一种基于中空纤维膜的细胞代谢连续监测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于中空纤维膜的细胞代谢连续监测装置与方法，该细胞代谢连续监测装置为多层膜结构的中空柱，由外至内依次包括细胞贴附生长层、中空纤维膜、基础导电层、电子转移层和生物功能材料层；监测方法为待测细胞在细胞贴附生长层上生长繁殖，造成细胞周围培养液中养分和代谢物浓度发生变化，培养液通过中空纤维膜上孔洞进行流动，实现最内层的生物功能材料层对葡萄糖、乳酸或过氧化氢特异性催化分解；在过氧化氢分解过程中会产生电子转移，该电子转移被基础导电层捕捉，再通过导电凝胶、电气连接接口传递给分析仪器，实现细胞代谢过程的连续监测。

A continuous monitoring device and method of cell metabolism based on hollow fiber membrane

【技术实现步骤摘要】
一种基于中空纤维膜的细胞代谢连续监测装置与方法
本专利技术涉及生物医学设备领域，具体涉及一种基于中空纤维膜的细胞代谢连续监测装置与方法。
技术介绍
肿瘤细胞长期处于应激的微环境中，细胞摄取营养物质及能量的代谢速度远高于正常细胞。正常细胞在致癌因子的作用下，转变成连续进行分裂增殖的肿瘤细胞后葡萄糖摄取量增加，代谢产物乳酸堆积量增加。改变与肿瘤发生发展之间的关系涉及复杂的生物学过程和多种分子机制，而代谢物及细胞感受代谢物异常在其中的作用日益受到关注。肿瘤细胞以糖酵解为主要能量获取方式，还能调整自身的能量感受通路，增强对代谢压力的适应，提高在低营养状态下的存活率，是肿瘤产生抗药性的因素之一。此外，肿瘤细胞还通过与免疫细胞竞争营养，而抑制抗肿瘤免疫，如：肿瘤细胞糖酵解增高可以引起肿瘤微环境中T细胞营养不良，抑制T细胞肿瘤免疫。因此连续监测肿瘤细胞的代谢路径及代谢产物是探明肿瘤生长、转移等机制的重要研究途径。肿瘤代谢领域的研究目前已扩展到肿瘤微环境层级，通过建立传感器原位连续监测微环境标志物变化趋势研究肿瘤细胞代谢通路，更能获取肿瘤细胞生长繁殖过程中消耗及代谢产物的细微变化，发现异常代谢途径，阐明其内在的分子机制，提高对肿瘤发展阶段确定的敏感性与准确性，将为肿瘤预防、早期诊断和治疗提供新思路。通过细胞代谢连续监测研究细胞如何感受代谢物异常，代谢异常对细胞的恶性转化作用以及对肿瘤免疫微环境的改造等是重要的前沿科学问题，也是与群众健康水平、生活质量密切相关的产业。现有技术中用于分析细胞外环境中代谢活动的传感器主要包括电化学类和光学类。如使用微流体芯片和电化学电极来检测暴露于各种培养环境的肿瘤细胞的糖、氧等物质消耗速率的变化。另如使用光学标记技术来跟踪糖代谢路径，确定细胞内代谢强度。近年来，随着临床对生物糖代谢微环境传感器技术要求由定性或半定量测试提高到了定量检测，目前该类传感器的发展都存在高灵敏度生化检测无法实现实时连续的问题。众多生物电化学检测的测试环境依托电解池，缺少贴近临床的实验环境与数据支持，与真实生物环境差异较大，在方法与技术表征上都具有很大的局限性，限制了细胞微环境中电化学研究在肿瘤细胞生物学研究及药物筛选中的推广应用。一般依托氧化酶体系进行测量的电化学传感器系统会在连续监测时生成大量过氧化氢，生成的过氧化氢对细胞有一定的毒性，会影响细胞生长繁殖，甚至造成细胞大量死亡。因此在细胞培养过程中直接连续使用传统的电化学传感器会造成培养液中过氧化氢浓度持续升高，进而严重影响细胞培养的正常开展。CN102199535A公开了一种非侵入式连续监测动态细胞数量或浓度的装置与方法，该装置包括细胞培养液供给系统、上游理生化指标探测或连接头、细胞培养装置、下游理生化指标探测或连接头、流体推动器、废液系统，通过上、下游培养液中目标物质的浓度变化、细胞培养液的连续灌注流速等数据获取细胞培养过程对该目标物质的代谢率，从而实现实时监测整个细胞培养系统的目的。细胞在培养皿培养过程中不断消耗葡萄糖等养分，释放出乳酸、过氧化氢等标志物，如培养过程中培养液不进行搅拌，会使培养液形成浓度梯度。靠近细胞的培养液中葡萄糖含量少，乳酸含量高；远离细胞的培养液中葡萄糖含量高，乳酸含量低。上述公开现有技术中则存在所测的细胞浓度为这个培养体系的细胞浓度变化，与实际的细胞周围微环境变化还存在一定差异，灵敏度也较低。因此必须要将检测传感器尽量贴近细胞才能测得细胞周边实际浓度，而细胞又不能在电极上直接生长，持续的电压施加会对细胞生长产生不利因素，从而导致细胞生长背离原有趋势。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服上述现有技术不足，提供一种基于中空纤维膜的细胞代谢连续监测装置与方法，利用中空纤维膜的孔洞快速准确的传达细胞代谢微环境的变化实现细胞代谢行为和状态的实时连续监测，具有更高的灵敏度和准确性。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于中空纤维膜的细胞代谢连续监测装置，所述细胞代谢连续监测装置为多层膜结构的中空柱，所述中空柱由外至内依次包括细胞贴附生长层、中空纤维膜、基础导电层、电子转移层和生物功能材料层；所述的细胞贴附层通过溶液涂覆方式将亲细胞材料沉积于中空纤维膜外表面上；在中空纤维膜内表面过滤截留导电材料分散液形成所述基础导电层；所述电子转移层通过原位聚合或过滤截留的方式沉积于基础导电层内表面；在电子转移层内表面溶液涂覆生物功能材料，再经化学交联后形成所述的生物功能材料层；在所述的中空柱一端端口处涂覆导电凝胶引出电气连接接口，电气连接接口连接外部分析仪器；所述的亲细胞材料为多聚赖氨酸、壳聚糖或聚乙二醇；所述的电子转移层的材料为普鲁士蓝、四氧化三铁、二茂铁、血红蛋白或铁氰化钾；电子转移层的材料可以催化细胞代谢过程中产生过氧化氢的分解，避免在连续监测过程中大量过氧化氢堆积，影响细胞的正常生长繁殖；所述的生物功能材料为葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、过氧化氢酶或辣根过氧化物酶。所述的中空纤维膜的材料为聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚氯乙烯或聚丙烯腈。进一步地，所述中空纤维膜的外表层与内表层的孔径呈梯度分布，外表层孔径为0.01-1.0μm，内表层与外表层的孔径之比为10:1-200:1；所述的中空纤维膜的孔隙率为40-80％。通过调节不同孔径及孔隙率可调控基础导电层的厚度及其附着强度。所述的导电材料为炭黑颗粒、碳纳米管、石墨烯、金纳米棒或聚苯胺纤维。进一步地，所述的基础导电层平均厚度为0.1-10μm。进一步地，当监测的细胞需要进行药物刺激时，所述的电子转移层的材料优选四氧化三铁或二茂铁。由于细胞在受到药物刺激时，培养液中的过氧化氢浓度偏高，二茂铁作为高效电子转移材料适用于过氧化氢浓度高的环境，四氧化三铁可用于长期的过氧化氢检测环境。进一步地，当监测的细胞需要进行药物刺激时，所述的生物功能材料层的材料优选过氧化氢酶或辣根过氧化物酶。加速分解培养液中的过氧化氢，避免过氧化氢的堆积影响细胞的正常生长和繁殖。进一步地，当监测物为细胞摄取消耗的葡萄糖时，生物功能材料优选葡萄糖氧化酶，电子转移层优选普鲁士蓝或血红蛋白。进一步地，当监测物为细胞通过无氧呼吸途径生成的乳酸时，生物功能材料优选乳酸氧化酶，电子转移层优选普鲁士蓝或血红蛋白。进一步优选地，所述的生物功能材料层为葡萄糖氧化酶时，所述的中空纤维膜的外表层与内表层的孔径呈梯度分布，外表层孔径为0.01-0.5μm；内表层与外表层的孔径之比为50:1-200:1；所述的中空纤维膜的孔隙率为40-80％。进一步优选地，所述的生物功能材料层为乳酸氧化酶时，所述的中空纤维膜的外表层与内表层的孔径呈梯度分布，外表层孔径为0.1-1.0μm；内表层与外表层的孔径之比为10:1-100:1；所述的中空纤维膜的孔隙率为40-80％。所述的电气连接接口与分析仪器连接，分析仪器用于监测反应体系内的电信号，包括但不限于电化学工作站、电流源表等本领域人员熟知的其他分析仪器。本专利技术还提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于中空纤维膜的细胞代谢连续监测装置，其特征在于，所述的细胞代谢连续监测装置为多层膜结构的中空柱，所述中空柱由外至内依次包括细胞贴附生长层、中空纤维膜、基础导电层、电子转移层和生物功能材料层；/n通过溶液涂覆亲细胞材料于中空纤维膜外表面上形成所述的细胞贴附层；在中空纤维膜内表面过滤截留导电材料分散液形成所述基础导电层；所述电子转移层通过原位聚合或过滤截留的方式沉积于基础导电层内表面；在电子转移层内表面溶液涂覆生物功能材料，再经化学交联后形成所述的生物功能材料层；在所述的中空柱一端端口处涂覆导电凝胶引出电气连接接口，电气连接接口连接外部分析仪器；/n所述的亲细胞材料为多聚赖氨酸、壳聚糖或聚乙二醇；/n所述的电子转移层的材料为普鲁士蓝、四氧化三铁、二茂铁、血红蛋白或铁氰化钾；/n所述的生物功能材料为葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、过氧化氢酶或辣根过氧化物酶。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于中空纤维膜的细胞代谢连续监测装置，其特征在于，所述的细胞代谢连续监测装置为多层膜结构的中空柱，所述中空柱由外至内依次包括细胞贴附生长层、中空纤维膜、基础导电层、电子转移层和生物功能材料层；
通过溶液涂覆亲细胞材料于中空纤维膜外表面上形成所述的细胞贴附层；在中空纤维膜内表面过滤截留导电材料分散液形成所述基础导电层；所述电子转移层通过原位聚合或过滤截留的方式沉积于基础导电层内表面；在电子转移层内表面溶液涂覆生物功能材料，再经化学交联后形成所述的生物功能材料层；在所述的中空柱一端端口处涂覆导电凝胶引出电气连接接口，电气连接接口连接外部分析仪器；
所述的亲细胞材料为多聚赖氨酸、壳聚糖或聚乙二醇；
所述的电子转移层的材料为普鲁士蓝、四氧化三铁、二茂铁、血红蛋白或铁氰化钾；
所述的生物功能材料为葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、过氧化氢酶或辣根过氧化物酶。


2.根据权利要求1所述的基于中空纤维膜的细胞代谢连续监测装置，其特征在于，所述的中空纤维膜材料为聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚氯乙烯或聚丙烯腈。


3.根据权利要求1或2所述的基于中空纤维膜的细胞代谢连续监测装置，其特征在于，所述的中空纤维膜的外表层与内表层的孔径呈梯度分布，外表层孔径为0.01-1.0μm，内表层与外表层的孔径之比为10:1-200:1；所述的中空纤维膜的孔隙率为40-80％。


4.根据权利要求1所述的基于中空纤维膜的细胞代谢连续监测装置，其特征在于，所述的导电材...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈大竞，黄小军，马珍，朱芹，魏晨杰，
申请(专利权)人：杭州师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33