细胞培养单元及具有其的回转培养装置和干细胞扩增系统的制作方法

本实用新型涉及生物医学技术领域，更具体地，涉及一种细胞培养单元及具有其的回转培养装置和干细胞扩增系统。

背景技术：

干细胞在现代医疗与科研中有着重要的应用，但是干细胞的高效、高质量扩增却一直是一个难题。

传统的细胞培养或扩增是将细胞种植在培养瓶、培养皿等中，待细胞增殖至一定的密度就需要细胞消化下来、离心收集然后再分散至多个培养瓶中继续培养。

此种方法简单可靠，但是，也有以下不足之处：1)培养瓶、培养皿等培养器材，细胞在其表面的生长条件为二维环境，因为与体内三维环境迥异，在实际应用中随着培养代数的增加细胞的生长特性会有改变，特别是干细胞会随着培养代数的增加干性会有明显损失；2)产出率不高，不能实现高效率的干细胞扩增，干细胞在二维平面增殖至一定密度后就会出现接触抑制，并且浓度过高也会导致干细胞容易分化，丢失可分化的潜能；3)是一种静态培养，细胞培养过程中代谢产物溶液堆积影响干细胞的生长，且普通的市面上的动态培养系统，是灌注式的，产生很大的剪切力，非常容易刺激干细胞的分化从而造成干细胞培养、扩增失败；4)大量的研究文献和实验表明饲养层细胞的加入共培养有利于了保持干细胞的生长和干性维持，而传统的培养是没有的；5)长时间培养过程中，反复打开培养瓶进行换液、传代等操作就大大增加了污染的风险。

技术实现要素：

为克服上述现有技术中的至少一种缺陷，本实用新型提供一种细胞培养单元及具有其的回转培养装置和干细胞扩增系统。本实用新型可以为干细胞提供一个具有低剪切力，但是重力可调的动态培养环境，实现高质量、高效率的干细胞扩增。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种细胞培养单元，其中，包括内支架，所述内支架的内部设有第一电纺膜，所述第一电纺膜的上下两面可接种相同或者不同的细胞，所述内支架上设有与所述内支架内部空间连通的进液口和出液口。这样，在使用该细胞培养单元时，将待共培养的细胞分别种植在第一电纺膜的上下两个表面上，然后再将培养液循环单元连接在进液口和出液口上，即可以实现培养液在细胞培养单元内与外界的储存培养液的容器之间循环流动，实现共培养细胞的动态培养。细胞培养单元培养细胞时，以干细胞扩增培养为例，可以将干细胞和饲养层细胞分别种植、培养在第一电纺膜的两表面上，这就是一种共培养系统，干细胞种植在靠近第一电纺膜的上表面。干细胞可以是胚胎干细胞、骨髓充间质干细胞、脂肪充间质干细胞等，饲养层细胞可以是包皮成纤维细胞、输卵管上皮细胞、小鼠胚胎成纤维细胞等。饲养层细胞分泌的胶原蛋白、生长因子等物质有利于干细胞的生长和保持干性。

进一步的，所述进液口与所述内支架内部所述第一电纺膜上方的空间连通，所述出液口与所述内支架内部所述第一电纺膜下方的空间连通，使得培养液可持续流经所述第一电纺膜以对细胞进行培养。

进一步的，所述内支架的内部还设有第二电纺膜，所述第二电纺膜位于所述进液口下方且位于所述第一电纺膜上方。这样，进液口是在第二电纺膜之上，第二电纺膜的作用是隔绝流动液体产生的剪切力对待培养细胞产生刺激作用；培养液通过进液口进入细胞培养单元后，是先进入第二电纺膜上方的空间，然后通过第二电纺膜上微孔的扩散作用到达第一电纺膜，让待培养细胞吸收，因此待培养细胞不会受到培养液流动时剪切力的刺激，最后穿过第一电纺膜的培养液通过出液口排出细胞培养单元。

进一步的，所述细胞培养单元还包括外筒和顶盖，所述内支架置于所述外筒内，所述顶盖上设有与所述进液口和所述出液口对应的让位孔，所述进液口和所述出液口可伸出所述让位孔而使所述顶盖盖合在所述内支架上。这样，可以为细胞培养提供一个相对封闭的环境，避免不必要的影响。

进一步的，所述第一电纺膜和第二电纺膜均由纳米微丝制成。这样可以提供模拟细胞生长的三维微环境。

本实用新型还提供一种回转培养装置，其中，包括一级或者多级旋转支架、旋转接头以及转动连接在所述旋转支架上的细胞培养舱，所述细胞培养舱包括一个或者多个如上述的细胞培养单元，所述多个细胞培养单元并列安装在所述细胞培养舱内；所述旋转接头上具有连通细胞培养舱内部和外部的通道。

作为一种优选方案，所述回转培养装置包括第一旋转支架，所述第一旋转支架的两侧设有第一旋转接头，所述第一旋转支架通过所述第一旋转接头与所述细胞培养舱的两端转动连接，通过所述第一旋转接头可与所述细胞培养舱内部实现液体连通。

作为另一种优选方案，所述回转培养装置还包括第二旋转支架，所述第二旋转支架相对的两侧分别与所述第一旋转接头转动连接，使得所述第二旋转支架连接于第一旋转支架上且能够绕x轴旋转。所述第二旋转支架的另外两侧设有第二旋转接头，所述第二旋转支架通过所述第二旋转接头与所述细胞培养舱的两端转动连接，通过所述第二旋转接头可与所述细胞培养舱内部实现液体连通。

作为另一种优选方案，所述回转培养装置包括第三旋转支架，所述第三旋转支架相对的两侧分别与所述第二旋转接头转动连接，使得所述第三旋转支架连接于所述第二旋转支架上且能够绕y轴旋转。所述第三旋转支架的另外两侧设有第三旋转接头，所述第三旋转支架通过所述第三旋转接头与所述细胞培养舱的两端转动连接，使得所述细胞培养舱在所述第三旋转支架上能够绕z轴旋转，并且，通过所述第三旋转接头可与所述细胞培养舱内部实现液体连通。

本实用新型中，绕x、y、z轴旋转运动的第二旋转支架、第三旋转支架及细胞培养舱可以改变细胞培养舱内的重力值，从而为细胞培养提供适宜的机械应力刺激。在第一旋转支架两侧的第一旋转接头上连接上培养液循环单元，即可以通过各旋转接头以及各旋转支架实现培养液在旋转的细胞培养舱内与外界的储存培养液的容器之间循环流动。

优选的，所述第二旋转支架内部和第三旋转支架内部均分为相互独立的进液区和出液区；所述第二旋转支架两侧的第一旋转接头，其中一个与第二旋转支架内部的进液区连通，另一个与第二旋转支架内部的出液区连通；所述第三旋转支架两侧的第二旋转接头，其中一个一端与第二旋转支架内部的进液区连通，另一端与第三旋转支架内部的进液区连通，另一个一端与第二旋转支架内部的出液区连通，另一端与第三旋转支架内部的出液区连通；所述细胞培养舱两端的第三旋转接头，其中一个一端与第三旋转支架内部的进液区连通，另一端与细胞培养舱内的细胞培养单元的进液口连通，另一个一端与第三旋转支架内部的出液区连通，另一端与细胞培养舱内的细胞培养单元的出液口连通。这样可以保证在连接培养液循环单元后，培养液能够更好的在培养装置中循环流动。

本实用新型还提供一种干细胞扩增系统，其中，包括细胞培养装置、培养液循环单元和控制单元，所述细胞培养装置为上述的回转培养装置，所述培养液循环单元的两端分别与所述细胞培养装置第一旋转支架两侧的第一旋转接头连接形成循环回路，所述控制单元分别与所述细胞培养装置和培养液循环单元连接。控制单元可以控制独立绕x、y、z轴旋转运动的第二旋转支架、第三旋转支架及细胞培养舱的旋转速度，从而改变细胞培养舱内的重力值，为干细胞培养提供适宜的机械应力刺激。控制单元还可以控制培养液循环单元的启停工作，实现培养液在旋转的细胞培养舱内与外界的储存培养液的容器之间循环流动。这样，就可以提供一种重力可调，且同时具有低剪切力的培养环境，既能保证干细胞干性的保留又能实现动态培养。

进一步的，所述培养液循环单元包括循环管路，沿循环管路依次设置的负压泵、储液罐以及蠕动泵，所述循环管路的两端分别与所述细胞培养装置第一旋转支架两侧的第一旋转接头连接。

优选的，所述循环管路包括第一循环管路和第二循环管路，所述第一循环管路的一端与所述细胞培养装置主支架需要出液一侧的第一旋转接头连接，另一端与所述储液罐连接，所述负压泵设在所述第一循环管路上；所述第二循环管路的一端与所述细胞培养装置主支架需要进液一侧的第一旋转接头连接，另一端与所述储液罐连接，所述蠕动泵设在所述第二循环管路上。培养液在培养液循环单元的驱动源是蠕动泵和负压泵，从储液罐里面出来的培养液经蠕动泵的推动，通过循环管路、细胞培养装置上对应的各旋转接头及各旋转支架的进液区到达细胞培养舱；在细胞培养舱内的培养液是通过负压泵吸取，流经对应的各旋转接头及各旋转支架的出液区出来，这样缓慢流动，再返回到储液罐。

进一步的，所述培养液循环单元还包括设在所述循环管路上，优选为第二循环管路上的ph计、氧浓度仪和空气交换器。ph计和氧浓度仪可以实时监测培养液里面的ph值和溶氧浓度，保证细胞良好的生存条件；空气交换器可以使得培养液在循环时具有良好的空气环境，避免滋生细菌。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的干细胞扩增系统中，细胞培养单元内设置有电纺膜，干细胞和饲养层细胞可分别种植在电纺膜的上下两面，实现细胞共培养；电纺膜是由纳米微丝制造而成，可以提供模拟细胞生长的三维微环境，更加接近体内环境的三维生长微环境有利于细胞的粘附和增殖；并且，培养液在细胞培养单元里面是动态循环的，电纺膜三维微环境还可以实现较高密度的干细胞生长，提高细胞的扩增效率。

本实用新型的干细胞扩增系统中，电纺膜可提供较大的三维生长空间，且培养液在细胞培养单元内部循环流动，可以避免反复打开培养瓶进行换液、传代等操作，减小了污染的风险。

本实用新型能够提供一种重力可调，且同时具有低剪切力的培养环境，既能保证干细胞干性的保留又能实现动态培养，提高干细胞的增殖效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的整体结构示意图。

图2是本实用新型实施例1中内支架的纵向剖面示意图。

图3是本实用新型实施例4的整体结构示意图。

图4是本实用新型实施例5的整体结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1和图2所示，一种细胞培养单元，其中，包括内支架2，所述内支架2的内部设有第一电纺膜7，所述第一电纺膜7的上下两面可接种相同或者不同的细胞，所述内支架2上设有与所述内支架2内部空间连通的进液口4和出液口5。这样，在使用该细胞培养单元时，将待共培养的细胞分别种植在第一电纺膜7的上下两个表面上，然后再将培养液循环单元连接在进液口4和出液口5上，即可以实现培养液在细胞培养单元内与外界的储存培养液的容器之间循环流动，实现共培养细胞的动态培养。细胞培养单元培养细胞时，以干细胞扩增培养为例，可以将干细胞24和饲养层细胞25分别种植、培养在第一电纺膜的两表面上，这就是一种共培养系统。干细胞24可以是胚胎干细胞、骨髓充间质干细胞、脂肪充间质干细胞等，饲养层细胞25可以是包皮成纤维细胞、输卵管上皮细胞、小鼠胚胎成纤维细胞等。饲养层细胞25分泌的胶原蛋白、生长因子等物质有利于干细胞24的生长和保持干性。

如图1和图2所示，所述进液口4与所述内支架2内部所述第一电纺膜7上方的空间连通，所述出液口5与所述内支架2内部所述第一电纺膜7下方的空间连通，使得培养液可持续流经所述第一电纺膜7以对细胞进行培养。

如图1和图2所示，所述内支架2的内部还设有第二电纺膜6，所述第二电纺膜6位于所述进液口4下方且位于所述第一电纺膜7上方。这样，进液口4是在第二电纺膜6之上，第二电纺膜6的作用是隔绝流动液体产生的剪切力对待培养细胞产生刺激作用；培养液通过进液口4进入细胞培养单元后，是先进入第二电纺膜6上方的空间，然后通过第二电纺膜6上微孔的扩散作用到达第一电纺膜7，让待培养细胞吸收，因此待培养细胞不会受到培养液流动时剪切力的刺激，最后穿过第一电纺膜7的培养液通过出液口5排出细胞培养单元。

如图1和图2所示，所述细胞培养单元还包括外筒1和顶盖3，所述内支架2置于所述外筒1内，所述顶盖3上设有与所述进液口4和所述出液口5对应的让位孔，所述进液口4和所述出液口5可伸出所述让位孔而使所述顶盖3盖合在所述内支架2上。这样，可以为细胞培养提供一个相对封闭的环境，避免不必要的影响。

本实施例中，所述第一电纺膜7和第二电纺膜6均由纳米微丝制成。这样可以提供模拟细胞生长的三维微环境。

实施例2

一种回转培养装置，其中，包括一级或者多级旋转支架、旋转接头以及转动连接在所述旋转支架上的细胞培养舱9，所述细胞培养舱9包括一个或者多个如上述的细胞培养单元，所述多个细胞培养单元并列安装在所述细胞培养舱9内；所述旋转接头上具有连通细胞培养舱9内部和外部的通道。

本实施例中，所述回转培养装置包括第一旋转支架8，第一旋转支架8的两侧设有第一旋转接头10，所述第一旋转支架8通过所述第一旋转接头10与所述细胞培养舱9的两端转动连接，通过所述第一旋转接头10可与所述细胞培养舱9内部实现液体连通。

实施例3

本实施例与实施例1类似，其区别在于，所述回转培养装置还包括第二旋转支架11，所述第二旋转支架11相对的两侧与所述第一旋转接头10转动连接，使得所述第二旋转支架11连接于第一旋转支架8上且能够绕x轴旋转。所述第二旋转支架11的另外两侧设有第二旋转接头12，所述第二旋转支架11通过所述第二旋转接头12与所述细胞培养舱9的两端转动连接，通过所述第二旋转接头12可与所述细胞培养舱9内部实现液体连通。本实施例的其他结构及工作原理与实施例1相同。

实施例4

本实施例与实施例2类似，其区别在于，如图3所示，所述回转培养装置还包括第三旋转支架13，所述第三旋转支架13相对的两侧与所述第二旋转接头12转动连接，使得所述第三旋转支架13连接于所述第二旋转支架11上且能够绕y轴旋转。所述第三旋转支架13的另外两侧设有第三旋转接头14，所述第三旋转支架13通过所述第三旋转接头14与所述细胞培养舱9的两端转动连接，使得所述细胞培养舱9在所述第三旋转支架13上能够绕z轴旋转，并且，通过所述第三旋转接头14可与所述细胞培养舱9内部实现液体连通。

本实施例中，绕x、y、z轴旋转运动的第二旋转支架11、第三旋转支架13及细胞培养舱9可以改变细胞培养舱9内的重力值，从而为细胞培养提供适宜的机械应力刺激。在第一旋转支架8两侧的第一旋转接头10上连接上培养液循环单元，即可以通过各旋转接头以及各旋转支架实现培养液在旋转的细胞培养舱9内与外界的储存培养液的容器之间循环流动。

本实施例中，所述第二旋转支架11内部和第三旋转支架13内部均分为相互独立的进液区和出液区；所述第二旋转支架11两侧的第一旋转接头10，其中一个与第二旋转支架11内部的进液区连通，另一个与第二旋转支架11内部的出液区连通；所述第三旋转支架13两侧的第二旋转接头12，其中一个一端与第二旋转支架11内部的进液区连通，另一端与第三旋转支架13内部的进液区连通，另一个一端与第二旋转支架11内部的出液区连通，另一端与第三旋转支架13内部的出液区连通；所述细胞培养舱9两端的第三旋转接头14，其中一个一端与第三旋转支架13内部的进液区连通，另一端与细胞培养舱9内的细胞培养单元的进液口4连通，另一个一端与第三旋转支架13内部的出液区连通，另一端与细胞培养舱9内的细胞培养单元的出液口5连通。这样可以保证在连接培养液循环单元后，培养液能够更好的在培养装置中循环流动。

实施例5

如图4所示，一种干细胞扩增系统，其中，包括细胞培养装置15、培养液循环单元16和控制单元，所述细胞培养装置15为上述的回转培养装置，所述培养液循环单元16的两端分别与所述细胞培养装置15第一旋转支架8两侧的第一旋转接头10连接形成循环回路，所述控制单元分别与所述细胞培养装置15和培养液循环单元16连接。控制单元可以控制独立绕x、y、z轴旋转运动的第二旋转支架11、第三旋转支架13及细胞培养舱9的旋转速度，从而改变细胞培养舱9内的重力值，为干细胞培养提供适宜的机械应力刺激。控制单元还可以控制培养液循环单元16的启停工作，实现培养液在旋转的细胞培养舱9内与外界的储存培养液的容器之间循环流动。这样，就可以提供一种重力可调，且同时具有低剪切力的培养环境，既能保证干细胞干性的保留又能实现动态培养。

如图4所示，所述培养液循环单元16包括循环管路17，沿循环管路17依次设置的负压泵18、储液罐19以及蠕动泵20，所述循环管路17的两端分别与所述细胞培养装置15第一旋转支架8两侧的第一旋转接头10连接。

如图4所示，所述循环管路17包括第一循环管路171和第二循环管路172，所述第一循环管路171的一端与所述细胞培养装置15主支架需要出液一侧的第一旋转接头10连接，另一端与所述储液罐19连接，所述负压泵18设在所述第一循环管路171上；所述第二循环管路172的一端与所述细胞培养装置15主支架需要进液一侧的第一旋转接头10连接，另一端与所述储液罐19连接，所述蠕动泵20设在所述第二循环管路172上。培养液在培养液循环单元16的驱动源是蠕动泵20和负压泵18，从储液罐19里面出来的培养液经蠕动泵20的推动，通过循环管路17、细胞培养装置15上对应的各旋转接头及各旋转支架的进液区到达细胞培养舱9；在细胞培养舱9内的培养液是通过负压泵18吸取，流经对应的各旋转接头及各旋转支架的出液区出来，这样缓慢流动，再返回到储液罐19。

如图4所示，所述培养液循环单元16还包括设在第二循环管路172上的ph计21、氧浓度仪22和空气交换器23。ph计21和氧浓度仪22可以实时监测培养液里面的ph值和溶氧浓度，保证细胞良好的生存条件；空气交换器23可以使得培养液在循环时具有良好的空气环境，避免滋生细菌。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。