一种基于微载体的微流控细胞培养系统及其操控方法_2

文档序号:8355649阅读:来源:国知局
角形的培养仓6、7的另两个顶点处,也就是在两个培养仓6、7的第二个顶点处均通过进液管16、17连接注射泵18、19,在两个培养仓6、7的第三个顶点处均通过出液管8、9连接真空泵10、
11。具体是:在培养仓6的第二个顶点处设进液口 25,在第三个顶点处设出液口 23,培养仓6在第二个顶点处通过进液口 25连接进液管16的一端,进液管16另一端连接注射泵18 ;培养仓6在第三个顶点处通过出液口 23连接出液管8的一端,出液管8的另一端连接真空泵10。培养仓7在第二个顶点处设置进液口 26,在第三个顶点处设出液口 24,培养仓7通过进液口 26连接进液管17的一端,进液管17的另一端连接注射泵19,培养仓7通过出液口 24连接出液管9的一端,出液管9的另一端连接真空泵11。在进液管16上设置进液管开关阀门14,在进液管17上设置进液管开关阀门15,进液管开关阀门14和进液管开关阀门15均是用来控制进液管的开断。在出液管8上设置出液管开关阀门3,在出液管9上设置出液管开关阀门4,出液管开关阀门3和出液管开关阀门4均是用来控制出液管的开断。
[0017]在微流控芯片2的下部固定有温度控制单元总成13,温度控制单元总成13包括了加热装置和温度传感器,用于维持两个培养仓6、7合适的温度。由于两个培养仓6、7可以独立换液,所以每个培养仓6、7下部都有独立的温度传感器和独立的加热装置。
[0018]在每个培养仓6、7的周围设置一个巨磁阻传感器21、20,巨磁阻传感器21、20用以探测磁性微载体22的位置。巨磁阻传感器21、20的测量范围要调校至刚好覆盖与其对应的培养仓6、7。即在培养仓6的周围设置巨磁阻传感器21,在培养仓7的周围设置巨磁阻传感器20。巨磁阻传感器21、20用于分别感应培养仓6、7内的磁性微载体22。当磁性微载体22靠近巨磁阻传感器21、20时,巨磁阻传感器21、20探测到磁性微载体22就反馈高电平,当磁性微载体22远离巨磁阻传感器21、20时,巨磁阻传感器21、20由于感应不到磁性微载体22就反馈低电平。巨磁阻传感器21、20的感应测量范围经过调校。以巨磁阻传感器21为例,其测量范围要调校至刚好覆盖培养仓6。当磁性微载体22在培养仓6中时,巨磁阻传感器21向控制器30反馈高电平,当磁性微载体22离开培养仓6时,巨磁阻传感器21向控制器30反馈低电平。
[0019]在每个培养仓6、7旁侧设置一个磁场控制模块1、12,磁场控制模块1、12也称磁场发生器,是由若干不同角度的线圈绕组构成,选择性地给不同角度的线圈绕组通电,可以产生不同角度的磁场。从而可以驱动磁性微载体22在相应的培养仓6、7中有不同的运动轨迹,实现在培养仓6、7内的沿圆周轨迹运动以及在两个培养仓6、7之间的转移。磁场控制模块1、12连接控制器30,在控制器30的控制下可以产生特定的可变的磁场,可发生不同方向、不同强度的磁场,以控制磁性微载体22的不同的运动轨迹,使磁性微载体22定速、定向运动。即:在培养仓6旁侧设置磁场控制模块1,磁场控制模块I在控制器30的控制下产生特定的磁场来控制培养仓6内的磁性微载体22定速、定向运动;在培养仓7旁侧设置磁场控制模块12,磁场控制模块12在控制器30的控制下产生特定的磁场来控制培养仓7内的磁性微载体22定速、定向运动。
[0020]参见图3,在磁场控制模块I的外磁场控制下,使磁性微载体22在培养仓6内沿圆周轨迹27匀速运动,运动的速度由外磁场精确调控,以满足细胞培养需要的剪切力的要求。当磁性微载体22从培养仓6转移到培养仓7内时,磁性微载体22在培养仓6内沿朝向微阀5的移动轨迹28运动,磁性微载体22进入培养仓7后,在磁场控制模块12的外磁场控制下,使磁性微载体22在培养仓7内沿圆周轨迹29匀速运动,运动的速度由外磁场精确调控,以满足细胞培养需要的剪切力的要求。由于流体的粘度是恒定的,磁性微载体22的运动速度和其上面粘附的细胞受到的剪切力成正比,本发明通过磁场控制模块1、12控制磁性微载体22的运动速度可以实现对细胞所受剪切力范围的调控。
[0021]参见图4,微阀5、两个出液管开关阀门3、4、两个进液管开关阀门14、15、两个磁场控制模块1、12、两个真空泵10、11、两个注射泵18、19以及温度控制单元总成13分别通过各自的控制线连接于控制器30,在控制器30的控制下进行工作。巨磁阻传感器20、21以及温度控制单元总成13分别通过各自的信号线连接于控制器30。巨磁阻传感器20、21用于反馈磁性微载体22的具体位置,当其感应到磁性微载体22后,向控制器30反馈高电平;未感应到磁性微载体22时,向控制器30反馈低电平。温度控制单元总成13由控制器3控制其加热装置工作,温度控制单元总成13的温度传感器用以检测培养仓6、7内的实时温度,并将实时温度传送给控制器30。
[0022]参见图1、2、3、4、5,细胞培养系统工作时分为进样、培养、微载体转移、换液四个阶段。具体如下:
O进样阶段将吸附细胞的磁性微载体22和37摄氏度的培养液混合后形成混合液,将混合液加入注射泵18中,控制器30控制进液管开关阀门14打开,并控制注射泵18工作,由注射泵18缓慢地将磁性微载体22和培养液混合液注入到培养仓6中,注入的混合液的体积和培养仓6的容积相匹配,使培养仓6、7中充满混合液。当注射完成后,控制器30控制进液管开关阀门14关闭,并控制相应的注射泵18停止工作,此时,巨磁阻感应器21工作,培养仓6旁的巨磁阻感应器21感应到磁性微载体22的存在时,向控制器30反馈高电平,对培养仓6进样阶段完成。
[0023]对培养仓7的进样过程和对培养仓6的进样过程类似:将吸附细胞的磁性微载体22和37摄氏度的培养液混合后加入注射泵19中,控制器30控制进液管开关阀门15打开以及注射泵19工作,注射完成,关闭进液管开关阀门15和注射泵19,此时,巨磁阻感应器20感应到磁性微载体22的存在,向控制器30反馈高电平,对培养仓7进样阶段完成。
[0024]2)培养阶段
控制器30驱动磁场控制模块1、12启动,控制磁场控制模块1、12调制匹配的外磁场,对磁性微载体22运动速度实现精确的控制,使磁场控制模块1、12控制磁性微载体22在培养仓6、7内作匀速圆周运动。因磁性微载体22的圆周运动速度由细胞耐受的最佳剪切力范围决定,所以,磁场控制模块1、12可以精确地控制其培养过程中的剪切力大小。
[0025]进入培养阶段后,控制器30控制温度控制单元总成13启动,培养仓6、7下面的温度传感器开始收集温度信息,实时反馈给控制器30。控制器30根据接受到的温度信息,温度传感器将培养仓6、7的温度信息反馈给控制器30,当培养仓6、7内的温度低于37摄氏度时,控制器30控制加热装置工作,对培养仓6、7内的培养液升温,使培养仓6、7内的培养液温度保持在细胞培养的最佳温度37摄氏度,此为细胞培养的最佳温度。
[0026]3)微载体转移阶段
当磁性微载体22所在的培养仓6、7中的培养液由于细胞的代谢作用,引起营养物质消耗,代谢产物聚集,不再适合细胞生长时,就需要对培养仓6、7中的培养液进行更换。和传统的微流控细胞培养芯片不同的是,本发明采用了双培养仓6、7交替培养方法,通过移动磁性微载体22至灌注新鲜培养液的培养仓的办法来取代传统微流控芯片培养中通过灌流来更换营养液的方式,确保了在整个培养过程中细胞所受到的剪切力均处在精确的受控状态。
[0027]在微载体转移阶段,控制器30控制微阀5开启,两培养仓6、7连通,在磁场控制模块I的控制下,磁性微载体22在需要更换培养液的培养仓6内沿轨迹28通过微阀5进入另一个培养仓7内,运动速度经过控制器30优化,确保磁性微载体22上所受的剪切力和在培养仓6中做圆周运动的剪切力相同。当培养仓6旁的巨磁阻感应器21感应不到磁性微载体22的信号,输出由高电平跳变到低电平。同时培养仓7旁的巨磁阻感应器20感应到
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