一种纳米气泡干细胞规模化培养生物反应器系统技术方案

本发明专利技术属于生物细胞培养技术领域，具体为一种纳米气泡干细胞规模化培养生物反应器系统。本发明专利技术系统包括纳米气泡发生器、供气系统、全封闭反应器罐体、排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统、自动化软件控制系统。其中，全封闭反应器罐体作为干细胞规模化培养的反应装置放置干细胞培养液；纳米气泡发生器产生纳米级别大小的气泡，提供给全封闭反应器罐体内的干细胞培养液；自动化软件控制系统用于控制供气系统、排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统。本发明专利技术利用纳米制造技术实现充分供氧，结构简单、方便实用，可广泛应用于干细胞大规模化培养。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术属于生物细胞培养
，具体涉及一种纳米气泡干细胞规模化培养生物反应器系统。

技术介绍

细胞是生命的基本单位，犹如分子是物质的基本单位一样，细胞的功能决定了器官以及组织的功能，器官组织再构成了生命体。例如心肌细胞构成了心脏，成为人体不可或缺的器官。心脏的细胞本身不具备自我更新的能力，因此在面对心衰等机理性心肌细胞死亡的疾病时，心肌细胞死亡后便不再自我更新，带来器官的细胞数量不足，导致心脏功能衰竭。而干细胞是一类具有自我更新能力以及分化成为多种其它功能性细胞，例如心肌细胞、神经细胞等功能性细胞能力的“原始细胞”。新的心脏疾病治疗理念就是注射混合干细胞来源的心肌细胞，这种混合细胞具有自我更新的能力，因此具有修复功能。这些有效的细胞疗法，特别是在临床开发应用中，都需要大量的这类细胞，因此这些细胞规模化制造成为迫在眉睫的问题。
干细胞生物反应器是干细胞体外培养的关键设备，为干细胞提供了一个适宜的生长环境，使之快速增殖并形成所需的生物组织制品。但是由于干细胞在其形态结构、培养方法以及所需的力学环境等方面均不同于微生物细胞，因而传统的微生物反应器显然已不适用于干细胞大规模培养。
根据研究表明干细胞具有无细胞壁、对剪切极端敏感等特点，同时对干细胞生长控制，还要注意防止细胞分化和细胞凋亡，这些特点要求干细胞生物反应器必须具有低剪切效应，混合性能好等特点。根据气液传质和流体力学等理论的指导，细胞与流体剪切力、细胞与气泡相互作用机理已逐步厘清，可通过机械搅拌和直接通气鼓泡来强化气液传质能力和流体混合条件。但是研究也发现如要使培养过程和生物反应器能支持108cell/ml以上细胞高密度生长的能力，关键还在于同时能够有效消除流体剪切和气泡对细胞的损伤与破损作用。可是氧气在水中的溶解度较低，为维持在规模化大体积培养液中有恒定的溶解氧，通常还得采用连续不断地进行气液传质来供氧，且氧气泡直径越小，氧传质速率越大，供氧效果越好。传统的生物反应器通常采用膜过滤器产生气泡，但是产生的气泡都在微米级别以上，迄今还未有纳米气泡产生装置应用于生物反应器，这主要是由于实验条件的限制，科学家对纳米气泡的结构、形貌、物理特性等内在机制还处于研究阶段。但近年随着纳米制造技术的发展，研究已证明在气液界面经过疏水表面时，将空气卷入可以形成纳米气泡，甚至疏水修饰的硅片在水体中其表面自发就能形成稀疏的圆形气泡。另外关于氧气泡的研究成果表明：宏观级别氧气泡（直径毫米级别以上），氧气泡快速上浮液面破裂产生剪切力损伤细胞，并且氧气泡直径越小剪切力越大；但是微观级别氧气泡（直径微米级别及以下），特别是纳米级氧气泡，由于氧气泡的比表面积大，氧气泡中的氧气体在水中溶解速度快，氧气泡在水中缓慢上浮过程中变小最后完全溶解。因此如何强化供氧混合与防止细胞破损是达到干细胞规模化培养放大而迫切需要解决的问题。

技术实现思路

本专利技术的目的在于针对目前干细胞规模化培养生物反应器的供氧混合与防止细胞破损的相互统一难题，突破干细胞规模化培养产业化发展的瓶颈，结合前沿纳米制造技术，提出一种纳米气泡干细胞规模化培养的生物反应器系统。
本专利技术提出的纳米气泡干细胞规模化培养生物反应器系统，包括：纳米气泡发生器、供气系统、全封闭反应器罐体、排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统、自动化软件控制系统；所述纳米气泡发生器设置于全封闭反应器罐体，所述供气系统与纳米气泡发生器连通；所述排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统分别通过管道与全封闭反应器罐体连通；所述自动化软件控制系统分别与控制供气系统、排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统连接；其中：
所述全封闭反应器罐体作为干细胞规模化培养的反应装置，其中放置干细胞培养液；
所述供气系统用于向纳米气泡发生器提供气源；
所述的纳米气泡发生器用于产生纳米级别大小的气泡，提供给全封闭反应器罐体内的干细胞培养液；
所述排气系统用于排放全封闭反应器罐体体内上部气体；
所述PH调节系统用于调节全封闭反应器罐体内干细胞培养液的PH值；
所述补料系统用于向全封闭反应器罐体内实时动态补充干细胞培养液营养物质；
所述温度控制系统用于调节全封闭反应器罐体内干细胞培养液的温度；
所述消泡系统采用智能化消泡电极消除全封闭反应器罐体内意外泡沫；
所述自动化软件控制系统用于控制供气系统、排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统。
进一步，本专利技术中：
所述的全封闭反应器罐体包括硼硅玻璃罐体及不锈钢罐盖。
所述的供气系统包括气体控制混合室、供气管线、气源。所述气源有空气、氧气、氮气、二氧化碳四种。气体控制混合室可选择单一氧气或者四种气体混合以及调节混合室内气体气压，然后提供给纳米气泡发生器。
所述的纳米气泡发生器采用布满阵列纳米孔的硅基板。硅基板上的纳米孔直径在1纳米到500纳米之间。
所述的排气系统只有在全封闭反应器罐体体内上部气体压强超过设置压强时开启排放功能。
本专利技术的反应器系统是这样运行的：
自动化软件控制系统设置气体、气压值、排气气压值、PH值、培养液浓度值、温度等参数，全封闭反应器罐体准备好干细胞培养液及用于扩增的干细胞；紧接着自动化软件控制系统控制供气系统的气体控制混合室选择气体以及调节混合室内气体气压，然后通过纳米气泡发生器向全封闭反应器罐体的干细胞培养液注入一定流速的纳米气泡，纳米气泡一方面在上升的过程中不断溶解变小，另一方面诱导干细胞培养液在罐体内产生微流动循环；排气系统根据自动化软件控制界面设置的罐体气体压力值自动触发排气功能；PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统分别通过各自所配的传感器实时动态控制全封闭反应器罐体培养液的PH值、培养液浓度值、温度、泡沫去除。
本专利技术提出的纳米气泡干细胞规模化培养生物反应器系统，利用纳米制造技术生成纳米气泡实现充分供氧，具有低剪切力、低细胞破损、结构简单、方便实用的特点，可广泛应用于干细胞大规模培养。本专利技术克服了目前干细胞规模化培养生物反应器的供氧混合与防止细胞破损的相互统一难题，可满足干细胞在规模化培养产业化发展。
附图说明
图1本专利技术的纳米气泡干细胞规模化培养的生物反应器系统的总体结构框图。
图2本专利技术实施例的纳米气泡干细胞规模化培养的生物反应器系统的总体结构框图。
图3本专利技术实施例的全封闭反应器罐体及纳米气泡发生器的结构框图。
图4本专利技术实施例的纳米气泡发生器生成纳米氧气泡及质流流动过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，更具体地描述本专利技术，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。
图1为本专利技术的纳米气泡干细胞规模化培养的生物反应器系统的总体结构框图。具体如图2所示，包括：纳米气泡发生器10、供气系统20、全封闭反应器罐体30、排气系统40、PH调节系统50、补料系统60、温度控制系统70、消泡系统80、自动化软件控制系统90。
图3为本专利技术实施例的全封闭反应器罐体及纳米气泡发生器的结构框图，其中包括：纳米气泡发生器10、纳米孔11、供气管道21、全封闭反应器罐体30、硼硅玻璃罐体31、不锈钢罐盖32。
实施例1：
某型纳米气泡干细胞规模化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米气泡干细胞规模化培养生物反应器系统，其特征在于包括：纳米气泡发生器、供气系统、全封闭反应器罐体、排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统、自动化软件控制系统；所述纳米气泡发生器设置于全封闭反应器罐体，所述供气系统与纳米气泡发生器连通；所述排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统分别通过管道与全封闭反应器罐体连通；所述自动化软件控制系统分别与控制供气系统、排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统连接；其中：所述全封闭反应器罐体作为干细胞规模化培养的反应装置，其中放置干细胞培养液；所述供气系统用于向纳米气泡发生器提供气源；所述的纳米气泡发生器用于产生纳米级别大小的气泡，提供给全封闭反应器罐体内的干细胞培养液；所述排气系统用于排放全封闭反应器罐体体内上部气体；所述PH调节系统用于调节全封闭反应器罐体内干细胞培养液的PH值；所述补料系统用于向全封闭反应器罐体内实时动态补充干细胞培养液营养物质；所述温度控制系统用于调节全封闭反应器罐体内干细胞培养液的温度；所述消泡系统采用智能化消泡电极消除全封闭反应器罐体内意外泡沫；所述自动化软件控制系统用于控制供气系统、排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统。...

【技术特征摘要】
1.一种纳米气泡干细胞规模化培养生物反应器系统，其特征在于包括：纳米气泡发生器、供气系统、全封闭反应器罐体、排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统、自动化软件控制系统；所述纳米气泡发生器设置于全封闭反应器罐体，所述供气系统与纳米气泡发生器连通；所述排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统分别通过管道与全封闭反应器罐体连通；所述自动化软件控制系统分别与控制供气系统、排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统连接；其中：
所述全封闭反应器罐体作为干细胞规模化培养的反应装置，其中放置干细胞培养液；
所述供气系统用于向纳米气泡发生器提供气源；
所述的纳米气泡发生器用于产生纳米级别大小的气泡，提供给全封闭反应器罐体内的干细胞培养液；
所述排气系统用于排放全封闭反应器罐体体内上部气体；
所述PH调节系统用于调节全封闭反应器罐体内干细胞培养液的PH值；
所述补料系统用于向全封闭反应器罐体内实时动态补充干细胞培养液营养物质；
所述温度控制系统用于调节全封闭反应器罐体...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志辉，周向前，王志敏，刘文，
申请(专利权)人：上海产业技术研究院，上海尤格恩生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31