干细胞的仿真培养装置的制作方法

本实用新型属于干细胞培养技术领域，具体涉及一种干细胞的仿真培养装置。

背景技术：

随着我国干细胞市场的放开，国内干细胞供应严重不足，将传统的2d培养模式转变为3d培养，可以在干细胞供给数量方面进行有效提升。但干细胞应用不仅仅是干细胞的数量问题，更取决于干细胞进入患者血液后的存活数量，最终决定于到达靶点的干细胞数量与活性。单纯以干细胞进入患者血液的过程为例，血管中血液有收缩压与舒张压变化，按人脉搏60次/分钟计算，进入血液的干细胞每秒就要受到一次收缩压与舒张压胁迫，没有经过抗压训练的干细胞很难适应血液环境，很难有效保证干细胞应用效果。

模拟干细胞未来的应用环境(患者的生理体征)，在生物体外进行干细胞的仿真培养，保证能够适应患者生理体征的干细胞大量扩增繁殖，极大提高干细胞进入患者血液后的活细胞数与细胞活性，提升干细胞治疗质量。

技术实现要素：

本实用新型为解决现有技术不足，提供了一种干细胞的仿真培养装置，该方法可以大规模产业化应用，有效提高干细胞进入患者血液后的活细胞数与归巢能力。

本实用新型的构思是：在干细胞的仿真培养装置中培养干细胞，利用循环装置仿真人体干细胞生存环境，如：保证干细胞培养体系的温度、营养、酸碱平衡、氧气平衡、二氧化碳平衡、代谢物的排出等，尤其是通过干细胞仿真培养使干细胞培养环境与(未来应用干细胞的)患者体内干细胞的生理环境相近，保证干细胞进入患者血液后的活细胞数与归巢能力，提升干细胞治疗效果，本实用新型的具体方案如下：

本实用新型提供了一种干细胞的仿真培养装置，包括干细胞巢、心区、肝区、肺区、脾区、肾区和胃区，所述干细胞巢的两端分别与肺区和脾区连接，所述胃区为营养贮罐并且与所述肝区连接，所述心区分别与肝区、脾区和肺区连接，所述胃区设置进液口，所述肾区设置进液口和排废口，所述肺区设置进气口和排气口，所述心区内设置第一蠕动泵，所述干细胞巢与所述脾区之间设置第三控制阀门。

在上述任一方案中优选的是，所述肺区内设置气体透过膜。

在上述任一方案中优选的是，所述肾区内设置特定透析膜。

在上述任一方案中优选的是，所述肾区和脾区之间设置两组管线，其中一个所述管线上设置第四控制阀门，另一个所述管线上设置第三蠕动泵。

在上述任一方案中优选的是，所述肺区的进气口上设置第二蠕动泵，所述排气口上设置第二控制阀门。

在上述任一方案中优选的是，所述胃区是可更换的营养液贮罐，胃区连接动力气体，保持10-60mmhg压力范围，随时通过单向阀为肝区提供新鲜营养液与输送营养液的动力。

本实用新型还提供了一种实用上述装置进行干细胞仿真培养的方法，该方法按照先后顺序包括以下步骤：

(1)将干细胞包裹在模拟细胞外基质环境的凝胶中进行培养，利用凝胶保护干细胞与调控干细胞生长；

(2)将凝胶包裹的干细胞安置在干细胞巢中，将干细胞巢置于恒温的区域中，该区域培养温度与干细胞应用的患者体温一致，该恒温区域的特征与患者生命场的特征一致，干细胞巢内的营养液为单向流动，流动过程存在压力变化，设置变化的压力特征与频率与干细胞应用的患者血压及脉搏特点一致，并且将干细胞巢与模拟人体血液循环的循环装置连接中；

(3)利用该循环装置的心区模拟人体心脏功能完成干细胞培养过程中的营养液的循环，通过营养液循环使干细胞有充分的营养供应并排出代谢废物；利用该循环装置的肺区模拟人体肺脏功能，通过特异的气体透过膜完成营养液的气体交换，保持干细胞培养过程中氧气与二氧化碳的平衡；利用该循环装置的脾区模拟人体脾脏功能完成营养液的暂时贮存，使营养液去除代谢废物后重新进入营养液循环；利用该循环装置的肾区模拟人体肾脏功能，通过特定透析膜装置去除干细胞的代谢废物，保护干细胞不受代谢废物抑制；利用该循环装置的肝区模拟人体肝脏功能，从营养液贮罐(胃区)获取营养液，完成循环系统的营养液补充供给；

(4)通过与该循环装置连接的控制平台有效获取干细胞未来应用患者的各种生理参数与生命场参数，控制整个干细胞培养体系达到模拟患者生理体征的特定培养环境，进行干细胞仿真培养即得。

优选地，选用海藻酸钙凝胶配合细胞外基质物质包裹干细胞，利用节流阀与心区配合形成模拟人体的收缩压与舒张压变化及脉搏，通过调控肺区氧分压增强供氧，通过肾脏有效排出干细胞培养过程中的代谢废物，通过控制平台与云数据的配合协调干细胞巢与干细胞培养辅助系统形成模拟患者生理体征的干细胞培养环境。

干细胞培养的特定区域特称干细胞巢，干细胞巢依靠所述循环装置与控制平台完成干细胞的仿真培养，所述循环装置由若干功能分区组成，各功能分区按其功能特点分别特称为：心区、肺区、脾区、肾区、肝区(含胃区)，能够模拟人体功能器官为干细胞生长提供营养与排出代谢废物，具体各部分的的功能如下：

本实用新型的干细胞培养过程使用模拟人体心脏功能的装置完成营养液的循环，通过营养液循环使干细胞有充分的营养供应并排出代谢废物，该部分特称为心区；干细胞培养过程使用模拟人体肺脏功能的由特异气体透过膜构成的装置完成营养液的气体交换，保持干细胞培养过程中氧气与二氧化碳的平衡，该部分特称为肺区；干细胞培养过程使用模拟人体脾脏功能的装置完成营养液的暂时贮存，该部分特称为脾区，脾区内的营养液去除代谢废物后重新进入营养液循环；干细胞培养过程使用模拟人体肾脏功能的装置完成干细胞代谢废物的排出，该部分特称为肾区，肾区具有半透膜装置，能够有效去除干细胞生长过程中产生的代谢废物；干细胞培养过程使用模拟人体肝脏功能的装置完成营养液的补充供给，该部分特称为肝区，肝区从营养液贮罐中获取营养液，营养液贮罐特称为胃区，通过更换营养液贮罐不断从外界获取营养物质。

干细胞培养过程中使用的容器及管道相关组件均为一次性使用，保证干细胞安全；容器及管道相关组件均使用符合医用卫生要求的聚丙烯或聚苯乙烯或聚乙烯等材料进行制作并进行灭菌处理，以无菌包装形式提供；在后面的说明材料中不再一一赘述。

干细胞巢：为压力容器，由圆筒结构和盖子两部分组成，圆筒下有开孔连接鲁尔接头，可以快速完成组装；盖子通过螺纹完成对圆筒的封闭，盖子上面有一个开孔连接鲁尔接头，另有一个可密封开口用于组装传感器；干细胞巢的出口有控制阀门可以与心区的蠕动泵配合产生模拟人体的血压变化与脉搏特征；同时，干细胞巢安置于恒温与电磁屏蔽区域，并且附加一个生物电磁场，使干细胞可以在一个模拟未来应用患者生理特征的环境中仿真培养。

心区：主要由蠕动泵与三通组件组成，三通组件连接脾区、肝区与蠕动泵泵头，来源于脾区、肝区的培养液可通过三通组件进入到蠕动泵泵头内硅胶管中，并通过蠕动泵加压进入到肺区；蠕动泵具有多滚轮泵头(如滚轮)，提高营养液输送的稳定性，蠕动泵经过防电磁处理，泵头使用高质量的无菌硅胶管完成营养液输送。

肝区：为压力容器，圆筒结构或方桶结构，压力控制范围10-60mmhg(按血压标准计量)，可以为心区和脾区提供培养液，肝区通过控制阀门与心区的三通组件连接，通过控制阀门控制流量使新鲜营养液进入脾区或在三通组件内以不同的配比与来自脾区营养液混合后进入心区；肝区另有一个单向阀与胃区相通，营养液单向从胃区流向肝区。

肺区：为压力容器，是医疗中用做人工肺的中空纤维膜组件部分，或是符合医疗卫生标准的无菌中空纤维膜组件，膜组件核心是由特定气体透过膜(氧气/二氧化碳透过膜)制成的中空纤维膜，其外壳为聚丙烯或聚苯乙烯或聚乙烯等材料；加压后营养液在中空纤维管内流动，肺区内的营养液通过气体透过膜与空气/二氧化碳混合气体进行气体交换并达到设定的含氧量/含二氧化碳量参数后进入干细胞巢，为干细胞提供营养与氧气。压力无菌空气(含二氧化碳)与控制阀门配合，通过调节总气体压力调控营养液内氧气和二氧化碳的交换速率，营养液中的氧气总量与二氧化碳总量都包括溶解态与结合态两部分。肺区有两个营养液接口，分别连接心区和干细胞巢；有两个气体接口，分别与压力无菌空气(含二氧化碳)供给管道、气体排放管道连接。

脾区：为无压力容器，圆筒结构或方桶结构，通过无菌的0.2微米滤膜与外部相通，有两个液位传感器；当液位低于最低设定值时，肝区阀门打开，主动向脾区供给营养液；当液位高于最高设定值时，加大肾区的透过速率。脾区有一个接口与干细胞巢连接，用于接收干细胞培养后营养液；脾区有两个接口与肾区连通，用于营养液中干细胞代谢废物的透析排放；脾区还有一个接口与心区的三通组件连接。

肾区：为压力容器，是医疗中用做肾透析的中空纤维膜组件部分，或是符合医疗卫生标准的无菌中空纤维膜组件，膜组件核心是由特定透析膜制成的中空纤维膜，其外壳为聚丙烯或聚苯乙烯或聚乙烯等材料。脾区的含有干细胞代谢废物的营养液加压后进入肾区，在压力作用下，干细胞代谢废物能够通过透析膜并进入透析液内，去除干细胞代谢废物的干细胞培养液再通过有控制阀门的管道返回脾区重新利用。肾区有两个营养液接口与脾区连接，有两个透析液接口用于从肾区透析分离干细胞代谢废物。肾区的营养液循环由蠕动泵与控制阀门配合调节透析速率；透析液是一次性使用的、不进行循环，但也有蠕动泵与控制阀门用于配合调节透析速率。

胃区：为压力容器，圆筒结构或方桶结构，压力控制范围10-60mmhg(按血压标准计量)，其实质是可以更换的营养液贮罐，能够为肝区提供营养液与营养液输送动力，保证干细胞培养过程对营养液的需求；胃区有两个接口，一个通过单向阀与肝区连接，单向向肝区供给培养液，另一个接口与无菌动力气体管道连接，保持10-60mmhg压力范围，随时为肝区提供营养液与输送动力。

本实用新型通过模拟人体内干细胞的生长环境(细胞外基质)使干细胞在最适宜的培养条件下生长，其中包括：利用凝胶介质模拟细胞外基质为干细胞生长提供营养与保护作用，营养液模拟血液单向流动为干细胞提供营养与排出代谢废物，培养过程中具有压力变化且压力特征与频率与应用干细胞的患者血压及脉搏特点一致，干细胞巢培养温度与应用干细胞的患者体内温度一致，干细胞巢位于与应用干细胞的患者一致的特定生命场中，通过仿真培养使干细胞进入人体血液后能够适应血液环境(如血压)，进而能够随血流运输并归巢。

此外，该方法通过模拟人体脏器功能在人体外最大限度地接近人体中干细胞外基质特点进行干细胞培养，不仅仅适用于多种干细胞，如：间充质干细胞等，也可以应用于其他类型细胞，如：ips细胞、t细胞等。

与现有技术相比，本实用新型提供的一种干细胞的仿真培养装置，通过预先模拟患者生理体征的培养环境，保证干细胞在应用环节能够快速适应患者的血液环境，使干细胞有充分的数量与活性到达靶位点并行使功能。

附图说明

图1：干细胞的仿真培养装置原理图。

图中标注说明：1-干细胞巢，2-心区，3-肝区，4-肺区，5-脾区，6-肾区，7-胃区，8-第一控制阀门，9-第二蠕动泵，10-第二控制阀门，11-第三控制阀门，12-第三蠕动泵，13-第四控制阀门，14-透析液，15-第四蠕动泵，16-第五控制阀门，17-气体透过膜，18-特定透析膜，19-云数据中心，20-控制平台，21-生命场，22-恒温系统，23-传感器，24-数据接口，25-无菌空气，26-新鲜营养液，27-代谢废物。

具体实施方式

为了更进一步了解本实用新型的实用新型内容，下面将结合具体实施例详细阐述本实用新型，本实用新型所应用的化学试剂以及仪器如未经特别说明，均可从商业渠道购买，后续所有操作均在局部a级洁净区内完成，所有用品均经过无菌或抑菌处理，后面不再单独说明。

实施例一

如图1所示，本实用新型提供了一种干细胞的仿真培养装置，主要包括以下步骤：

s1根据干细胞外基质的组成特点，选择胶原、聚糖等干细胞生活环境物质与生物相容性高的凝胶充分混合并包裹在干细胞外周，为后继的干细胞培养提供保护并能够为干细胞生长提供营养与排出代谢废物；

s2将凝胶保护的干细胞装载到干细胞巢1内，启动循环装置(已经预先完成装配及培养参数设置)进行干细胞培养，具体过程如下：

(1)设备运行前的脾区5无营养液，肝区3的第一控制阀门8打开，胃区7主动向脾区5输送新鲜营养液26并到达脾区5液位的最低设定值，在心区(第一蠕动泵)2动力驱动下，营养液到达心区(第一蠕动泵)2进入到肺区4，营养液在肺区4接收来自气体透过膜17的氧气与二氧化碳后进入到干细胞巢1，为包裹在仿真细胞外基质中的干细胞提供营养与氧气；气体交换由第二蠕动泵9与第二控制阀门10协同提供动力，氧气与二氧化碳由无菌空气25提供；

(2)营养液再通过第三控制阀门11从干细胞巢1流出并进入到脾区5；

(3)脾区5内营养液一部分与来自肝区3的新鲜营养液26一起进入心区(第一蠕动泵)2，再经过肺区4后进入干细胞巢1为干细胞供给营养与氧气；另一部分经过第三蠕动泵12驱动进入到肾区6并经过第四控制阀门13返回脾区5；肾区有特定透析膜18可以滤除干细胞生长过程产生的尿素等代谢废物27，避免代谢废物27影响干细胞生长；透析液14经过第四蠕动泵15进入肾区6，再经过第五控制阀门16排出；

(4)控制平台20可以从云数据中心19获取相关指令控制干细胞培养，同时也把干细胞培养数据上传云数据中心19；控制平台20同时负责为干细胞生长提供未来应用干细胞的患者生命场21；体系的培养温度由恒温系统22维持，系统状态由传感器23监控，通过数据接口24与控制平台20连接。

本实用新型所使用的循环装置，包括括干细胞巢1、心区2、肝区3、肺区4、脾区5、肾区6和胃区7，干细胞巢1的两端分别与肺区4和脾区5连接，所述胃区7与所述肝区3连接，所述心区2分别与肝区3、脾区5和肺区4连接，所述胃区7设置进液口，所述肾区6设置进液口和排废口，所述肺区4设置进气口和排气口，所述心区2内设置第一蠕动泵，干细胞巢1与脾区5之间设置第三控制阀门11。

在上述任一方案中优选的是，所述肺区4内设置气体透过膜17。

在上述任一方案中优选的是，所述肾区6内设置特定透析膜18。

在上述任一方案中优选的是，所述肾区6和脾区5之间设置两组管线，其中一个所述管线上设置第四控制阀门13，另一个所述管线上设置第三蠕动泵12。

在上述任一方案中优选的是，所述肺区4的进气口上设置第二蠕动泵9，所述排气口上设置第二控制阀门10。

在上述任一方案中优选的是，所述胃区7是可更换的营养液贮罐，胃区7连接无菌的动力气体，保持10-60mmhg压力范围，随时通过单向阀为肝区3提供新鲜营养液26与输送营养液的动力。

实施例二

s1根据干细胞生长环境的组成特点，选择胶原、纤黏连蛋白、层黏连蛋白、透明质酸与干细胞混合，利用1.5％海藻酸钠胶液包裹干细胞混合液，再使用100mmol/l钙离子形成固化的海藻酸钙凝胶并包裹在干细胞外周，为干细胞提供保护并能够保证干细胞在生长过程中有效摄取营养与排出代谢废物；

s2将凝胶保护的干细胞装载到干细胞巢1内，启动循环装置(已经预先完成装配及培养参数设置)进行干细胞培养，具体过程如下：

(1)设备运行前的脾区5无营养液，肝区3第一控制阀门8打开，胃区7主动向脾区5输送新鲜营养液26并到达脾区5液位的最低设定值，在心区(第一蠕动泵)2动力驱动下，营养液到达心区(第一蠕动泵)2进入到肺区4，营养液在肺区4接收来自气体透过膜17的氧气与二氧化碳后进入到干细胞巢1，为包裹在仿真细胞外基质中的干细胞提供营养与氧气；气体交换由第二蠕动泵9与第二控制阀门10协同提供动力，氧气与二氧化碳由无菌空气25提供；

(2)营养液再通过第三控制阀门11从干细胞巢1流出并进入到脾区5；

(3)脾区5内营养液一部分与来自肝区3的新鲜营养液26一起进入心区(第一蠕动泵)2，再经过肺区4后进入干细胞巢1为干细胞供给营养与氧气；另一部分经过第三蠕动泵12驱动进入到肾区6并经过第四控制阀门13返回脾区5；肾区有特定透析膜18可以滤除干细胞生长过程产生的尿素等代谢废物27，避免代谢废物27影响干细胞生长；透析液14经过第四蠕动泵15进行肾区6，再经过第五控制阀门16排出；

(4)控制平台20可以从云数据中心19获取相关指令控制干细胞培养，同时也把干细胞培养数据上传云数据中心19；控制平台20同时负责为干细胞生长提供未来应用干细胞的患者生命场21；体系的培养温度由恒温系统22维持，系统状态由传感器23监控，通过数据接口24与控制平台20连接；

(5)通过人体功能仿真，干细胞能够在模拟未来应用干细胞的患者生理体征环境中生长，培养的干细胞可以经历与未来应用干细胞的患者血压的收缩压与舒张压变化、脉搏变化的锤炼，使得干细胞进入患者血液后有更好的细胞成活率，保障归巢能力与功效实现。

与现有技术对比

表1培养方法对干细胞培养的影响

a现有2d培养技术：无压力培养、ph7.35、温度为36.5℃、5％二氧化碳含量、标准培养液，细胞存活率为85％，入血成活率35％，归巢能力5％。

b现有2d培养技术：无压力培养、ph7.45、温度为37.5℃、20％二氧化碳含量、标准培养液，细胞存活率为80％，入血成活率33％，归巢能力0.5％。

c现有2d培养技术：无压力培养、ph7.40、温度为37℃、10％二氧化碳含量、标准培养液，细胞存活率为85％，入血成活率33％，归巢能力3％。

d仿真培养技术：压力100mmhg、ph7.35、温度为36.5℃、含氧量(包括溶解氧与结合氧)10ml/100ml培养液、含二氧化碳量(包括溶解态与结合态)55ml/100ml培养液、仿脉搏60次/分钟时，细胞存活率为90％，入血成活率45％，归巢能力3％。

e仿真培养技术：压力120mmhg、ph7.40、温度为37.0℃、含氧量(包括溶解氧与结合氧)20ml/100ml培养液、含二氧化碳量(包括溶解态与结合态)45ml/100ml培养液、仿脉搏80次/分钟时，细胞存活率为95％，入血成活率50％，归巢能力11％。

f仿真培养技术：压力160mmhg、ph7.45、温度为37.5℃、含氧量(包括溶解氧与结合氧)10ml/100ml培养液、含二氧化碳量(包括溶解态与结合态)55ml/100ml培养液、仿脉搏100次/分钟时，细胞存活率为90％，入血成活率45％，归巢能力5％。

g仿真培养技术：压力180mmhg、ph7.35、温度为37.5℃、含氧量(包括溶解氧与结合氧)20ml/100ml培养液、含二氧化碳量(包括溶解态与结合态)55ml/100ml培养液、仿脉搏70次/分钟时，细胞存活率为93％，入血成活率49％，归巢能力7％。

h仿真培养技术：压力120mmhg、ph7.35、温度为36.5℃、含氧量(包括溶解氧与结合氧)10ml/100ml培养液、含二氧化碳量(包括溶解态与结合态)55ml/100ml培养液、仿脉搏60次/分钟时，细胞存活率为90％，入血成活率45％，归巢能力6％。

如表1所示，与现有技术相比，通过本实用新型的3d仿真培养方法培养的干细胞，其培养存活率、入血成活率以及归巢能力均高于现有的2d培养技术。

本领域技术人员不难理解，本实用新型的干细胞的仿真培养装置包括上述本实用新型说明书的实用新型内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。