专利名称：自动细胞培养装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种细胞培养装置，尤其涉及一种自动控制和管理的细胞培养装置，更具体地说，这是一种密封型、全自动控制、自动更换培养所需的营养媒介和自动排出代谢物、自动收获细胞的细胞培养装置，该装置可应用于临床医学实验室进行临床细胞治疗。
背景技术：
造血干细胞体外扩增是体外通过可控制的培养系统来大量扩增各阶段或某一特定阶段或系统的造血细胞供临床应用，体外造血干细胞/祖细胞的扩增将有可能大大改进目前的造血干细胞移植方式，从最基本的层次讲，在体外对移植物进行有效的扩增可减少移植所需采集的骨髓或外周血造血干细胞的数量，这一方面可以减少患者或供者的痛苦，另一方面对于自体移植来说，还可减少肿瘤细胞的污染。对于部份因造血功能储备不足、动员效果差而采集不到足够外周血造血干细胞的患者，通过外周体外扩增有可能产生足够的造血细胞进行移植，而通过扩增一份常规移植的骨髓或外周血造血干细胞来获取大量的造血细胞供临床反复应用，特别是进行持续多次移植或支持多疗程的大剂量化疗，将会是造血干细胞扩增在自体移植或大剂量化疗中的另一重要用途。
尽管造血干细胞体外扩增有如此广泛而重要的作用，但是，临床医疗机构进行体外造血干细胞扩增时仍然采用普通实验室的设备，并采用手工操作方式，极易造成培养物的污染，而且手工控制操作不精确、效率低、工作量大，明显影响造血干细胞体外扩增方式的应用。
发明内容
为了克服现行技术的缺陷和不足，本实用新型的目的是提供一种全自动控制、密封式、自动更换营养液、自动收获培养细胞的自动细胞培养装置，帮助临床医生更好地开展体外造血干细胞扩增的任务。
为实现本实用新型目的，本实用新型解决其技术问题采用的技术方案，其特征是，本实用新型装置结构由四层结构组成1.结构组成■顶层。为4℃恒温冰箱装置，内部有自动温控设备，其顶层表面可以置放触摸屏电脑及键盘等。冰箱内部有吊钩，可以用来悬挂营养液等，接种细胞，冲洗液等液体容器袋。这些液体容器的输出管道，可以通过专用出口延伸出冰箱，而这些出口有保温材料填塞出口，在管道通畅延伸出去同时又不会影响冰箱内温度。
■中层。为操作控制平台。
◆其后侧板装有多个电磁挤压阀。分上、下两排，上排4个，从左到右依次控制平衡液、胰旦白酶液、接种细胞和营养液。中间合成一根管道，穿过蠕动泵，下排4个，与上面对应而进入细胞培养腔。
◆底板。为控制面板(控制面板下方为控制电路及电源)可采用触摸键开关。控制蠕动泵速度，控制各个电磁阀开/关状态。控制面板上可以装有大屏幕液晶显示器，以显示各种相关参数并可设置相关参数。(控制系统可以采用单片机系统DSP或台式电脑控制两种方式)■次底层。为37℃恒温培养箱结构，内置细胞培养腔室，其顶部与中层底部相隔，上面有专用通道，导入输液管道，并有专用栓塞封闭管道间空隙，即不影响管道，又不与外界交通。其置放细胞培养腔室的平台，可以位置倾斜，同时平台上有数字化秤，可以计量重量(计算灌注量)，其底部与底层顶板相隔，下方有专用通道，导出相应管道(通气及输液管道)，同样有专用栓塞封闭空隙。
■底层(底柜)。既有支架，起到支撑整个结构作用，又内藏(从左到右)气瓶及气体输入管道，气体排出管道，细胞收获管道及细胞收获袋，弃液管道和弃液袋。
■整体四层结构用金属连接件连为一体，采用金属材料制作(薄钢板制作后喷塑料漆或不锈钢材料)，底部有轮可以推走，四层结构可以拆开维修。
■操作平台有计算机标准233插口，可以与其他计算机连接或上网远程维修。
2.培养腔室结构■增加另外一层透气/防水半透膜，形成上、下双腔气体腔室，增加氧气交换，可以进一步加大细胞培养密度。
■简化培养腔室结构，采用一次性材料，生产一次性使用培养腔室。培养腔室由上、下两层透气/防水半透膜组成(Silicon 3000)，培养腔面要求作Corono treatment成为适合细胞粘附的亲水层结构。上、下层半透膜，四边用硬塑料框压合而成封闭状结构。四周硬塑料框压合时，可采用加热压合的方式，上、下两层加热后压合。
3.整机结构■可移动盒结构-＞固定结构。以培养箱结构为基础，构建固定培养装置设计整体结构，考虑为固定装置，每个培养系统为一个单元，在培养前安装连接，直至培养完成。
整体化装置优点■结构紧凑合理、容易安装、维护、监控，故障率低。
■安装程序简单，在安装时，一台触摸键电脑显示器，自动全面显示安装程序，简化操作难度(亦可以考虑用触摸屏电脑操作)■在整个培养过程无移动，无迁移，不会干扰或妨碍培养过程。
■整个结构紧凑，减少管道长度，节省试剂。
■除一次性使用管道外，某些管道可以保留(如气体进入管道，与气瓶连接管道，仅需定期更换过滤器。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是自动细胞培养装置示意图。图中101-触摸屏电脑显示器，102-操作控制台，103-控制面板，104-电路板，105-4℃恒温冻箱，106-控制面板，107-蠕动泵，108-电磁阀，109-底柜，110-细胞培养腔室，111-37℃恒温培养箱，113-加热板，114-底柜，115-气瓶，116-空气过滤器，117-气体出口，118-5′细胞收获袋，119-6′弃液袋，120-蠕动泵，121-Hank’s平衡液，122-胰蛋白酶液，123-接种细胞袋，124-营养液袋。
图2是双层气体腔室培养装置示意图。图中201-透气防水半透膜，202-上气体腔室，203-培养腔室，204-下气体腔室。
图3是培养腔室结构示意图。图中301-上层硬塑料压框，302-半透膜，303-下层硬塑料压框。
图4是实施例1结构示意图。图中4a-俯视图，4b-剖面图，401-超微滤膜滤器盒，402-培养腔，403-超微滤膜，404-透气防水半透膜。
图5是实施例1顶层及底层示意图。图中5a-顶层结构图，5b-底层结构图。
图6是培养腔室中央腔室(中心园柱)示意图。图中601-内螺丝结构。
图7是上层框架示意图。图中701-框架螺孔，702-四周框架，703-园形连接口(连接中央园柱)，704-边翼(连接外周环形)，705-边翼螺孔。
图8是下层框架示意图图9是各层结构示意图。图中901-连接螺丝，902-上层框架，903-上垫圈，904-上半透膜，905-中垫圈，906-下半透膜，907-下垫圈，908-下层框架，909-框架，910-垫圈，911-半透膜。
图10是固定边翼与辐射框架边翼固定示意图。图中1001-固定螺孔，1002-固定边翼，1003-环形上框架，1004-辐射上框架，1005-环形下框架，1006-辐射下框架，1007-透气膜，1008-透气膜，1009-超微滤膜，1010-培养液，1011-透气膜。
图11是横切面剖视图。图中1101-外环上框架，1102-上垫圈，1103-半透膜(透气/防水)，1104-中垫圈，1105-超微滤膜，1106-下垫圈，1107-外环下框架，1108-内环上框架，1109-上垫圈，1110-上半透膜，1111-中垫圈，1112-下半透膜，1113-下垫圈，1114-辐射上框架，1115-内环下框架，1116-上垫圈，1117-中垫圈，1118-半透膜，1119-超微滤膜，1120-辐射下框，1121-下垫圈。
图12a是俯视图，
图12b是侧面图。图中1201-营养液交换腔室(外周环形部份)，1202-培养腔室/气体交换腔室(辐射部份)，1203-连接装置(不带孔)，1204-超微滤膜，1205-弃液腔，1206-上气体腔室，1207-半透膜，1208-中央腔室，1209-半透膜，1210-下气体腔室，1211-连接装置(不带孔)，1212-培养腔室，1213-弃液室，1214-超微滤膜。
图13是气体腔室上半部结构图。图中13a-剖面图，13b-俯视图。1301-外环边翼，1302-螺孔，1303-气体出口，1304-交通口，1305-内环边翼，1306-外环边翼，1307-螺孔。
图14是气体腔室下半部剖面图。图中1401-气体通道，1402-内环边翼，1403-外环边翼，1404-弃液通道，1405-弃液出口。
图15是气体腔室上半部剖析组成图。图中1501-螺孔，1502-顶盖，1503-垫圈，1504-外环立柱，1505-内环立柱(带孔)。
图16是气体腔室下半部剖析组成图。图中1601-螺孔，1602-内柱支柱，1603-外环支柱，1604-底盖，1605-弃液腔。
图17是实施例2结构示意图。图中1701-半透膜，1702-培养腔室，1703-上气体腔室，1704-硬塑料框，1705-外周园环，1706-弃液腔，1707-弃液孔，1708-超微滤膜，1709-下半透膜，1710-下气体腔室。
图18是实施例2剖析图。
图19是实施例3结构图。
图20是实施例3连接图。图中2001-胰蛋白酶，2002-接种细胞，2003-营养液，2004-缓冲液，2005-TFF过滤盒，2006-蠕动泵，2007-TFF容器，2008-弃液口，2009-细胞收获袋，2010-弃液袋。
图21是营养液循环图。图中2101-气体腔室(1)，2102-气体腔室(2)，2103-营养液输入，2104-营养液输出。
图22是生物反应器培养腔室剖解图。图中2201-营养液循环入口，2202-气体入口，2203-气体腔室，2204-气体半透膜，2205-气体出口，2206-营养液循环腔室，2207-培养腔室出口，2208-气体出口，2209-气体半透膜，2210-气体腔室，2211-气体入口，2212-培养腔室入口，2213-超微滤膜，2214-营养液循环腔室。
图23是实施例4示意图。图中2301-接种细胞，2302-营养液，2303-缓冲液，2304-细胞因子/生长因子，2305-蠕动泵，2306-一次性生物反应器，2307-控制面板，2308-TFF过滤室，2309-弃液袋。
图24是实施例5示意图。图中2401-胰蛋白酶，2402-缓冲液，2403-接种细胞，2404-营养液，2405-冰箱，2406-控制面板，2407-灌注阀门，2408-恒温培养箱，2409-基底部份，2410-气瓶及气体入口，2411-气体出口，2412-气体过滤器，2413-交换营养液，2414-细胞收获液，2415-废弃液袋，2416-TFF过滤室，2417-接种细胞阀门，2418-中央部份(虚线内)，2419-接种口，2420-灌注口。
图25是细胞处理平台示意图。图中25a-侧面图，25b-正面图，2501-细胞培养盒，2502-中央支撑部份及万向轮，2503-电磁振荡搅拌器，2504-基底部份，2505-步进电机轴，2506-步进电机，2507-细胞培养室，2508-右支杆，2509-左支杆，2510-步进电机轴，2511-步进电机。
图26是实施例5连接图。图中2601-缓冲液，2602-接种细胞，2603-营养液，2604-胰蛋白酶，2605-蠕动泵，2606-营养液入口，2607-接种细胞口，2608-TFF盒，2609-蠕动泵，2610-营养交换容器，2611-细胞收获容器，2612-弃液袋，2613-细胞收获袋。
图27是多重培养腔室组合装置结构示意图。图中2701-顶层，2702-4℃冰箱，2703-中层(处理装置及控制系统)，2704-次底层(恒温培养腔)，2705-底层(TFF容器，TFF盒，细胞收获袋，弃液袋)，2706-吊钩，2707-液体容器，2708-电磁阀，2709-蠕动泵，2710-电磁阀。
图28是多重培养腔室组合装置连接示意图。
具体实施方式
实施例1辐轮状结构顶层全部为透气/防水半透膜，底层辐射部份为透气/防水半透膜，底层外周环形部份为超微滤膜。
●在辐轮状结构培养腔室外周环形部份下层的透气/防水半透膜，置换成超微滤膜(NWCO50,000)(上层半透膜不变)，因此外周环形部份的部份水份和细胞代谢产物(如乳酸、氨等)会渗透穿过超微滤膜而进入下方的弃液腔室，弃液腔室内液体流入弃液袋。
●辐轮状结构培养腔室中的辐射状结构及外周环形部份均采用上、下两层膜，周围用硬塑料压框压合的方式，但在辐射状结构和外周部份之间有接合装置，上层接合装置之间有孔相连，因此，气体腔室延续，而下层部份，因为装置超微滤膜因而无通气孔相连。
●顶层-全部为透气/防水半透膜。
●底层(辐射部份)-为透气/防水半透膜。
●底层(外周环形部份)-为超微滤膜。
●零件组装
■中心园柱。采用无毒塑料或金属在四周打孔并加工内螺纹，与辐射框架头部的园管(有外螺丝)相连，中间用无毒硅胶管垫圈固定。
■辐射框架。用无毒塑料或金属加工成中空的框架，头部有园形管(可以焊接上去或用粘结剂粘附)可与中央中心园柱相应孔相连。四边均有螺丝孔，可以固定，分上、下两层，上、下两层中间加硅胶管垫圈以及两层膜压合而形成辐射状培养腔室，自上而下，依次为固定螺丝，上框架，垫圈，半透膜，垫圈，半透膜，垫圈，下框架，固定螺丝，上、下框架均有边翼与外周环形部位边翼相结合，通过螺丝相连接。连接口处管道相通，营养液可以自由交通。
■外周环形框架，分为上、下两层框架，并分为外环和内环框架，上、下框架园周外环上、下紧密贴合，以固定薄膜，在园圈内环其上、下层内环分别与辐射框架(相对应)，上、下层在平行方向紧密贴合，保持营养液的交流。
在内环上框架连接依次为内环上框架，垫圈，半透膜，垫圈，半透膜，垫圈，辐射上框架。在内环下框架连接依次为内环下框架，垫圈，超微滤膜，垫圈，半透膜(透气、防水)，垫圈，辐射下框架。内环上、下框架之间有一定空间保证营养液能自由流动。
■中心园柱、辐射框架，外周环形框架组装后(用垫圈和螺丝相连)形成一个完整的培养腔室。
■气体腔室。由上、下两半部份组成，上部份内环支柱带有通气孔，因此气体在整个上半部份可以自由流动。下半部份内柱为封闭型，因而隔开气体腔室，成为另一个腔室，允许弃液通过，称之为弃液腔室。上、下两部份在边翼用螺丝固定后，形成封闭的气体腔室和弃液腔，各自通过进出口出入。
实施例2，在实施例1基础上进行改进在培养腔室设计中，稍作改进，去除结构设计(1)中，外环部份(带上、下层膜)，改为，在辐射状结构下层的外1/3部改为采用超微滤膜。而外周园环部份则成为弃液室。由于在底盖外1/3采用两块立板，重新安装底盖外1/3的超微滤膜，因此，底部外1/3部位的培养腔根据腔内压力不同而渗透水份和小分子的代谢产物至弃液腔。同时，外周园环用硬塑料环组成的腔成为弃液腔，与底部外1/3的弃液腔上弃液孔相连，最终流入弃液袋。
实施例3，在实施例1基础上进一行改进完全采用两层气体腔室结构，在培养腔室周边预留小孔作为弃液口，并在周围外孔部份形成弃液腔(与原设计弃液装置相同)。但是在弃液流入弃液袋后，并不弃去而是将其送至一个TFF装置，采用TFF滤膜(NWCO50,000)，滤除水份和小份子物质，其余成份返回培养腔。
优点完全不影响培养过程，回收营养成份完全，没有任何成份丢失，TFF装置同时可以用来收获细胞。
缺点多用一只蠕动泵。
亦可以采用单个蠕动泵装置，但是需增加数个电磁阀和数个收集袋，通过转换。培养腔室结构设计可以完全参照原设计，但在其他结构改进，将底部位置的弃液袋(1)收集的弃液定期抽回至TFF系统，过滤、净化、去除小分子物质和水份，将回收的部份回输至培养腔室，同样结构适合于细胞收获过程，将已收获的细胞液反复在TFF系统内净化、洗涤后保存。
实施例4，在实施例1的基础上作更大改进与实施例1原理相同。前半部份类似，后半部份有所改进，改进部份包括●取消了TFF容器、TFF支架及其附属装置，仅保存TFF盒直接把一次性生物反应器作为TFF容器，从生物反应器入口处连接一根管道进入TFF盒滤膜下方空间，培养液交叉流过滤膜表面，再通过生物反应器出口回到生物反应器内，而低于滤膜孔径的细胞代谢产物、离子及耗尽的培养液则穿过滤膜面而进入弃液袋。
●仅采用一个蠕动泵，并安装成抽屉样结构。可以稳妥地放在二氧化碳培养箱内，并可以持续灌注(DSP自动控制)。
●适合于需持续灌注的培养类型，如造血干细胞体外培养扩增，或适合培养容量较小的培养(因为采用生物反应器作为TFF容器不能承受过大的压力)。
实施例5，在实施例1基础上进一步改进1.完整结构有四个组成部份a)顶层冰箱，4℃恒温，顶部有挂钩悬挂自右向左为4’-营养液、3’-接种细胞、2’-缓冲液、1’-胰旦白酶。底部有开口导出输液管道。
b)中央部位位于冰箱下方和恒温培养箱上方，安装蠕动泵、各个阀门(电磁挤压阀)、控制系统、控制面板和显示器。
c)次底层恒温培养箱。位于中央部位下方和底层上方，37℃恒温，提供细胞盒培养，在培养箱底面有一个细胞处理平台，用来放置细胞培养盒，可以向前后倾斜并可摇动。
d)底层底部支架，同时置放气瓶及气体进出管，细胞收获容器，营养交换液袋，废弃袋，以及用来收获细胞的TFF容器和TFF盒。
2.细胞处理平台a)细胞处理平台作为恒温培养箱底部组成部份，固定设置在底部。
b)平台中央主支架采用万向轮方向，可以自由向各个方向倾斜，在中央主支架下方装置电磁振荡器(可购买成品)。
c)平台两侧辅助支杆采用连杆相连接，并采用步进电机作为动力，可准确计算平台倾斜角度，采用数字化控制电机，数字化显示，数字化控制。
3.液体驱动与控制在装置中增加2个蠕动泵，目的是进一步加大流体驱动力量，回收营养交换液中有效成份继续灌注，收获细胞同时对细胞清洗、净化。主要改变在于当营养交换液进入5’袋时，因其中可能含有细胞、营养成份、细胞因子，因此，蠕动泵2’反向驱动营养交换液经过号阀，进入TFF盒过滤，废弃成份(水份、小分子物质通过号阀进入7’袋(废弃袋)，而大分子物质则返回营养交换液容器(TFF容器)，再经过号阀、⑥号阀回输至培养腔室。而当培养结束后，细胞回收液、冲洗液、胰旦白酶反复冲洗进入细胞收获容器，经过TFF盒反复净化、浓缩后输入8’袋备用。
实施例6，带TFF盒的一次性使用生物反应器与实施例1原理相同。仅在某些结构有所改变，生物反应器的结构改变直接将TFF盒与一次性生物反应器安装在一起。生物反应器有专用出口(用于连接前边至TFF盒入口)。安装在生物反应器上的TFF盒有专用通道连接生物反应器。而且TFF盒上有专用入口(与前边相连，循环营养液培养液)。在生物反应器硬塑料框架基础，采用网孔状横梁与硬塑料框相连，既不影响透气膜功能，同时又加强了生物反应器耐受压力的能力。同时，透气膜采用更厚的材质，仍然保持双层塑料膜结构。
新结构优点更牢固(不影响透气功能情况下)能承受更大压力，因而适合更大容量和更高流速的细胞收获，更换培养液及持续灌注；生物反应器与TFF硬塑料盒连为一体，更缩短了交叉流体的距离，增加效率，减少培养液消耗；安装更方便，操作更简易，更适合持续灌注式培养要求。
权利要求1.一种细胞培养装置，尤其涉及一种自动控制和自动管理的细胞培养装置，其特征是自动细胞培养装置由项层、中层、次底层和底层四层结构组成，在细胞培养腔室增加透气防水半透膜，形成上、下双腔气体腔室，采用可移动盒装置。
2.按照权利要求1所述的自动细胞培养装置，其特征是自动细胞培养装置由四层结构组成，顶层为4℃恒温冰箱装置，内部有自动温控设备，中层为操作控制平台，其后侧板装有多个电磁挤压阀，底板为控制面板控制蠕动泵速度和各个电磁阀，次底层为37℃恒温培养箱结构，内置细胞培养腔室，其顶部与中层底部相隔，底层既有支架，起到支撑整个结构作用，又内藏气瓶及气体输入管道，整体四层结构用金属连接件连为一体，采用金属材料制作。
3.按照权利要求1所述的自动细胞培养装置，其特征是在辐轮状培养腔室结构上改进，增加另外一层透气/防水半透膜，形成上、下双腔气体腔室，增加氧气交换。
4.按照权利要求1所述的自动细胞培养装置，其特征是可移动盒结构为固定结构，以培养箱结构为基础，构建固定培养装置，每个培养系统为一个单元，在培养前安装连接，直至培养完成。
专利摘要本实用新型涉及一种细胞培养装置，尤其涉及一种自动控制和管理的细胞培养装置，更具体地说，这是一种密封型、全自动控制、自动更换培养所需的营养媒介和自动排出代谢物、自动收获细胞的细胞培养装置，该装置可应用于临床医学实验室进行临床细胞治疗。
文档编号C12M3/00GK2892872SQ200520043608
公开日2007年4月25日 申请日期2005年7月21日 优先权日2005年7月21日
发明者高春平 申请人:高春平