CN112481077B

CN112481077B - 一种微流控灌流培养装置及其灌流方法

Info

Publication number: CN112481077B
Application number: CN202011382150.5A
Authority: CN
Inventors: 吕雪飞; 王文甲; 徐建栋; 邓玉林; 任培
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-11-08
Anticipated expiration: 2040-12-01
Also published as: CN112481077A

Abstract

本发明提供了一种微流控灌流培养装置，包括流体控制单元、培养腔室单元、基底液路单元，流体控制单元通过泵体将培养基接入基底液路单元，基底液路单元通过电磁阀的通断控制液路选择，从而将培养基流入培养腔室，实现培养腔室的循环灌流培养。本发明能够减少人力和资源的浪费，自动化实现液体的分流控制、微生物或细胞的的长时间高通量灌流培养及实时观察与检测，本系统进行微生物或细胞的培养检测操作简单、节省空间，可以在地面或航天微重力环境下使用。

Description

一种微流控灌流培养装置及其灌流方法

技术领域

本发明属于生物医学检测领域，具体涉及一种集成注射泵和电磁阀于一体的微流控灌流培养装置及其灌流方法。

背景技术

传统微生物或细胞培养方法多为贴壁和二维生长，主要是在培养皿/培养瓶等装置中进行细胞的体外增殖。传统培养方法虽然有很多优越性，但其操作过程繁琐、耗时长且成本高。培养皿板相对细胞和微生物而言过于庞大，难以定量控制相关参数，客观情况下不能准确反映真实生长状况，从而降低了细胞及微生物研究的可靠性。

微流控芯片技术，是通过微尺度下流体的控制，将生物、化学、医学分析过程中的样品制备、富集、反应、分离、检测单元集成至芯片上，具有小型化、低成本、液体流体可控、消耗试剂少、分析速度快、易于集成化规模化等特点，已经被广泛应用于生物学和医学研究领域。通过各种结构单元，例如微阀、微泵及浓度梯度生成器等设计，能够更好地模拟体内生理环境，实现多种细胞培养研究的集成，以达到自动分析的目的。微流控芯片技术已成为当今世界最前沿技术之一，同时微流控芯片材质具有良好的生物兼容性，能够维持微生物及细胞的长期培养，结合其结构设计灵活、规模集成的特点，可大大提高工作效率，为微生物或细胞培养提供良好的研究平台。

现有微生物或细胞的培养方法主要基于传统的培养皿/培养瓶等，主要依靠人工进行培养基的更替操作，操作不便。相比之下，通过芯片进行微生物或细胞的灌流培养可以实现高通量以及较高的可控性与重复性。

我国载人空间站将建成国家太空实验室，空间生命科学是载人航天的重要研究领域，而空间微生物/细胞培养是空间生命科学研究的重要基础。因空间环境体积狭小，需以最优配比实现空间利用率，因此要尽量减小搭载装置的体积；由于空间环境搭载能源有限，应尽量降低额外的能源消耗，在保证相关设施的正常运行外，应尽量降低功耗；航天搭载实验应尽量保证简单可控，在无人操作时保证仪器自行正常运转。而另一方面由于空间环境飞行会降低宇航员的工作能力，所以应尽量减少人工操作，以保证低实验误差。

传统的微生物/细胞培养方式不能满足空间生命科学研究的需求，而微流控芯片因其微型化、消耗试样少、高通量的特点，可控的微阀微泵流体操控及灵活多变的微通道设计有利于构建多种空间生物学效应模型，能够满足载人航天搭载任务的各项需求。因此，研究一种能够实现自动化液体的分流控制，高通量灌流培养及实时观察与检测的微流控灌流培养装置，对于开展空间生命科学和航天医学研究，探究空间细胞生物学、空间生物学效应机制等研究工作具有十分重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术上的问题，本发明提供一种集成注射泵和电磁阀于一体的微流控灌流培养装置及其灌流方法，能适应地面常规环境，同时适应空间微重力环境，可在空间环境下使用。

本发明提供以下技术方案：

一种微流控灌流培养装置，包括流体控制单元、培养腔室单元、基底液路单元，流体控制单元通过泵体将培养基接入基底液路单元，基底液路单元通过电磁阀的通断控制液路选择，从而将培养基注入培养腔室，实现培养腔室的灌流培养。

进一步地，所述流体控制单元包括与基底液路单元的泵通道连接的泵体，与基底液路单元的进液通道连接的进液池，与基底液路单元的液体流出通道连接的废液袋。

进一步地，所述泵体为注射泵、蠕动泵或压力泵。

进一步地，所述培养腔室单元内设有培养腔室，培养腔室的侧面设有注液通道，液体从培养腔室上方流入，注液通道的底端与基底液路单元的液体流入通道连接，培养腔室底面设有过滤膜，过滤膜下方设有出液孔，出液孔与所述基底液路单元的液体流出通道相连，所述培养腔室单元上方设有上层盖板。

进一步地，所述培养腔室的横截面形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形；所述培养腔室的横截面的半径或者对角线长度为1-100mm，高度为0.6-2mm；体积为50-500μL；所述上层盖板与培养腔室单元的内径相匹配，能够与培养腔室相密封。

进一步地，所述上层盖板对于培养腔室的位置为透光材质，其余位置为磨砂材质。

进一步地，所述基底液路单元将电磁阀连接在设有液路通道的芯片基底上，电磁阀为三通阀，其进口和第一出口、第二出口连接在所述基底液路单元上，电磁阀进口与泵通道相连，第一出口与进液通道相连，第二出口与液体流入通道相连。

进一步地，所述设有液路通道的芯片基底为PC、PS、PMMA或PET，培养腔室单元与基底液路单元之间通过螺丝连接、垫圈密封或者两层结构一体成型。

进一步地，所述培养腔室为一个或若干个。

进一步地，所述电磁阀为若干个，每个电磁阀对应控制一个培养腔室。

一种微流控灌流培养装置的灌流方法，包括以下步骤：

a.将所述培养腔室进行灭菌处理；

b.将目标培养物预先置于培养腔室中，将培养腔室单元、基底液路单元各接触面进行密封；

c.将流体控制单元与所述电磁阀的管路进行连接，设定阀门和电磁阀的开闭程序及循环次数，进行目标培养物的灌流培养；

d.灌流培养过程中通过上层盖片透明位置进行实时光学观察与检测。

进一步地，步骤d后还包括步骤e：培养结束后，对目标培养物进行测试，移除上层盖片，取出测试。

一种多控制微流控灌流培养装置，包括所述流体控制单元、所述培养腔室单元、所述基底液路单元，所述流体控制单元通过所述泵体将培养基接入所述基底液路单元，所述基底液路单元控制所述培养腔室单元的培养基进液、出液，所述基底液路单元设有四个电磁阀，四电磁阀之间电磁阀A与电磁阀B联通，电磁阀B与电磁阀C、D连通，以四电磁阀的通断控制液路的选择，实现培养腔室的灌流培养。

进一步地，所述基底液路单元将四个电磁阀连接在设有液路通道的芯片基底上，电磁阀为三通阀，其进口和第一出口、第二出口设置在所述基底液路单元上，电磁阀A的进口与泵通道相连，电磁阀A的第一出口与进液通道相连，电磁阀A的第二出口与电磁阀B的进口相连；电磁阀B的第一出口与电磁阀D的进口相连，电磁阀B的第二出口与电磁阀C的进口相连；电磁阀C的第一出口与第一培养腔的注液通道相连，电磁阀C的第二出口与第二培养腔的注液通道相连；电磁阀D的第一出口与第四培养腔的注液通道相连，电磁阀D的第二出口与第三培养腔的注液通道相连。

进一步地，在电磁阀D的下游还连有更多电磁阀，对更多培养腔室的液体灌流进行控制。

进一步地，信号控制泵体的开关，信号控制电磁阀的通断，电磁阀断电时进口与第一出口连通，电磁阀通电时进口与第二出口连通。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、本发明可以代替传统培养模式，减少人力和资源的浪费，自动化实现液体的分流控制、微生物或细胞的的长时间高通量灌流培养及实时观察与检测，本系统进行微生物或细胞的培养检测操作简单、节省空间，优于传统的微生物及细胞培养。

2、本装置能适应地面常规环境，同时适应空间微重力环境，可使用在空间环境下。

3、本发明的装置降低了在空间等特殊环境下微生物等培养及检测观察的成本，同时系统长时间工作下功耗低，节约了空间资源以及电力资源。

4、本发明的装置可以远程操作，也可自动化完成，可以节省大量的人力资源。

附图说明

图1是本发明微流控灌流培养装置的结构示意图；

图2是本发明多控制微流控灌流培养装置的结构示意图；

图3是本发明培养腔室单元的结构示意图；

图4是本发明基底液路单元的结构示意图。

附图标记如下：1-培养腔室单元，11-培养腔室，12-注液通道，13-上层盖板，14-出液孔，2-基底液路单元，21-电磁阀，22-泵通道，23-进液通道，24-液体流出通道，25-电磁阀A进口，26-电磁阀A第一出口，27-电磁阀A第二出口，28-电磁阀B进口，29-电磁阀B第一出口，210-电磁阀B第二出口，211-电磁阀C进口，212-电磁阀C第一出口，213-电磁阀C第二出口，214-电磁阀D进口，215-电磁阀D第一出口，216-电磁阀D第二出口，217-第一培养腔的注液通道，218-第二培养腔的注液通道，219-第三培养腔的注液通道，220-第四培养腔的注液通道

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的结构图及具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种微流控灌流培养装置，包括流体控制单元、培养腔室单元1、基底液路单元2，流体控制单元通过泵体将培养基接入基底液路单元，基底液路单元通过电磁阀21的通断控制液路选择，从而将培养基流入培养腔室11，实现培养腔室的循环灌流培养。

流体控制单元包括与基底液路单元的泵通道22连接的泵体，与基底液路单元的进液通道23连接的进液池，与基底液路单元的液体流出通道24连接的废液袋。其中，泵体可以为注射泵、蠕动泵或压力泵。

培养腔室单元内设有培养腔室，培养腔室的侧面设有注液通道12，液体从培养腔室上方流入，注液通道的底端与基底液路单元的液体流入通道连接，培养腔室底面设有过滤膜，过滤膜下方设有出液孔14。过滤膜保证培养基流出，目标培养物细胞或者微生物被截留，从过滤膜流出的培养基通过液体流出通道24流入废液袋。出液孔与基底液路单元的液体流出通道24相连，培养腔室单元上方设有上层盖板13。

培养腔室的横截面形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形；培养腔室的横截面的半径或者对角线长度为1-100mm，高度为0.6-2mm；体积为50-500μL；上层盖板与培养腔室单元的内径相匹配，能够与培养腔室相密封。上层盖板对于培养腔室的位置为透光材质，其余位置为磨砂材质。在培养室对应位置对培养腔室进行观察。

基底液路单元将电磁阀连接在设有液路通道的芯片基底上，电磁阀可以采用螺栓连接。电磁阀为三通阀，其进口和第一出口、第二出口连接在基底液路单元上，电磁阀进口与泵通道相连，第一出口与进液通道相连，第二出口与液体流入通道相连。电磁阀断电，电磁阀进口与第一出口相通，泵通道与进液通道连通，泵体抽取培养基至泵体内，电磁阀通电，电磁阀进口与第二出口相通，泵体里的培养基流入液体流入通道，多出的培养基从过滤膜下的出液孔流出，通过液体流出通道进入废液袋，完成对培养腔室灌流。

设有液路通道的芯片基底为可以为PC、PS、PMMA或PET中的一种。

优选的，培养腔室可以为一个或若干个。液体流入通道可以设计多个支流，分别对应不同的培养腔室，多个培养腔室流出的废液汇集到液体流出通道中，这样能够实现由一个电磁阀控制多个培养腔室的循环灌流。

本发明也可以采用涉及多个电磁阀和多个培养腔室，这样每个电磁阀对应控制一个培养腔室的液体灌流。

实施例2

本发明提供了一种微流控灌流培养装置的灌流方法，包括以下步骤：

a.将培养腔室进行灭菌处理；灭菌方法包括但不限于以下方法：酒精、紫外线或气体灭菌。

b.将目标培养物微生物或细胞冻干粉预先置于培养腔室中，将培养腔室单元、基底液路单元各接触面进行密封；上层盖板与培养腔室层对齐并依次安装过滤装置、垫圈，通过螺丝固定于芯片基底上，微生物菌粉或细胞冻干粉预先置于培养腔室中，垫圈作用为密封通道及上下层接触面，防止漏液。

c.将流体控制单元与电磁阀的管路进行连接，设定阀门和电磁阀的开闭程序及循环次数，进行目标培养物的灌流培养；

e如果需要对芯片内的目标培养物进行后续测试，可以移除上层盖片，将芯片内的待测物取出测试。

通过软件程序控制阀体和电磁阀的通断，程序设定控制流体操控单元抽取培养基到泵体，并且控制电磁阀通断电，实现液体流过培养腔室，在培养期间，每间隔一定预设时间，进行一次泵体进液。程序设定循环结束后，电磁阀断电，泵体复位。

实施例3

如图2-4所示，本发明提供了另一种多控制微流控灌流培养装置，包括流体控制单元、培养腔室单元1、基底液路单元2，流体控制单元通过泵体将培养基接入基底液路单元，基底液路单元控制培养腔室单元的培养基进液、出液，基底液路单元设有四个电磁阀21，四电磁阀之间电磁阀A与电磁阀B联通，电磁阀B与电磁阀C、D连通，以四电磁阀的通断控制液路的选择，实现培养腔室的循环灌流培养。

培养腔室单元内设有培养腔室11，培养腔室的侧面设有注液通道12，液体从培养腔室上方流入，注液通道的底端与基底液路单元的液体流入通道连接，培养腔室底面设有过滤膜，过滤膜下方设有出液孔，出液孔与基底液路单元的液体流出通道相连，培养腔室单元上方设有上层盖板13。

基底液路单元将四个电磁阀连接在设有液路通道的芯片基底上，电磁阀为三通阀，其进口和第一出口、第二出口设置在基底液路单元上，电磁阀A的进口25与泵通道22相连，电磁阀A的第一出口26与进液通道23相连，电磁阀A的第二出口27与电磁阀B的进口28相连；电磁阀B的第一出口29与电磁阀D的进口214相连，电磁阀B的第二出口210与电磁阀C的进口211相连；电磁阀C的第一出口212与第一培养腔的注液通道217相连，电磁阀C的第二出口213与第二培养腔的注液通道218相连；电磁阀D的第一出口215与第四培养腔的注液通道220相连，电磁阀D的第二出口216与第三培养腔的注液通道219相连。电磁阀断电时进口与第一出口连通，电磁阀通电时进口与第二出口连通。

电磁阀A断电培养基流入泵体，电磁阀A、B通电，电磁阀C断电，对第一培养腔灌流；电磁阀A、B通电，电磁阀C通电，对第二培养腔灌流；电磁阀A通电，电磁阀B、D断电，对第三培养腔灌流；电磁阀A、D通电，电磁阀B断电，对第四培养腔灌流。

优选的，在电磁阀D的下游还连有更多电磁阀，通过液路设计，对更多培养腔室的液体灌流进行控制，可以实现细胞或微生物的高通量培养。多电磁阀联合控制的模式，在不同腔室中加入不同样品，可以通过信号控制实现不同细胞或微生物的同时灌流培养，具有操作简单、小型化、成本低、通量高等优势。

由信号控制泵体的开关，信号控制电磁阀的通断，本发明的装置可以远程操作，实现自动化操作。能适应地面常规环境，同时适应空间微重力环境，可使用在空间环境下。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种多控制微流控灌流培养装置，包括流体控制单元、培养腔室单元、基底液路单元，其特征在于，流体控制单元通过泵体将培养基接入基底液路单元，基底液路单元通过电磁阀的通断控制液路选择，从而将培养基注入培养腔室，实现培养腔室的灌流培养,所述泵体为注射泵、蠕动泵或压力泵所述流体控制单元包括与基底液路单元的泵通道连接的泵体，与基底液路单元的进液通道连接的进液池，与基底液路单元的液体流出通道连接的废液袋；

所述培养腔室单元内设有培养腔室，培养腔室的侧面设有注液通道，液体从培养腔室上方流入，注液通道的底端与基底液路单元的液体流入通道连接，培养腔室底面设有过滤膜，过滤膜下方设有出液孔，出液孔与所述基底液路单元的液体流出通道相连，所述培养腔室单元上方设有上层盖板；

所述基底液路单元控制所述培养腔室单元的培养基进液、出液，所述基底液路单元设有四个电磁阀，四电磁阀之间电磁阀A与电磁阀B联通，电磁阀B与电磁阀C、D连通，以四电磁阀的通断控制液路的选择，实现培养腔室的灌流培养；

所述基底液路单元将四个电磁阀连接在设有液路通道的芯片基底上，电磁阀为三通阀，其进口和第一出口、第二出口设置在所述基底液路单元上，电磁阀A的进口与泵通道相连，电磁阀A的第一出口与进液通道相连，电磁阀A的第二出口与电磁阀B的进口相连；电磁阀B的第一出口与电磁阀D的进口相连，电磁阀B的第二出口与电磁阀C的进口相连；电磁阀C的第一出口与第一培养腔的注液通道相连，电磁阀C的第二出口与第二培养腔的注液通道相连；电磁阀D的第一出口与第四培养腔的注液通道相连，电磁阀D的第二出口与第三培养腔的注液通道相连。

2.根据权利要求1所述的多控制微流控灌流培养装置，其特征在于，所述培养腔室的横截面形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形；所述培养腔室的横截面的半径或者对角线长度为1-100mm，高度为0.6-2mm；体积为50-500μL；所述上层盖板与培养腔室单元的内径相匹配，能够与培养腔室相密封。

3.根据权利要求1所述的多控制微流控灌流培养装置，其特征在于，所述上层盖板对于培养腔室的位置为透光材质，其余位置为磨砂材质。

4.根据权利要求1所述的多控制微流控灌流培养装置，其特征在于，所述设有液路通道的芯片基底为PC、PS、PMMA或PET，培养腔室单元与基底液路单元之间通过螺丝连接、垫圈密封或者两层结构一体成型。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的多控制微流控灌流培养装置，其特征在于，在电磁阀D的下游还连有更多电磁阀，对更多培养腔室的液体灌流进行控制。

6.根据权利要求1所述的多控制微流控灌流培养装置，其特征在于，信号控制泵体的开关，信号控制电磁阀的通断，电磁阀断电时进口与第一出口连通，电磁阀通电时进口与第二出口连通。

7.一种根据权利要求1所述的多控制微流控灌流培养装置的灌流方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.将所述培养腔室进行灭菌处理；

8.根据权利要求7所述的多控制微流控灌流培养装置的灌流方法，其特征在于，步骤d后还包括步骤e：培养结束后，对目标培养物进行测试，移除上层盖片，取出测试。