一种原位可变容积培养室及三维培养器和培养方法

1.本发明涉及生物培养技术领域，具体涉及一种原位可变容积培养室及三维培养器和培养方法。


背景技术：

2.三维(3d)细胞或类器官培养，是一种模拟体内三维生长环境的细胞培养方式。通过让细胞聚集成3d球体或者将细胞在成分结构类似于实体组织的三维结构载体上粘附、伸展和生长，从时间和空间上共同调控细胞的增殖和分化，使组织结构和功能得以较大程度保留。
3.目前体外细胞三维培养多采用筒式培养器，其问题在于多数的三维细胞培养器的容积是固定的，即培养器的内部容积是不可变的，因此在实际使用中，当在做不同体积的细胞或类器官培养实验时，就要更换不同的体积培养器，无法满足对不同细胞数量及相应培养基体积改变均能适用要求，造成了应用中的多种不便。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种原位可变容积培养室及三维培养器和培养方法，以解决现有技术中，由于培养器容积不可变而导致使用不便的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
6.一种原位可变容积培养室，其特征在于，包括，
7.容积可变培养室，所述容积可变培养室内部中空，一端设置为开口，另一端设置有细胞进出口，所述容积可变培养室内部设置有培养腔拉伸杆，所述培养腔拉伸杆通过所述开口向外部延伸；
8.所述培养腔拉伸杆的端部侧边缘与所述容积可变培养室的内壁保持滑动连接，所述培养腔拉伸杆的端面与所述容积可变培养室的内部端面之间形成培养室；
9.所述容积可变培养室上还设置有用于将所述培养腔拉伸杆的位置进行固定的固定组件。
10.作为本发明的一种优选方案，所述容积可变培养室用于培养细胞或类器官，所述培养腔拉伸杆包括拉伸杆主体和拉伸杆顶盖，所述拉伸杆顶盖设置在所述容积可变培养室内，所述拉伸杆顶盖与所述拉伸杆主体活动连接，所述拉伸杆顶盖的侧边缘设置有滑动密封圈，所述滑动密封圈与所述容积可变培养室的内壁滑动密封连接。
11.作为本发明的一种优选方案，所述拉伸杆顶盖上开设有透气孔，在所述透气孔上设置有透气膜，所述透气膜设置在所述培养室内；
12.所述拉伸杆主体内部中空，且所述拉伸杆主体远离所述拉伸杆顶盖的一端开设有孔洞并与外部空间连通。
13.作为本发明的一种优选方案，在所述细胞进出口上设置有密封件。
14.作为本发明的一种优选方案，所述固定组件包括固定部和固定螺栓，所述固定部
整体固定安装在所述容积可变培养室外壁上，所述固定部内设置有第一压紧橡胶圈，所述第一压紧橡胶圈与所述拉伸杆主体的外表面接触，所述固定螺栓与所述固定部通过螺纹咬合的方式连接，且所述第一压紧橡胶圈设置在所述固定螺栓和所述固定部之间，所述第一压紧橡胶圈通过所述固定螺栓的挤压以将所述拉伸杆主体固定。
15.作为本发明的一种优选方案，所述固定部包括固定螺母、t型套筒和第二压紧橡胶圈，其中，所述固定螺母套装在所述容积可变培养室靠近开口的端部外壁上，所述固定螺母具有内螺纹的内壁与所述容积可变培养室的外壁之间存在间隙，在所述间隙内设置有第二压紧橡胶圈，所述t型套筒的一端在所述间隙内通过螺纹咬合的方式与所述固定螺母的内螺纹连接，所述t型套筒通过旋进的方式挤压所述第二压紧橡胶圈以将所述固定螺母固定安装在所述容积可变培养室的外壁上；
16.所述t型套筒的内壁上设置有环形外凸节，所述环形外凸节贴合设置在所述拉伸杆主体的外壁上，在所述环形外凸节的一侧设置有第一压紧橡胶圈，且在第一压紧橡胶圈的一侧设置有所述固定螺栓，所述固定螺栓通过螺纹咬合的方式与所述t型套筒内壁螺旋连接，所述第一压紧橡胶圈通过所述固定螺栓的旋进挤压以固定所述拉伸杆主体。
17.一种具有所述原位可变容积培养室的三维培养器，包括，
18.培养基座，所述培养基座包括底座，所述底座上设置有支架，所述支架的一侧设置有转动机构；
19.原为可变容积培养室，所述原为可变容积培养室设置在所述支架的另一侧，且所述原为可变容积培养室与所述转动机构连接；
20.所述转动机构驱动所述原为可变容积培养室转动以对细胞及类器官进行培养。
21.作为本发明的一种优选方案，所述培养基座上还设置有用于改变所述原位可变容积培养室内部压力分布的供液-排液系统、以及用于调节所述原位可变容积培养室内部供气和排气速率的供气-排气系统，所述供气-排气系统对气室的供气流量为0.4-10ml/min，所述供液-排液系统的供液流量为0.1-10ml/min。
22.一种基于所述三维培养皿的细胞或类器官培养方法，按常规培养工艺将培养物、新鲜培养液通过所述细胞进口装入本发明的培养室内，培养条件与常规工艺的培养条件相同，其特征在于，所述培养室可旋转，所述培养室的转速随着细胞培养进程中细胞聚集体的形成而变化，所述培养室的转速要使得所述培养室内的剪应力由趋于零渐变至所培养细胞/组织的生理应力。
23.作为本发明的一种优选方案，所述培养室的转速决定于不同培养物的尺度在培养介质中的悬浮，大于或等于培养物悬浮的最小角速度。
24.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
25.本发明设置有容积可变培养室、拉伸杆主体和固定组件，并将由此些部件组成的培养器设置在旋转装置上，通过拉伸杆主体在容积可变培养室内的滑动以扩大或缩小培养室的体积，并通过固定组件将拉伸杆主体移动后的位置固定，进而达到改变培养液容积，实现细胞或类器官数量增减的目的。本装置可满足细胞三维的生长条件，又可随着培养过程中细胞生长、聚集、功能分化的需要来调控培养介质的应力水平，进而诱导细胞功能定向分化，生长成特定结构和功能的细胞。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
27.图1为本发明的整体结构示意图；
28.图2为本发明中容积可变培养室的剖视图；
29.图3为本发明中容积可变培养室的零件爆炸图。
30.图中的标号分别表示如下：
31.1、容积可变培养室；2、固定螺母；3、第二压紧橡胶圈；4、t型套筒；5、拉伸杆主体；6、固定螺栓；7、拉伸杆顶盖；8、细胞进出口；9、密封件；10、滑动密封圈；11、第一压紧橡胶圈；12、底座；13、支架；14、转动机构；15、培养腔拉伸杆；16、培养室；17、透气孔；18、固定部；19、环形外凸节；20、培养基座。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.如图1至图2所示，本发明提供了一种原位可变容积培养室及三维培养器和培养方法，在现有的细胞三维培养中，培养器的培养容积都是固定的，不仅限制了存于培养器内培养物的数量，同时也限制了已存于培养器内培养物的生长，因此，本发明提出一种能够改变容积的三维培养器。
34.容积可变培养室1，所述容积可变培养室1内部中空，一端设置为开口，另一端设置有细胞进出口8，所述容积可变培养室1内部设置有培养腔拉伸杆15，所述培养腔拉伸杆15通过所述开口向外部延伸；
35.所述培养腔拉伸杆15的端部侧边缘与所述容积可变培养室1的内壁保持滑动连接，所述培养腔拉伸杆15的端面与所述容积可变培养室1的内部端面之间形成培养室16；
36.所述容积可变培养室1上还设置有用于将所述培养腔拉伸杆15的位置进行固定的固定组件；
37.培养基座20，所述培养基座20上设置有转动机构14，所述容积可变培养室1安装在所述培养基座20上，且所述容积可变培养室1与所述转动机构14连接，所述转动机构14驱动所述容积可变培养室1转动以对细胞及类器官进行培养。
38.本装置主要是通过培养腔拉伸杆15在容积可变培养室1内的滑动来解决现有三维培养器的容积不可变的问题。在容积可变培养室1内，培养腔拉伸杆15的端部与容积可变培养室1内部端面形成用于培养细胞的培养室16，当培养腔拉伸杆15在容积可变培养室1内移动时，培养腔拉伸杆15的端部与容积可变培养室1内部端面的距离就会改变，从而改变培养室16的容积。以此，来在未开始进行培养之前增加培养物数量，以及在培养中改变容积大小。
39.原位可变容积的培养室可以实现在培养过程中细胞或类器官的扩增/生长，在培养过程中改变体积，可扩增培养腔体积生长更多的细胞或类器官。
40.进一步的，培养腔拉伸杆15包括拉伸杆主体5和拉伸杆顶盖7，拉伸杆顶盖7设置在容积可变培养室1内，拉伸杆顶盖7与拉伸杆主体5活动连接，拉伸杆顶盖7的侧边缘设置有滑动密封圈10，滑动密封圈10与容积可变培养室1的内壁滑动密封连接。
41.拉伸杆顶盖7上开设有透气孔17，在透气孔17上设置有透气膜，透气膜设置在培养室16内。
42.拉伸杆主体5内部中空，且拉伸杆主体5远离拉伸杆顶盖7的一端开设有孔洞并与外部空间连通。
43.通过利用拉伸杆顶盖7边部的滑动密封圈10与容积可变培养室1的内壁滑动连接，这就使得培养腔拉伸杆15在容积可变培养室1内滑动时能够使培养室16成为密闭空间，防止培养液的外流。
44.并且，还在拉伸杆顶盖7上设置透气孔17，将拉伸杆主体5内部设置为中空，令培养室16通过透气孔17和中空的拉伸杆主体5与外界形成空气回路，令外部气体能够通过此空气回路进入到培养室16内供培养物使用，也可令培养室16内培养物产生的废气从空气回路中流出，实现在线换气。
45.进一步的，在细胞进出口8上设置有密封件9。在本装置中，容积可变培养室1远离开口的端部设置有细胞进出口8，用于注入待培养的细胞，而细胞进出口8可以设置为如图1所示的外突的凸嘴，而在此凸嘴上可以设置密封件9，具体的，密封件9可以为如图1所示的密封帽，将培养室16进行封闭。
46.如图1所示，固定组件包括固定部18和固定螺栓6，固定部18整体固定安装在容积可变培养室1外壁上，固定部18内设置有第一压紧橡胶圈11，第一压紧橡胶圈11与拉伸杆主体5的外表面接触，固定螺栓6与固定部18通过螺纹咬合的方式连接，且第一压紧橡胶圈11设置在固定螺栓6和固定部18之间，第一压紧橡胶圈11通过固定螺栓6的挤压以将拉伸杆主体5固定。
47.固定部18包括固定螺母2、t型套筒4和第二压紧橡胶圈3，其中，固定螺母2套装在容积可变培养室1靠近开口的端部外壁上，固定螺母2具有内螺纹的内壁与容积可变培养室1的外壁之间存在间隙，在间隙内设置有第二压紧橡胶圈3，t型套筒4的一端在间隙内通过螺纹咬合的方式与固定螺母2的内螺纹连接，t型套筒4通过旋进的方式挤压第二压紧橡胶圈3以将固定螺母2固定安装在容积可变培养室1的外壁上。
48.t型套筒4的内壁上设置有环形外凸节19，环形外凸节19贴合设置在拉伸杆主体5的外壁上，在环形外凸节19的一侧设置有第一压紧橡胶圈11，且在第一压紧橡胶圈11的一侧设置有固定螺栓6，固定螺栓6通过螺纹咬合的方式与t型套筒4内壁螺旋连接，第一压紧橡胶圈11通过固定螺栓6的旋进挤压以固定拉伸杆主体5。
49.在本装置中，拉伸杆主体5被固定住的方法在于第一压紧橡胶圈11和第二压紧橡胶圈3。如图1所示，当固定螺栓6在t型套筒4内旋转移动时，其移动至底部就会挤压第一压紧橡胶圈11，横截面呈圆形的第一压紧密封圈此时就会被压扁，形成横截面为椭圆形的，进一步第一压紧橡胶圈11就会抵紧在拉伸杆主体5的外壁上，从而增大与拉伸杆主体5的摩擦力，将培养腔拉伸杆15固定住。而固定螺母2固定在容积可变培养室1上也是利用了同种原
理。并且，只需要旋转固定螺栓6即可，固定螺栓6旋转推进带动t型套筒4移动，从而挤压第二压紧橡胶圈3，以达到紧固连接容积可变培养室1外壁的目的。
50.另外，还提供一种使用具有可变容积培养室的三维培养器以及培养方法进行细胞或类器官三维培养的方法，按常规培养工艺将培养物、新鲜培养液通过细胞进口8装入本发明的培养室16内，培养条件与常规工艺的培养条件相同，培养室16可旋转，培养室16的转速随着细胞培养进程中细胞聚集体的形成而变化，培养室16的转速要使得培养室16内的剪应力由趋于零渐变至所培养细胞/组织的生理应力。
51.培养室16的转速决定于不同培养物的尺度在培养介质中的悬浮，大于或等于培养物悬浮的最小角速度。
52.另外，在培养过程中，供气-排气系统对气室的供气流量可以设定为0.4-10ml/min，供液-排液系统的供液流量可以设定为0.1-10ml/min。
53.如图2所示，本装置的旋转可以安装在旋转装置进行，具体的，旋转装置包括底座12，底座12上设置有支架13，支架13一侧设置有转动机构14，另一侧安装有培养器，培养器与转动机构14连接，支架13上还设置有用于改变培养器内压力分布的供液-排液系统(图中未示出)以及用于调节培养器内供气和排气速率的供气-排气系统(图中未示出)。
54.以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。

技术特征：
1.一种原位可变容积培养室，其特征在于，包括，容积可变培养室(1)，所述容积可变培养室(1)内部中空，一端设置为开口，另一端设置有细胞进出口(8)，所述容积可变培养室(1)内部设置有培养腔拉伸杆(15)，所述培养腔拉伸杆(15)通过所述开口向外部延伸；所述培养腔拉伸杆(15)的端部侧边缘与所述容积可变培养室(1)的内壁保持滑动连接，所述培养腔拉伸杆(15)的端面与所述容积可变培养室(1)的内部端面之间形成培养室(16)；所述容积可变培养室(1)上还设置有用于将所述培养腔拉伸杆(15)的位置进行固定的固定组件。2.根据权利要求1所述的一种原位可变容积培养室，其特征在于，所述容积可变培养室(1)用于培养细胞或类器官，所述培养腔拉伸杆(15)包括拉伸杆主体(5)和拉伸杆顶盖(7)，所述拉伸杆顶盖(7)设置在所述容积可变培养室(1)内，所述拉伸杆顶盖(7)与所述拉伸杆主体(5)活动连接，所述拉伸杆顶盖(7)的侧边缘设置有滑动密封圈(10)，所述滑动密封圈(10)与所述容积可变培养室(1)的内壁滑动密封连接。3.根据权利要求2所述的一种原位可变容积培养室，其特征在于，所述拉伸杆顶盖(7)上开设有透气孔(17)，在所述透气孔(17)上设置有透气膜，所述透气膜设置在所述培养室(16)内；所述拉伸杆主体(5)内部中空，且所述拉伸杆主体(5)远离所述拉伸杆顶盖(7)的一端开设有孔洞并与外部空间连通。4.根据权利要求1所述的一种原位可变容积培养室，其特征在于，在所述细胞进出口(8)上设置有密封件(9)。5.根据权利要求1所述的一种原位可变容积培养室，其特征在于，所述固定组件包括固定部(18)和固定螺栓(6)，所述固定部(18)整体固定安装在所述容积可变培养室(1)外壁上，所述固定部(18)内设置有第一压紧橡胶圈(11)，所述第一压紧橡胶圈(11)与所述拉伸杆主体(5)的外表面接触，所述固定螺栓(6)与所述固定部(18)通过螺纹咬合的方式连接，且所述第一压紧橡胶圈(11)设置在所述固定螺栓(6)和所述固定部(18)之间，所述第一压紧橡胶圈(11)通过所述固定螺栓(6)的挤压以将所述拉伸杆主体(5)固定。6.根据权利要求1所述的一种原位可变容积培养室，其特征在于，所述固定部(18)包括固定螺母(2)、t型套筒(4)和第二压紧橡胶圈(3)，其中，所述固定螺母(2)套装在所述容积可变培养室(1)靠近开口的端部外壁上，所述固定螺母(2)具有内螺纹的内壁与所述容积可变培养室(1)的外壁之间存在间隙，在所述间隙内设置有第二压紧橡胶圈(3)，所述t型套筒(4)的一端在所述间隙内通过螺纹咬合的方式与所述固定螺母(2)的内螺纹连接，所述t型套筒(4)通过旋进的方式挤压所述第二压紧橡胶圈(3)以将所述固定螺母(2)固定安装在所述容积可变培养室(1)的外壁上；所述t型套筒(4)的内壁上设置有环形外凸节(19)，所述环形外凸节(19)贴合设置在所述拉伸杆主体(5)的外壁上，在所述环形外凸节(19)的一侧设置有第一压紧橡胶圈(11)，且在第一压紧橡胶圈(11)的一侧设置有所述固定螺栓(6)，所述固定螺栓(6)通过螺纹咬合的方式与所述t型套筒(4)内壁螺旋连接，所述第一压紧橡胶圈(11)通过所述固定螺栓(6)的旋进挤压以固定所述拉伸杆主体(5)。
7.一种具有权利要求1-6中任一项所述原位可变容积培养室的三维培养器，包括，培养基座(20)，所述培养基座(20)包括底座(12)，所述底座(12)上设置有支架(13)，所述支架(13)的一侧设置有转动机构；原为可变容积培养室，所述原为可变容积培养室设置在所述支架的另一侧，且所述原为可变容积培养室与所述转动机构(14)连接；所述转动机构(14)驱动所述原为可变容积培养室转动以对细胞及类器官进行培养。8.根据权利要求7中所述的一种三维培养器，其特征在于，所述培养基座(20)上还设置有用于改变所述原位可变容积培养室内部压力分布的供液-排液系统、以及用于调节所述原位可变容积培养室内部供气和排气速率的供气-排气系统，所述供气-排气系统对气室的供气流量为0.4-10ml/min，所述供液-排液系统的供液流量为0.1-10ml/min。9.一种基于权利要求8中所述三维培养器培养细胞或类器官的培养方法，按常规培养工艺将培养物、新鲜培养液通过所述细胞进口(8)装入本发明的培养室(16)内，培养条件与常规工艺的培养条件相同，其特征在于，所述培养室(16)可旋转，所述培养室(16)的转速随着细胞培养进程中细胞聚集体的形成而变化，所述培养室(16)的转速要使得所述培养室(16)内的剪应力由趋于零渐变至所培养细胞/组织的生理应力。10.根据权利要求9中所述细胞或类器官的培养方法，其特征在于，所述培养室(16)的转速决定于不同培养物的尺度在培养介质中的悬浮，大于或等于培养物悬浮的最小角速度。

技术总结
本发明公开了一种原位可变容积培养室及三维培养器和培养方法，包括容积可变培养室，容积可变培养室内部中空，一端设置为开口，另一端设置有细胞进出口；培养腔拉伸杆，培养腔拉伸杆设置在容积可变培养室内，培养腔拉伸杆的端部侧边缘与容积可变培养室的内壁保持滑动连接；固定组件，设置在容积可变培养室上。本装置通过固定组件将拉伸杆主体移动后的位置固定，进而达到改变培养液容积，实现细胞或类器官数量增减的目的。本装置可满足细胞三维的生长条件，又可随着培养过程中细胞生长、聚集、功能分化的需要来调控培养介质的应力水平，进而诱导细胞功能或定向分化，生长成具有特定结构和功能的细胞或类器官。构和功能的细胞或类器官。构和功能的细胞或类器官。


技术研发人员：吕东媛 高宇欣 孙树津 杜宇 龙勉
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/1