一种低损失率的仿人大规模干细胞自动培养设备

本发明属于生物学设备领域，具体涉及一种低损失率的仿人大规模干细胞自动培养设备。

背景技术：

1、干细胞治疗作为国际战略性、前瞻性的重大科学议题，对心力衰竭、神经退行性疾病等许多缺乏有效治疗手段的重症具有明显治疗效果。规模化、高质量、安全稳定的细胞培养设备是制约干细胞治疗推广的瓶颈问题。三维细胞培养技术与设备可显著提高干细胞的生产效率、保证生产质量、提升应用效果，因此研制一种提升细胞产品质量、提高干细胞生产数量同时具备自动化生产功能的设备有重要意义。

2、在干细胞规模化培养中，细胞培养体积对细胞生长和代谢产物的积累有直接的影响。一般而言，较大的培养体积可以提供更多的养分和氧气供应，从而促进细胞的生长和繁殖。然而，过大的培养体积也可能带来一些问题。例如，较大的培养体积可能导致培养环境的不均匀，从而导致在不同位置的细胞存在生长差异。现有解决方案是整体培养体积后通过大量的搅拌混合提升设备内的不同位置间的环境均一性，例如区国强在专利号为cn112852633a的专利“一种干细胞规模化培养生物反应器系统”中通过增加喷射装置和搅拌装置解决生物反应罐罐体内培养液搅拌不均匀的问题。但搅拌、喷射、曝气等机械运动必然会产生剪切力对细胞造成损伤，使细胞培养过程中的细胞损耗增大，影响细胞存活并限制培养密度的提升，因此需要发明一种低细胞损失率的，可扩展的规模化干细胞培养设备。

3、为提高干细胞生产的质量，保证细胞的各项生理指标，在细胞体外培养时会精确控制培养环境。现有细胞培养设备主要检测并调控细胞培养环境中的ph、温度和溶解氧浓度，例如陈海佳在专利号为cn115803428a的专利“一种利用干细胞规模化培养装置高效制备外泌体的方法”中通过培养微环境调控系统监测并调控反应釜中的ph、温度和溶氧。但研究证明，人体内环境的压力对干细胞的细胞状态、增殖速度、多能性与稳定性均有影响，而现有干细胞培养过程中，由于压力与ph和溶解氧浓度等环境参数耦合难以精确调控，故并未设置可控的压力培养环境。现有干细胞培养方法在压力、溶解氧、ph等环境因素控制方面仍存在无法同时调控的问题，导致细胞状态、增殖速度等与体内实际生存相比存在差异，阻碍了干细胞治疗的发展。因此需要发明一种包含血压在内的仿人体内环境的干细胞培养设备。

4、此外，相对于传统的人工手动培养设备，自动化生产设备可以显著提高生产效率，实现持续、高通量的培养操作，从而避免了人工操作中可能出现的繁琐和耗时的步骤。同时，搭配先进的控制系统和传感器技术，可以实时监测和调整培养环境，确保培养条件的稳定性和一致性，从而提高干细胞培养的效率和质量。

5、综上，临床生产亟需一种低损失率、可扩展、全自动的规模化干细胞培养设备，该设备在细胞培养过程中可耦合调控培养环境ph、压力和溶解氧浓度，达到在体外仿真人体内细胞生长环境的目的，提升培养干细胞的数量和质量，从而推进我国细胞治疗产业的发展。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有细胞体外培养技术存在的问题，提出一种低损失率、可扩展、全自动的规模化干细胞培养设备，该设备在细胞培养过程中可耦合调控培养环境ph、压力和溶解氧浓度，达到大幅度提高培养的细胞质量和数量的目的，为细胞治疗产业发展提供技术支持。

2、本技术提供了一种低损失率的仿人大规模干细胞自动培养设备，包括固定台，所述固定台上安装有培养模块；所述固定台上设置有用于罩住所述培养模块的无菌罩，所述无菌罩内设置有消杀装置；所述固定台的一侧设置有控制柜；所述固定台内部固装有混合模块和装置柜，其中装置柜安装在混合模块左侧，通过气管、硅胶管、数据线、通讯线等连接；还包括若干个循环模块、摇动模块、压力调节模块；所述循环模块连接混合模块和培养模块，使所述混合模块内富养的培养基流入所述培养模块，所述培养模块内贫养的培养基流入所述混合模块；所述摇动模块，与所述培养模块连接，用于驱动所述培养模块晃动；所述压力调节模块与所述培养模块连接，用于调节所述培养模块内的气压。

3、在本技术的一些可能的实施方式中，所述循环模块包括第一蠕动泵、第二蠕动泵、第一单向阀、第二单向阀、第一夹管阀、第二夹管阀；所述循环模孔具有两对端口，所述第一蠕动泵、所述第一单向阀、所述第一夹管阀依次串连在其中一对端口之间，所述第二蠕动泵、所述第二单向阀、所述第二夹管阀依次串连在另一对端口之间，每对端口的其中一个端口与所述培养模块连接，每对端口的另一个端口与所述混合模块连接。

4、在本技术的一些可能的实施方式中，所述压力调节模块包括第一气管、第二气管、第二细菌过滤器、第三细菌过滤器、压力传感器、调压比例阀；所述第二气管、所述第三细菌过滤器、所述压力传感器、所述调压比例阀的其中一个端口依次连接，所述第一气管、所述第二细菌过滤器、所述调压比例阀的另一个端口依次连接，所述第一气管以及所述第二气管分别与所述培养模块连接。

5、在本技术的一些可能的实施方式中，所述培养模块包括固定安装在固定台上的培养台和可拆卸安装在所述培养台内部的若干个可独立工作的细胞培养罐；所述摇动模块包括若干个摇床；所述摇床均固定在培养台内部底端；所述摇床台面上可拆卸安装柔性半包裹式加热器；所述培养模块的培养罐可拆卸安装在柔性半包裹式加热器中，所述培养模块的培养罐和柔性半包裹式加热器均可以跟随摇床台面运动而运动。

6、在本技术的一些可能的实施方式中，所述细胞培养罐内部设置有传感器组和细胞筛网；所述细胞培养罐罐盖上固定有连通管，所述连通管的一端位于所述细胞培养罐外，另一端位于所述细胞培养罐内，所述连通管包括长管a、短管a和取样管，所述取样管的一端位于所述细胞培养罐内；所述细胞筛网固定在所述长管a外围，与所述长管a同轴心装配，其底部与所述长管a底端留有间距；所述传感器组为非接触测量装置，固装在所述细胞培养罐内的独立小室中。

7、在本技术的一些可能的实施方式中，所述混合模块包括混合罐、柔性环绕式加热器、第一搅拌桨、第二搅拌桨、第一连接杆、第二连接杆、第一搅拌电机、第二搅拌电机、曝气盘、第一细菌过滤器、长管组、短管组、进样管、弃液管；

8、所述第一细菌过滤器与所述曝气盘连接；

9、所述控制柜内装有中央控制器和多参数变送器；所述传感器组通过信号线和通讯线与多参数变送器连接，能够将信息传输至多参数变送器，并接受多参数变送器的调控；

10、所述装置柜内安装有气体导入模块、样本处理模块和废液模块；其中所述气体导入模块包括空气流量调节器、氮气流量调节器、二氧化碳流量调节器、氧气流量调节器、四混一进气阀；

11、所述空气流量调节器、所述氮气流量调节器、所述二氧化碳流量调节器、所述氧气流量调节器的一端分别与所述四混一进气阀的一端连接，所述四混一进气阀的另一端与所述第一细菌过滤器连接；

12、所述样本处理模块包括自动取样器、细胞分析仪、自动进样器、试剂架；

13、所述细胞分析仪与所述自动取样器连接，所述自动取样器与所述取样管连接；所述试剂架与所述自动进样器连接，所述自动进样器与所述进样管连接；

14、所述废液模块包括废液桶和弃液泵；

15、所述废液桶与所述弃液泵连接，所述弃液泵与所述弃液管连接。

16、在本技术的一些可能的实施方式中，所述混合罐外围环绕固定所述柔性环绕式加热器，使混合罐内的温度保持恒定；所述混合罐罐盖上固定有长管卡箍和短管卡箍；所述长管卡箍内可拆卸安装若干根长管共同组成长管组，用于连接所述循环模块将培养基导出所述混合罐，所述短管卡箍内可拆卸安装若干根短管共同组成短管组，用于连接所述循环模块将培养基导入所述混合罐；所述混合罐的盖顶左侧可拆卸安装第一搅拌电机，所述第一连接杆一端与第一搅拌电机的动力输出端连接，另一端与第一搅拌桨连接，所述第一搅拌桨位于所述混合罐内靠近曝气盘左侧的位置；所述混合罐的盖顶右侧可拆卸安装第二搅拌电机，所述第二连接杆一端与第二搅拌电机的动力输出端连接，另一端与第二搅拌桨连接，所述第二搅拌桨位于混合罐内靠近曝气盘右侧的位置；所述曝气盘位于混合罐内靠近混合罐的底部，与所述第一细菌过滤器一端通过硅胶管连接。

17、在本技术的一些可能的实施方式中，所述循环模块包括第一循环单元和第二循环单元，所述第一循环单元的一端与所述细胞培养罐内的长管a连接，另一端与所述混合罐内短管组中的短管连接；所述第二循环单元的一端与所述混合罐内长管组中的长管连接，另一端与所述细胞培养罐内的短管a连接；所述第一循环单元包括第一蠕动泵与第一单向阀、第一夹管阀，所述第一蠕动泵的一端与长管a连接，另一端与第一单向阀连通，所述第一单向阀与第一夹管阀连接，所述第一夹管阀未与第一单向阀连接的一端与所述短管组短管连接；所述第二循环单元包括第二蠕动泵与第二单向阀、第二夹管阀，所述第二蠕动泵的一端与短管a连接，另一端与第二单向阀连通，所述第二单向阀与第二夹管阀连接，所述第二夹管阀未与第二单向阀连接的一端与所述长管组中的长管连接。

18、在本技术的一些可能的实施方式中，所述气体导入模块中四混一进气阀通过硅胶管连接第一细菌过滤器一端，四混一进气阀另一端连接空气流量调节器、氮气流量调节器、二氧化碳流量调节器、氧气流量调节器，所述空气流量调节器、氮气流量调节器、二氧化碳流量调节器、氧气流量调节器另一端通过气管连接相应气瓶；

19、所述样本处理模块中的自动取样器的出样口通过样本输送管连接细胞分析仪中的检测小室，可以将自动取样器中取出的样品直接输送至细胞分析仪中进行观察和检测；所述自动取样器的取样口通过硅胶管连接所述细胞培养罐罐盖上的取样管；所述试剂架安装于所述装置柜中，所述试剂架用于放置试剂瓶，以便于所述自动进样器进样；所述自动进样器通过硅胶管连接所述混合罐罐盖上的进样管，将新的试剂添加入所述混合罐；

20、所述废液模块中弃液泵一端通过硅胶管连接混合罐罐盖上的弃液管，弃液泵未与弃液管连接的另一端连接有硅胶管且硅胶管直接插入废液桶内部。

21、在本技术的一些可能的实施方式中，所述传感器组包括温度传感器、溶解氧浓度传感器、ph传感器和二氧化碳浓度传感器；和/或，所述的第一细菌过滤器、第二细菌过滤器、第三细菌过滤器用于双向过滤气体中的细微杂质和细菌；和/或，所述培养模块的细胞培养罐和混合模块中的混合罐均为密闭耐压容器。

22、本发明具有以下优点：

23、(1)本发明实现了可降低细胞-营养物质混匀过程中细胞损失率的细胞培养。现有的培养设备中物质的混合主要由搅拌桨和曝气盘提供，不可避免对细胞造成剪切力损伤。若单纯采用摇动机构进行混合，随着培养体系的增加，液体表面与空气接触进行氧气的传输，培养罐内存在明显的溶解氧浓度梯度，不足以支撑罐内全部细胞对溶解氧的需求。因此，本发明将氧气等气体的曝气和营养物质的混合从细胞培养中独立出来，另设单独的混合模块，采用传统的搅拌和曝气保证培养基内营养物质充分混合均匀，细胞培养模块则通过摇床的温和摇动保证细胞的均匀分散，再通过循环系统将混合模块中混匀后富含营养物质的培养基和细胞培养模块中营养物质消耗的培养基流动置换，在提高营养物质传输特性和增强混合稳定性的基础上，去除了搅拌和曝气等混合动力源对细胞造成的剪切力损伤，实现细胞-营养物质混匀过程中的细胞低损失率。

24、(2)本发明实现了基于细胞低损失率的可扩展的大规模细胞培养。现有的干细胞扩大培养规模的方法主要为增加培养皿数量或增大单罐培养体积，但前者细胞仅能贴壁生长，数量远低于细胞依附于微载体在细胞培养罐内增殖的数量，后者则存在罐内营养物质分配不均的问题，若增加搅拌、喷射等混合动力源又会增大剪切力对细胞/细胞-微载体的伤害，造成细胞死亡，增大细胞培养过程中的损失率。本发明基于发明点(1)的方法在培养模块中增添多个细胞培养罐，每个培养罐都可以独立工作运行，均可以和混合模块组合进行细胞培养，通过选择使用细胞培养罐的数量可以实现可扩展的大规模细胞培养。

25、(3)本发明实现了基于多物理场解耦的人体内环境仿真培养关键环境参数控制。现有细胞培养设备及方法未能解决同时调控培养环境中的压力、ph、溶解氧浓度和温度的问题；本发明基于高灵敏度传感器反馈信号，通过内置控制模型对细胞培养环境多个物理场解耦分析，综合调控通过加热器和温度控制器调节细胞培养温度，在温度稳定后，通过调节通入细胞培养罐内的空气、氧气、氮气、二氧化碳四种气体的比例、速率和时间等，控制细胞生长环境中的压力、ph和溶解氧浓度；解决了现有技术在体外培养时无法同时调控环境压力、ph、溶解氧浓度和温度的问题，使细胞一直处于类似人体内的培养环境中，最大程度保证细胞的生产质量。

26、(4)本发明实现了基于发明点(1)、(2)和(3)的自动化细胞培养。目前采用劳动密集型的细胞培养方式，如人工添加培养基、取样、检测、扩大培养体系等大部分操作步骤易造成污染和产生较大误差，因此改为设备自动化运行，无需大量实验员即可完成细胞的批量生产，提高细胞培养过程的可重复性和稳定性，从而满足生产需求。