳体；1000-壳体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明中仿生肺泡培养装置的实施例1如图1所示，包括培养器，培养器由壳体1和固定在壳体1上的培养瓶2组成，其中壳体1内具有空腔，培养瓶2的大部分位于壳体1内部，顶端位于壳体1外部，使得培养瓶2的瓶口突出于壳体1。培养瓶2与壳体1之间可以是粘接固定，也可以在培养瓶上成型出外螺纹结构，以与壳体1螺纹连接。

培养瓶2的内腔构成容纳腔，仿生肺泡培养装置还包括设置在容纳腔内的细胞生长膜4，细胞生长膜4为弹性透气膜，包括中空的球体41以及与球体41连通的管体42，球体41用于容纳细胞悬液8，如图2和图3所示。

培养瓶2的形状与细胞生长膜4的形状相适配，也即培养瓶2是由球形部分21和与球形部分21连通的管形部分22构成，细胞生长膜的球体41位于球形部分21内，管体42位于管形部分22内。细胞生长膜4和培养瓶2之间具有适当的间距，以使细胞生长膜4和培养瓶2的内壁之间形成用于容纳细胞培养液7的容纳空间，如图2和图3所示，需要说明的是，实际上容纳空间并没有图中展示的那么大，图中主要是为了区分出细胞生长膜4和培养瓶2，而将两者之间的间距进行放大，以此说明结构布置。

细胞生长膜4的管体42与培养瓶2的管形部分22固定密封连接，具体的，管体42长于管形部分22，长出来的部分、也即管体42的顶端外翻并经过变形套设在培养瓶的瓶口上，为保证固定密封效果，在外翻部分的外部固定有橡皮筋。为了封堵管体42的管口，避免细胞悬液8流出，仿生肺泡培养装置还包括第一封堵件，具体的，第一封堵件为螺纹连接在培养瓶2瓶口处的第一封堵盖3。第一封堵盖3上可设有透气孔或完全封闭，无透气孔时，细胞培养时需将第一封堵盖3拧松以方便进气；有透气孔时，细胞培养时可直接拧紧，并且透气孔附着有透气膜，只透气不透液体。

培养瓶2还包括设置在培养瓶2底部且与培养瓶2内腔连通的连通管23，连通管23穿出壳体1且在穿出端上连接有第二封堵件，第二封堵件用于封堵连通管23的管口。具体的，连通管23呈l形，连通管23包括竖直部分和水平部分，竖直部分穿出壳体1，第二封堵件为第二封堵盖6，第二封堵盖6螺纹连接在水平部分上。

此外，壳体1底部设置有便于壳体1立放的立放结构，具体的，立放结构为固定在壳体1底部的四个支腿5。本实施例中的壳体1具有四个侧面，也即壳体1为长方体结构，四个侧面构成了便于壳体1平放的平放侧面，四个平放侧面可以使壳体1在圆周方向上处于四种角度的卧式姿态。

本发明中仿生肺泡培养装置的实施例2如图4和图5所示，包括培养器，培养器由壳体10和固定在壳体10上的培养瓶2组成，壳体10底部设置有支腿5，培养瓶2内嵌套固定有细胞生长膜4，培养瓶2的管口处螺纹连接有第一封堵盖3。本实施例与实施例1的不同之处仅在于：支腿5的个数以及壳体10的形状，本实施例中的支腿5有六个，壳体10呈六棱柱形，即壳体10具有六个平放侧面，可以使培养器在圆周方向上处于六种角度的卧式姿态。

本发明中仿生肺泡培养装置的实施例3如图6所示，本实施例与实施例1的相同之处不再重述，主要区别在于：本实施例中的壳体100呈八棱柱形，即壳体100具有八个平放侧面，可以使培养器在圆周方向上处于八种角度的卧式姿态。

本发明中仿生肺泡培养装置的实施例4如图7所示，本实施例与实施例1的相同之处不再重述，主要区别在于：本实施例中的壳体1000为十二面体，十二面体的底面是一个五边形的平面，底面上固定有支腿（图中未示出），整个培养器可以利用十二面体的下面一圈共五个平放侧面实现圆周方向上五个角度的卧式姿态的切换，当然还可以利用十二面体的上面一圈共五个平放侧面实现圆周方向上五个角度的卧式姿态的切换，也就是说，一共可以切换十个角度，但十个角度下的培养瓶2都是稍稍有一些倾斜，不是标准的平卧，而是呈斜卧姿态，十个角度的切换可以使细胞生长更加均匀。

本发明中仿生肺泡培养装置的实施例5如图8所示，本实施例与实施例2的相同之处不再重述，主要区别在于：本实施例中的仿生肺泡培养装置还包括支架9，支架9呈长方体盒状结构或者长方体框架结构，支架9用于设置在卧式姿态的培养器下方、对培养器进行支撑，使培养器能够在圆周方向上多角度的卧式姿态之间进行切换，并且六棱柱形壳体10的一个侧边沉入支架9内部，这样与六棱柱形壳体10自身的六个平方侧面相结合，可以使培养器在圆周方向上12个角度的卧式姿态之间进行切换。支架9不但增加了卧式姿态的切换角度，而且可以对培养器形成稳定的支撑，尤其是对于平方侧面数量更多、而平方侧面的面积比较小的壳体，可以保证支撑稳定和培养器的平稳放置。

本发明中仿生肺泡培养装置的实施例6如图9所示，本实施例与实施例4的相同之处不再重述，主要区别在于：本实施例中十二面体结构的壳体1000上未设置支腿，仿生肺泡培养装置还包括支架90，支架90呈圆柱筒状结构，支架90用于设置在壳体1000下方、对壳体1000进行稳定的支撑，使培养器能够在立式姿态和圆周方向上多角度的卧式姿态之间进行切换。

本发明中仿生肺泡培养装置的实施例7如图10所示，本实施例中的第一封堵盖30上设置有透气膜31，透气膜31只透气不透液体，与以上实施例不同的是：第一封堵盖30上还设置有连接柱32，连接柱32用于与自动化机械臂（属于现有技术）连接，自动化机械臂可以自动调整培养器的姿态，使其在立式姿态和圆周方向上多角度的卧式姿态之间进行切换。

在仿生肺泡培养装置的其他实施例中，第一封堵件可以不是与培养瓶的瓶口螺纹连接的第一封堵盖，例如可以是直接塞入细胞生长膜管体内的第一封堵塞，此时培养瓶的瓶口可以突出于壳体，也可以不突出于壳体，而无论培养瓶的瓶口是否突出于壳体，细胞生长膜管体的端部都可以与培养瓶的瓶口内壁粘接密封固定。

在仿生肺泡培养装置的其他实施例中，培养瓶的形状也可以不与细胞生长膜的形状相适配，例如培养瓶的形状为圆柱筒状。

在仿生肺泡培养装置的其他实施例中，连通管可以不是l形，而是直管。

在仿生肺泡培养装置的其他实施例中，第二封堵件也可以是塞入连通管管口的第二封堵塞。

在仿生肺泡培养装置的其他实施例中，培养瓶底部可以不设置连通管，更换细胞培养液时，需要先将细胞生长膜管体的端部与培养瓶的瓶口解除固定，从培养瓶的瓶口处加入细胞培养液。

在仿生肺泡培养装置的其他实施例中，培养器可以不是由壳体和固定在壳体上的培养瓶构成，例如培养器可以是实体材料，通过去除材料的方式形成容纳腔，或者培养器是一体成型的且具有容纳腔的容器。

在仿生肺泡培养装置的其他实施例中，立放结构可以不是支腿，而是设置在培养器底部的环形支撑筒；或者立方结构是培养器的底面。

在仿生肺泡培养装置的其他实施例中，平放侧面也可以为三个，此时培养器外形为三棱柱结构，当然平放侧面的个数也可以有更多。

本发明中仿生肺泡培养方法的具体实施过程是：仿生肺泡培养方法是依托于上述任意一种实施例中的仿生肺泡培养装置来进行的，或者说上述任意一种实施例中的仿生肺泡培养装置都是用于实施本发明中的仿生肺泡培养方法，下面仅以实施例1中的细胞膜培养装置来对仿生肺泡培养方法进行介绍，具体实施步骤是：

首先打开第一封堵盖3，将细胞培养液7加入培养瓶2中，然后将细胞生长膜2嵌套在培养瓶2内并固定，连接第一封堵盖3、保持培养器处于立式姿态（如图2所示，管体42上下延伸、球体41位于管体42下方）进行灭菌处理。灭菌后打开第一封堵盖3，向细胞生长膜2内加入细胞悬液8，细胞悬液8加入到球体41和管体42的交界处，保证仅在球体内壁上接种细胞，形成需要的仿生肺泡。在此，细胞培养液7的液面高于细胞悬液8的液面，保证所有细胞都能够获得营养。

然后使培养器保持立式姿态静置一段时间，待细胞在球体41内壁上贴壁生长，由于重力作用，细胞集中在球体41的底部生长。一定时间后，打开第一封堵盖3，移出细胞生长膜2内的液体，加入新的细胞悬液并将第一封堵盖3拧紧，新的细胞悬液的加入量如图3所示，利用某一平放侧面放置培养器，保证培养器处于卧式姿态时，细胞悬液仅位于球体41内。在此过程中，可根据实际需要，通过第二封堵盖6放掉细胞培养液7，并从连通管23的管口向培养瓶2中加入新的细胞培养液，进行细胞培养液的更换，细胞培养液的液面仍需高于细胞悬液的液面。

利用某一平放侧面放置培养器时，使培养器保持卧式姿态一段时间，待细胞在球体41内壁上贴壁生长，同样由于重力作用，细胞集中在球体41的底部生长。一定时间后，更换细胞悬液，并利用另一平放侧面放置培养器，以此类推，直至所有平放侧面均被使用，完成圆周方向上多角度卧式姿态的切换，这时就实现了细胞分批次接种在球体内壁上，细胞可以集中生长在不同的位置，相比现有技术来说，会更加均匀，能够模拟更真实的肺泡细胞结构，提高后续实验结果的准确性。

在仿生肺泡培养方法的其他实施例中，也可以不进行灭菌处理。

在仿生肺泡培养方法的其他实施例中，也可以先向细胞生长膜内加入细胞悬液，拧紧第一封堵盖，然后拧开第二封堵盖，从连通管向培养瓶中加入细胞培养液。

在仿生肺泡培养方法的其他实施例中，细胞悬液的加入量也可以多出到管体的内壁上。

在仿生肺泡培养方法的其他实施例中，细胞培养过程中，根据实际情况，也可以不更换细胞培养液。

在仿生肺泡培养方法的其他实施例中，细胞培养过程中，根据实际情况，也可以不更换细胞悬液，例如在由立式姿态切换至卧式姿态的过程中，可以移除一部分细胞悬液的上清液，剩余尚未贴壁的细胞悬液继续后续试验。

在仿生肺泡培养方法的其他实施例中，可以先进行圆周方向上多角度卧式姿态的切换，最后再使培养器处于立式姿态；当然，也可以立式姿态和卧式姿态交叉进行。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。