一種灌注式細胞培養系統及方法與流程

2023-10-20 20:45:32 1

本發明涉及細胞培養技術領域，尤其涉及一種灌注式細胞培養系統及方法。

背景技術：

細胞培養泛指所有體外培養，其含義是指從動物活體體內取出組織，通過機械的方法或酶消化的方法將組織分離成單細胞，模擬體內生理環境等特定的體內條件下，進行孵育培養，使之生存並生長。

現有的細胞培養方式分為兩種，一種為靜態培養，通常使用培養瓶或者培養皿，將細胞置於培養器皿中，人為觀察其生產狀態不定時給予換液，為細胞提供充足的養分；另一種為灌注式培養，即將細胞接種於反應器內，可為細胞或組織源源不斷的提供培養液供其生長。

靜態培養的方式中，培養液需定期更換，靜態培養系統不能保持環境恆定，人工操作的效率和精度不高，且易對培養環境造成汙染。灌注式培養可減少人工操作從而減少汙染的機率，但是，細胞培養過程除了需要連續不斷地提供培養液之外，還需要保證穩定的細胞培養環境，例如：穩定的溫度和二氧化碳濃度，然而，現有的灌注式細胞培養系統參見圖1所示，包括主體01、反應器02和反應器蓋013，所述反應器02包括培養室021、進液管022和出液管023；培養室021置於主體01內；進液管022穿過主體01的一側與培養室021連通；出液管023穿過主體01的另一側與培養室021連通。該系統中細胞在所述主體01內進行培養時，所需的溫度和二氧化碳濃度均難以得到有效控制，難以獲得令人滿意的細胞培養效果，對細胞的體外培養造成了限制。

技術實現要素：

為達到上述目的，本發明實施例提供一種灌注式細胞培養系統及方法，能夠模擬體內培養環境，為細胞培養提供穩定的溫度和二氧化碳濃度，提高細胞的體外培養效果。

一方面，本發明實施例提供一種灌注式細胞培養系統，包括：培養箱和反應器；所述培養箱內設置有用於通入含有二氧化碳氣體的氣體流道，所述氣體流道的進口設置在所述培養箱上，所述氣體流道的進口連通有氣源；

所述系統還包括控制裝置和用於對所述培養箱進行加熱的加熱裝置；

所述控制裝置用於對所述氣源的閥門開度和所述加熱裝置的開啟與關閉進行控制，使得所述培養箱內的二氧化碳濃度保持在第一預設範圍，溫度保持在第二預設範圍。

優選的，所述控制裝置用於獲取二氧化碳的消耗模型和溫度變化模型，並根據所述二氧化碳的消耗模型對所述氣源的閥門開度進行調節，根據所述溫度的變化模型對所述加熱裝置的開啟與關閉進行控制；

或者，所述培養箱內還設置有二氧化碳傳感器和溫度傳感器，所述控制裝置用於根據所述二氧化碳傳感器發送的二氧化碳濃度對所述氣源的閥門開度進行調節，根據所述溫度傳感器發送的溫度信號對所述加熱器的開啟與關閉進行控制。

進一步地，所述培養箱包括由有機矽聚合物材料製成的反應器基座和密封蓋，所述反應器基座上開設有反應器安裝槽，所述密封蓋蓋設於所述反應器安裝槽的上方，所述反應器安裝槽底部設有用於支撐所述反應器的支撐凸起，以使所述反應器的底部與所述反應器安裝槽底部之間形成所述氣體流道，所述氣體流道的進口設置在所述反應器的底部和所述反應器安裝槽的底部之間。

可選的，所述系統還包括培養液提供裝置，所述培養液提供裝置包括注射泵組件和安裝於所述注射泵組件上的注射器，所述注射器的輸出端與所述培養液輸入管連通，所述注射泵組件可推動所述注射器的活塞在注射方向上運動。

進一步可選的，所述注射泵組件包括注射泵、注射器夾持器、推板和用於固定所述注射器夾持器的底座，所述注射器夾持器用於固定所述注射器筒體，所述注射器夾持器與所述底座可拆卸連接，所述推板上設置有凹槽，所述注射器的活塞杆柄嵌設於所述凹槽內，所述推板用於向所述注射器的活塞杆柄施加推力，以推動所述注射器的活塞在注射方向上運動。

優選的，所述注射泵包括步進電機、驅動器和絲杆，所述步進電機的信號輸出端與所述控制裝置電連接，所述控制裝置的信號輸出端與所述驅動器的信號輸入端電連接，所述絲杆與所述步進電機傳動連接，所述控制裝置還用於獲取所述步進電機的驅動脈衝信號，並根據所述步進電機的驅動脈衝信號對所述驅動器的驅動電壓進行調節，使得所述步進電機帶動所述絲杆將旋轉運動轉化為直線運動，推動所述注射器以所述預設灌注速度向所述培養液輸入管內灌注培養液。

進一步優選的，所述系統還包括廢液收集裝置，所述廢液收集裝置包括試管和試管架，所述試管放置於所述試管架上，所述試管與所述廢液輸出管連通，用於盛放所述細胞培養產生的廢液。

可選的，所述廢液收集裝置還包括用於放置試管架的存儲盒和半導體製冷片，所述試管架置於所述存儲盒內，所述存儲盒的至少一個側壁由導熱材料製成，所述半導體製冷片包括製冷面和散熱面，所述半導體製冷片的製冷面與所述由導熱材料製成的側壁外表面接觸，所述散熱面連接有散熱器。

進一步可選的，所述半導體製冷片連接有電源，所述控制裝置的信號輸入端與所述半導體製冷片的冷端電連接，所述控制裝置的信號輸出端與所述電源電連接，所述控制裝置還用於接收所述半導體製冷片的冷端的溫度信號，並根據所述半導體製冷片的冷端的溫度信號對所述電源的開啟與關閉進行控制，使得所述半導體製冷片的冷端的溫度保持在第三預設範圍。

另一方面，本發明實施例提供一種灌注式細胞培養方法，應用於如上所述的灌注式細胞培養系統，所述方法包括：

步驟1)將細胞處於培養箱中進行灌注式培養；

步驟2)所述控制裝置控制所述氣源的閥門開度和所述加熱裝置的開啟與關閉，使得所述培養箱內的二氧化碳濃度保持在第一預設範圍，溫度保持在第二預設範圍。

優選的，所述控制裝置控制所述氣源的閥門開度和所述加熱裝置的開啟與關閉具體包括：

根據實驗獲取二氧化碳的消耗模型和溫度變化模型，並根據二氧化碳的消耗模型對所述氣源的閥門開度進行調節，根據溫度的變化模型對所述加熱裝置的開啟與關閉進行控制；

或者，所述控制裝置根據所述二氧化碳傳感器發送的二氧化碳濃度對所述氣源的閥門開度進行調節，根據所述溫度傳感器發送的溫度信號對所述加熱器的開啟與關閉進行控制，使得所述培養箱內的二氧化碳濃度保持在第一預設範圍，溫度保持在第二預設範圍。

優選的，所述控制裝置根據二氧化碳的消耗模型對所述氣源的閥門開度進行調節具體包括：

根據任一時刻的二氧化碳的消耗量與所述氣源的二氧化碳通入量計算任一時刻培養箱內的二氧化碳濃度，若確定所述第一預設範圍的上限與所述培養箱內的二氧化碳濃度之間的差值小於等於第一預設閾值時，則控制所述氣源的閥門開度調小，若確定所述培養箱內的二氧化碳濃度與所述第一預設範圍的下限之間的差值小於等於所述第一預設閾值時，則控制所述氣源的閥門開度調大；

所述根據溫度的變化模型對所述加熱裝置的開啟與關閉進行控制具體包括：

根據任一時刻的溫度變化速率和任一時間段計算任一時刻培養箱內的溫度，若確定所述第二預設範圍的上限與所述培養箱內的溫度之間的差值小於等於第二預設閾值時，則控制所述加熱裝置關閉；若確定培養箱內的溫度與所述第二預設範圍的下限之間的差值小於等於所述第二預設閾值時，則控制所述加熱裝置開啟。

可選的，所述控制裝置根據所述二氧化碳傳感器發送的二氧化碳濃度對所述氣源的閥門開度進行調節具體包括：

若確定所述第一預設範圍的上限與所述二氧化碳傳感器發送的二氧化碳濃度之間的差值小於等於所述第三預設閾值時，則控制所述氣源的閥門開度調小，若確定所述二氧化碳傳感器發送的二氧化碳濃度與所述第二預設範圍的下限之間的差值小於等於所述第三預設閾值時，則控制所述氣源的閥門開度調大；

根據所述溫度傳感器發送的溫度信號對所述加熱器的開啟與關閉進行控制具體包括：

若確定所述溫度傳感器發送的溫度欲超出所述第二預設範圍的上限時，則關閉所述加熱裝置，若確定所述溫度傳感器發送的溫度欲低於所述第二預設範圍的下限時，則開啟所述加熱裝置。

進一步可選的，所述將細胞處於培養箱中進行灌注式培養具體包括：所述控制裝置接收所述步進電機的驅動脈衝信號，並根據所述步進電機的驅動脈衝信號對所述驅動器的驅動電壓進行調節，使得所述注射泵推動所述注射器的活塞以所述預設灌注速度向所述培養液輸入管中灌注培養液。

優選的，所述步驟1)還包括：將所述細胞培養所產生的廢液通過廢液輸出管輸出至所述廢液收集裝置的所述試管中。

進一步優選的，所述步驟1)還包括：通過所述控制裝置接收所述半導體製冷片的冷端的溫度信號，並根據所述半導體製冷片的冷端的溫度信號控制所述電源的開啟與關閉，使得所述半導體製冷片的冷端的溫度保持在第三預設範圍。

本發明實施例提供一種灌注式細胞培養系統及方法，其中，通過在所述培養箱內設置用於通入含有二氧化碳氣體的氣體流道，並將所述氣體流道的進口連通氣源，能夠通過氣源向所述培養箱內的流道內通入含有二氧化碳的氣體，並通過控制裝置對所述氣源的閥門開度進行控制，能夠對通入所述培養箱內的氣體流量進行控制，從而能夠對所述培養箱內的二氧化碳濃度進行控制，同時，所述控制裝置還能夠對所述加熱裝置的開啟與關閉進行控制，從而能夠對所述培養箱內的溫度進行控制，在此過程中，能夠為所述細胞培養提供穩定的二氧化碳濃度和溫度，從而能夠模擬體內生理環境，提高細胞的體外培養效果。克服了現有技術中細胞體外培養的二氧化碳濃度和溫度難以有效控制，使得細胞培養效果差的缺陷。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現有技術提供的一種灌注式細胞培養系統的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種灌注式細胞培養系統的結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的另一種灌注式細胞培養系統的結構示意圖；

圖4為本發明實施例提供的一種反應器的結構示意圖；

圖5為本發明實施例提供的一種培養箱的結構示意圖；

圖6為本發明實施例提供的一種反應器基座的結構示意圖；

圖7為本發明實施例提供的另一種灌注式細胞培養系統的結構示意圖；

圖8為本發明實施例提供的一種注射泵組件的結構示意圖；

圖9為本發明實施例提供的一種注射器夾持器夾持注射器的結構示意圖；

圖10為本發明實施例提供的另一種灌注式細胞培養系統的結構示意圖；

圖11為本發明實施例提供的另一種灌注式細胞培養系統的結構示意圖；

圖12為本發明實施例提供的再一種灌注式細胞培養系統的結構示意圖；

圖13為本發明實施例提供的一種灌注式細胞培養方法的流程圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

一方面，本發明實施例提供一種灌注式細胞培養系統，參見圖2，包括：培養箱1和反應器2；其特徵在於，

所述培養箱1內設置有用於通入含有二氧化碳氣體的氣體流道11，所述氣體流道11的進口設置在所述培養箱1上，所述氣體流道11的進口連通有氣源3；

所述系統還包括控制裝置4和用於對所述培養箱1進行加熱的加熱裝置5；

所述控制裝置4用於對所述氣源3的閥門開度和所述加熱裝置5的開啟與關閉進行控制，使得所述培養箱1內的二氧化碳濃度保持在第一預設範圍，溫度保持在第二預設範圍。

本發明實施例提供一種灌注式細胞培養系統，其中，通過在所述培養箱1內設置用於通入含有二氧化碳氣體的氣體流道11，並將所述氣體流道11的進口連通氣源3，能夠通過氣源3向所述培養箱1內的流道內通入含有二氧化碳的氣體，並通過控制裝置4對所述氣源3的閥門開度進行控制，能夠對通入所述培養箱1內的氣體流量進行控制，從而能夠對所述培養箱1內的二氧化碳濃度進行控制，同時，所述控制裝置4還能夠對所述加熱裝置5的開啟與關閉進行控制，從而能夠對所述培養箱1內的溫度進行控制，能夠模擬體內生理環境，提高細胞的體外培養效果。克服了現有技術中細胞體外培養的二氧化碳濃度和溫度難以有效控制，使得細胞培養效果差的缺陷。

其中，所述控制裝置1可以為電腦，也可以為單片機，所述單片機可以包括一個或多個處理器、存儲器、用戶接口、網絡接口以及通信總線。

通信總線用於單片機中各組成部件之間的通信。用戶接口用於插接外部設備，例如觸控螢幕、滑鼠及鍵盤等，以接收用戶輸入的信息。網絡接口用於所述單片機與外部進行互相通信，該網絡接口主要包括有線接口和無線接口。

存儲器可用於存儲軟體程序以及模塊，資料庫，如本發明實施例中所述的二氧化碳濃度控制方法和溫度控制方法對應的程序指令/模塊。存儲器可包括高速隨機存儲器，還可包括非易失性存儲器，如一個或者多個磁性存儲裝置、快閃記憶體、或者其他非易失性固態存儲器。在一些實例中，存儲器可進一步包括相對於處理器遠程設置的存儲器，這些遠程存儲器可以通過網絡連接至所述控制設備。上述網絡的實例包括但不限於網際網路、企業內部網、區域網、移動通信網及其組合。

處理器通過運行存儲在存儲器內的軟體程序以及模塊，從而執行各種功能應用以及數據處理，例如，處理器通過調用存儲器中的溫度控制方法的應用程式，以實現快速而準確的溫度控制過程，處理器通過調用存儲器中的二氧化碳濃度控制方法的應用程式，以實現快速而準確的二氧化碳濃度控制方法。

當然，所述控制裝置4還可以為PID控制器(Proportion Integration Differentiation；比例-積分-微分控制器)，所述PID控制器由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。控制器把收集到的數據和一個參考值進行比較，然後把這個差別用於計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統的數據達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，這樣可以使控制對象更加準確。因此，PID控制器中的參數整定可以依靠經驗或者現場調試來確定。

其中，所述第一預設範圍和所述第二預設範圍可以由用戶事先設定。

本發明的一實施例中，所述控制裝置4用於獲取二氧化碳的消耗模型和溫度變化模型，並根據所述二氧化碳的消耗模型對所述氣源3的閥門開度進行調節，根據所述溫度的變化模型對所述加熱裝置5的開啟與關閉進行控制；

或者，參見圖3，所述培養箱1內還設置有二氧化碳傳感器001和溫度傳感器002，所述控制裝置4用於根據所述二氧化碳傳感器001發送的二氧化碳濃度對所述氣源3的閥門開度進行調節，根據所述溫度傳感器002發送的溫度信號對所述加熱裝置5的開啟與關閉進行控制。

其中，所述二氧化碳的消耗模型是指通過二氧化碳消耗的階段分析，從幹預理論中整合出二氧化碳濃度改變的過程和其中的一些主要規則。本發明實施例中，通過依據二氧化碳的消耗模型，能夠對所述培養箱1中二氧化碳的濃度進行計算，從而能夠根據計算所獲得的程序對所述氣源3的閥門開度進行調節，使得所述二氧化碳的濃度保持在所述第一預設範圍內；同樣的，通過依據溫度的變化模型，能夠對所述培養箱1中的任意時刻的溫度進行計算，從而能夠根據計算結果對所述加熱裝置5的開啟與關閉進行控制，使得溫度保持在所述第二預設範圍內；通過在所述培養箱1內設置二氧化碳傳感器001和溫度傳感器002，能夠直接獲取所述培養箱1內的二氧化碳濃度和溫度，從而能夠根據檢測到的二氧化碳濃度和用戶預設的二氧化碳濃度之間的差值對氣源3的閥門開度進行直接控制，根據檢測到的溫度和用戶預設的溫度之間的差值對加熱裝置5的開啟與關閉進行控制。

本發明的一實施例中，當所述培養箱1內設置有二氧化碳傳感器001和溫度傳感器002時，所述控制裝置4包括二氧化碳變送器和PID溫度控制器。

其中，對所述反應器2的結構不做限定。只要能夠通過灌注向細胞輸送培養液即可。

本發明的一實施例中，參見圖4，所述反應器2包括培養室21和分別與所述培養室21連通的培養液輸入管22和廢液輸出管23。

其中，對所述培養箱1的具體結構不做限定，只要能夠為細胞培養提供容納空間，便於空氣交換並隔絕細菌即可。

本發明的一實施例中，參見圖5與圖6，所述培養箱1包括由有機矽聚合物材料製成的反應器基座12和密封蓋13，所述反應器基座12上開設有反應器安裝槽14，所述密封蓋13蓋設於所述反應器安裝槽14的上方，所述反應器安裝槽14底部設有用於支撐所述反應器2的支撐凸起6，以使所述反應器2的底部與所述反應器安裝槽14底部之間形成所述氣體流道11，所述氣體流道11的氣體進口位於所述反應器2的底部和所述反應器安裝槽14的底部之間。

在本發明實施例中，由於有機矽聚合物材料具有良好的通透性，可與外界進行氣體交換，氧氣、二氧化碳可滲透到所述培養箱1內，從而能夠使得所述培養箱1呈密閉狀而氣體可透過，能夠保持所述培養箱1內外氣壓平衡；通過在反應器安裝槽14底部設置支撐凸起6，能夠在所述反應器2的底部與所述反應器安裝槽14底部之間形成氣體流道11，並且所述氣體流道11的氣體進口位於所述反應器2的底部和所述反應器安裝槽14的底部之間，能夠使通入的氣體處於所述反應器2的周圍，與所述氣體流道的進口設置在所述反應器2的上部相比，能夠避免在操作過程中培養液發生外濺而堵塞所述氣體流道11的進口。

本發明的又一實施例中，參見圖5和圖6，所述反應器基座14的上表面開設有用於安裝培養液輸入管22的輸入管安裝槽15以及用於安裝廢液輸出管23的輸出管安裝槽16，所述反應器安裝槽14位於所述輸入管安裝槽15和輸出管安裝槽16之間且分別與所述輸入管安裝槽15和輸出管安裝槽16貫通。

在本發明實施例中，所述培養液輸入管22可以安裝在所述輸入管安裝槽15內，所述廢液輸出管23可以安裝在所述輸出管安裝槽16內，能夠對所述培養液輸入管22和所述廢液輸出管23進行固定，提高細胞培養裝置的一體化程度，操作方便。

需要說明的是，對所述加熱裝置5不做限定，加熱裝置5可以為通過輻射、對流或者傳導的加熱裝置。

本發明的一實施例中，所述加熱裝置5為電熱板，所述反應器基座14由可導熱的有機矽聚合物材料製成，所述電熱板設置在所述反應器基座14的底部，且與所述反應器基座14的下表面貼合設置。通過將所述電熱板設置在所述反應器基座14的底部，使得所述培養箱1內的結構較為小巧緊湊，並且所述電熱板與所述反應器基座14直接進行熱傳導，加熱效果更佳，進一步地，由於所述反應器基座14的上表面開設有輸入管安裝槽15和輸出管安裝槽16，所述反應器基座14由可導熱的有機矽聚合物材料製成，具有良好的導熱性能，還能夠對所述培養液輸入管22和所述廢液輸出管23進行熱傳導，對源源不斷提供給所述培養室21的培養液進行預熱。其中，所述輸入管安裝槽15的長度可以適當長一點，能夠提高培養液的預熱效果。

本發明的一實施例中，參見圖5，所述密封蓋13靠近所述培養液輸入管22和所述廢液輸出管23處設置有缺口17，所述缺口17用於對所述培養液出入管22和所述廢液輸出管23進行避讓，所述缺口17與所述培養液輸入管22和所述廢液輸出管23之間的空隙內填充有密封條(圖中未示出)。

在本發明實施例中，能夠在對所述培養液輸入管22和所述廢液輸出管23進行避讓的同時，保持所述培養箱1的密封性，減少二氧化碳損失，避免外界細菌或者塵土進入。

其中，所述密封條可以為高密度海綿，這樣還有利於氣體的流通。

由於大量實驗或者生產需要，參見圖4，所述培養室21可以為多個，相對應地，所述培養液輸入管22和所述廢液輸出管23也為多個，每一個所述培養室21對應連接一個培養液輸入管22和一個廢液輸出管23，並且所述培養室21沿一直線依次排列，所述培養液輸入管22和所述廢液輸出管23分別位於所述直線的相對兩側。進一步地，所述氣體流道11的進口也可以為多個，分別對應於每一個所述培養室21的位置設置。

相對應於所述培養室21，所述支撐凸起6為多個，且相對應設置在所述直線的兩側，這樣，使得所述氣體流道11分布更加均勻，能夠提高所述培養箱1中氣體分布的均勻性。

其中，所述二氧化碳傳感器31可以為固態電介質傳感器，也可以為光學傳感器，光學傳感器的穩定性和精度更高，優選為光學傳感器。

還需要說明的是，由於在細胞培養過程中，根據細胞培養的需氧情況，可以對通入所述培養箱1中的氧氣濃度也進行檢測，因此，可以在所述培養箱1中設置氧氣傳感器，當然，若所述細胞培養對其他氣體濃度有要求，還可以設置用於檢測其他氣體濃度的氣體傳感器，因此，所述氣源可以為含有二氧化碳、氧氣的混合氣體，也可以為二氧化碳氣體，還可以為含有二氧化碳、氧氣和其他氣體的混合氣體。

本發明的一實施例中，參見圖7，所述系統還包括培養液提供裝置7，所述培養液提供裝置7包括注射泵組件71和安裝於所述注射泵組件8上的注射器72，所述注射器72的輸出端與所述培養液輸入管22連通，所述注射泵組件71可推動所述注射器72的活塞在注射方向上運動。

通過注射泵組件71推動所述注射器72向所述培養液輸入管22內灌注細胞培養液，能夠為細胞培養提供穩定流速的細胞培養液，提高細胞培養條件的穩定性。

本發明的又一實施例中，參見圖8和圖9，所述注射泵組件71包括注射泵(圖中未示出)、注射器夾持器711、推板712和用於固定所述注射器夾持器711的底座713，所述注射器夾持器711用於固定所述注射器72筒體，所述注射器夾持器711與所述底座713可拆卸連接，所述推板712上設置有凹槽(圖中未示出)，所述注射器72的活塞杆柄嵌設於所述凹槽內，所述推板712用於向所述注射器72的活塞杆柄施加推力，以推動所述注射器72的活塞在注射方向上運動。

通過將注射器夾持器711與所述底座713可拆卸連接，在所述注射器72需要換液或者增加培養液時，可以將所述注射器夾持器711拆卸下來，放置於高度適當的操作臺上對其進行操作，還可以對其進行消毒，之後將所述注射器夾持器711安裝在所述底座713上，方便操作；通過在所述推板712上設置凹槽，可以將所述注射器72的活塞杆柄嵌設於所述凹槽內，在所述推板712推動所述注射器72的活塞在注射方向上運動時，能夠防止所述注射器72的活塞杆柄與所述推板712之間發生相對滑動，並對所述注射器72的活塞施加較為均勻的推力。

本發明的一實施例中，所述注射泵72通常包括步進電機、驅動器和絲杆，所述步進電機的信號輸出端與所述控制裝置電連接，所述控制裝置的信號輸出端與所述驅動器的信號輸入端電連接，所述絲杆與所述步進電機傳動連接，所述控制裝置還用於獲取所述步進電機的驅動脈衝信號，並根據所述步進電機的驅動脈衝信號對所述驅動器的驅動電壓進行調節，使得所述步進電機帶動所述絲杆將旋轉運動轉化為直線運動，推動所述注射器以所述預設灌注速度向所述培養液輸入管內灌注培養液。

通過控制裝置4，能夠對所述注射泵72實現自動化控制，提高所述系統的自動化程度。

其中，所述控制裝置可以包括繼電器，繼電器一般都有能反映一定輸入變量(如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等)的感應機構(輸入部分)；有能對被控電路實現「通」、「斷」控制的執行機構(輸出部分)，在這裡，所述輸入變量是指所述步進電機的脈衝信號，所述被控電路是指驅動器的驅動電壓。

其中，脈衝是指一個物理量在短持續時間內突變後迅速回到其初始狀態的過程，脈衝信號包括了脈衝的個數、脈衝的頻率等參數，通過脈衝信號來控制所述驅動器的驅動電壓，能夠使得所述步進電機在預設脈衝信號下工作。在此過程中，預設脈衝信號可以通過所述控制裝置根據預設灌注速度、所述步進電機的功率和所述絲杆的精度來進行確定。

其中，所述注射器72可以為一個也可以為多個。

本發明的又一實施例中，參見圖8和圖9，所述注射器72為多個，所述注射器夾持器711包括下夾板714、上夾板715和夾緊件716，所述夾緊件可給上夾板714和下夾板715施加夾緊力，以將多個所述注射器72的外筒夾持固定於所述上夾板714和下夾板715之間；所述夾緊件716包括旋鈕和彈性部件，所述旋鈕包括螺杆和固定於螺杆一端的旋轉把手，所述螺杆穿過所述上夾板714的過孔後與所述下夾板715上的螺紋孔配合連接，所述彈性部件設置於所述旋轉把手與所述上夾板714之間，所述旋鈕相鄰兩側的注射器72之間的間距大於或等於所述上夾板的寬度M。

在本發明實施例中，通過旋轉所述旋鈕，能夠將上夾板714旋轉90度置於所述旋鈕兩側的注射器72之間，從而能夠實現對所述注射器72的換液或者補液，進一步地，由於所述旋鈕和所述上夾板714之間設置有彈性部件，可以通過旋轉所述旋鈕增大所述上夾板714和所述下夾板715之間的間距，也能夠實現對所述注射器72進行換液或者補液。

本發明的一實施例中，參見圖10，所述系統還包括廢液收集裝置8，所述廢液收集裝置8包括試管81和試管架82，所述試管81放置於所述試管架82上，所述試管81與所述廢液輸出管23連通，用於盛放所述細胞培養產生的廢液。通過將所述細胞培養產生的廢液收集起來，能夠減少廢液排放，並有利於對廢液中細胞的代謝物進行研究。

在此，為了與所述廢液輸出管23的個數相對應，所述試管81也可以為多個，並且可以在所述廢液輸出管23的末端連接針頭，將其插入試管81的管蓋，以實現靜脈灌注培養液。

本發明的又一實施例中，參見圖11，所述廢液收集裝置8還包括用於放置試管架82的存儲盒83和半導體製冷片84，所述試管架82置於所述存儲盒83內，所述存儲盒83的至少一個側壁由導熱材料製成，所述半導體製冷片84包括製冷面和散熱面，所述半導體製冷片84的製冷面與所述由導熱材料製成的側壁外表面接觸，所述散熱面連接有散熱器。

通過設置存儲盒83和半導體製冷片84，並且將所述半導體製冷片84的製冷面和所述存儲盒83的導熱材料製成的側壁外表面接觸，能夠對所述存儲盒83內的空氣進行換熱，從而對所述存儲盒83內的廢液進行製冷，能夠對所述廢液進行保存，更有利於對廢液中細胞代謝物的研究。

半導體製冷片由一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯接的熱電偶對組成，當其中有電流通過時，兩端之間就會產生熱量轉移，熱量就會從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷熱端。電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端，由P型元件流道N型元件的接頭放出熱量，成為熱端；吸熱和放熱的大小由通過電流的大小和半導體材料N、P的元件對數來決定。

本發明的又一實施例中，所述半導體製冷片84連接有電源(圖中未示出)，所述控制裝置的信號輸入端與所述半導體製冷片的冷端電連接，所述控制裝置的信號輸出端與所述電源電連接，所述控制裝置還用於接收所述半導體製冷片的冷端的溫度信號，並根據所述半導體製冷片的冷端的溫度信號對所述電源的開啟與關閉進行控制，使得所述半導體製冷片的冷端的溫度保持在第三預設範圍。

通過所述控制裝置，能夠對通過所述半導體製冷片84的電流進行自動化控制，從而進一步提高系統的自動化程度。

其中，所述控制裝置接收所述半導體製冷片的冷端發送的溫度信號，對所述電源的開啟與關閉進行控制，具體為，若所述半導體製冷片的冷端發送的溫度信號與所述第三預設範圍的上限之間的差值較為接近時，則控制所述電源關閉，若所述半導體製冷片的冷端發送的溫度信號與所述第三預設範圍的下限之間的差值較為接近時，則控制所述電源開啟。

本發明的又一實施例中，所述第三預設範圍為8-10℃。通過保持所述半導體製冷片的冷端保持在8-10℃，能夠防止廢液在室溫下保存時間較短，從而會影響後續的研究與測試。

本發明的一實施例中，參見圖12，所述廢液收集裝置8還包括導熱材料製成的盒狀外殼85，所述存儲盒83設置於所述盒狀外殼85內，所述盒狀外殼85與所述存儲盒83之間形成有空氣對流通道，所述盒狀外殼85的任一側壁上設置有連通所述盒裝外殼85內外的風扇86，所述散熱器位於所述空氣對流通道上，所述風扇86位於所述空氣對流通道的出口處。

通過設置盒狀外殼85，能夠將所述散熱器產生的熱量通過風扇86沿空氣對流通道導至所述盒狀殼體85的外部，提高製冷效果。

另一方面，本發明實施例提供一種灌注式細胞培養方法，應用於如上所述的灌注式細胞培養系統，參見圖13，所述方法包括：

步驟1)將細胞處於培養箱中進行灌注式培養；

步驟2)所述控制裝置控制所述氣源的閥門開度和所述加熱裝置的開啟與關閉，使得所述培養箱內的二氧化碳濃度保持在第一預設範圍，溫度保持在第二預設範圍。

本發明實施例提供一種灌注式細胞培養方法，對細胞進行灌注式培養，並通過所述控制裝置控制氣源向所述培養箱中通入含有二氧化碳的氣體的閥門開度，對所述培養箱內的二氧化碳濃度進行調節，同時，通過所述控制裝置控制所述加熱裝置的開啟與關閉，對所述培養箱內的溫度進行調節，能夠為所述細胞培養提供穩定的二氧化碳濃度和溫度，從而能夠模擬體內生理環境，提高細胞的體外培養效果。克服了現有技術中細胞體外培養的二氧化碳濃度和溫度難以有效控制，使得細胞培養效果差的缺陷。

其中，第一預設範圍可以根據細胞培養的需氧情況進行合理設置，若細胞培養需氧量較多，則適當控制所述二氧化碳的濃度減小一些，反之，則適當控制所述二氧化碳的濃度增大一些。同樣的，第二預設範圍也可以根據細胞培養的溫度需求進行合理設置，通常人體細胞培養的溫度保持在35-37℃為佳。

本發明的一實施例中，所述控制裝置控制所述氣源的閥門開度和所述加熱裝置的開啟與關閉具體包括：

根據實驗獲取二氧化碳的消耗模型和溫度變化模型，並根據二氧化碳的消耗模型對所述氣源的閥門開度進行調節，根據溫度的變化模型對所述加熱裝置的開啟與關閉進行控制；

或者，所述控制裝置根據所述二氧化碳傳感器發送的二氧化碳濃度對所述氣源的閥門開度進行調節，根據所述溫度傳感器發送的溫度信號對所述加熱器的開啟與關閉進行控制，使得所述培養箱內的二氧化碳濃度保持在第一預設範圍，溫度保持在第二預設範圍。

需要說明的是，由於所述控制裝置可以為PID控制器(Proportion Integration Differentiation；比例-積分-微分控制器)，所述PID控制器由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。控制器把收集到的數據和一個參考值進行比較，然後把這個差別用於計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統的數據達到或者保持在參考值。其中，所述參考值即為第一預設範圍內的值或者第二預設範圍內的值。

示例性的，以所述第二控制模塊為PID控制器為例進行說明。當所檢測的溫度偏離所希望的給定值(在此指第二預設範圍)時，PID控制可根據測量信號與給定值的偏差進行比例、積分、微分運算，從而輸出某個適當的控制信號，促使測量值恢復到給定值，達到自動控制的目的。

比例運算是指輸出控制量與偏差的比例關係，比例參數設定值越大，控制的靈敏度越低，設定值越小，控制的靈敏度越高，例如比例參數設定為4％，表示測量值偏離給定值4％時，輸出控制量變化100％。積分運算的目的是消除偏差，只要偏差存在，積分作用將控制量向使偏差消除的方向移動，積分時間是表示積分作用強度的單位，設定的積分時間越短，積分作用越強，例如積分時間設定為240秒時，表示對固定的偏差，積分作用的輸出量達到和比例作用相同的輸出量需要240秒，比例作用和積分作用是對控制結果的修正動作，響應較慢，微分作用是為了消除其缺點而補充的，微分作用根據偏差產生的速度對輸出量進行修正，使控制過程進口恢復到原來的控制狀態，微分時間是表示微分作用強度的單位，設定的微分時間越長，則以微分作用的修正越強。

本發明的一實施例中，所述第一預設範圍為1％-2％。通過控制所述二氧化碳的濃度為1％-2％，能夠為細胞提供所述細胞培養所需的二氧化碳，同時，還能夠對所述密閉培養箱的pH值進行調節。

其中，所述氣源可以為含有二氧化碳的混合氣瓶，也可以為二氧化碳氣瓶，根據二氧化碳濃度的不同，可以對所述氣源的控制閥門進行調節來控制進入所述密閉培養箱中氣體的流量，從而實現對所述二氧化碳濃度的控制。

本發明的又一實施例中，所述第二預設範圍為35-37℃。通常細胞在接近於體溫的條件下培養更接近於體內培養，溫度過高或者過低都會對細胞的活性造成影響。

本發明的又一實施例中，所述控制裝置根據二氧化碳的消耗模型對所述氣源的閥門開度進行調節具體包括：

根據任一時刻的二氧化碳的消耗量與所述氣源的二氧化碳通入量計算任一時刻培養箱內的二氧化碳濃度，若確定所述第一預設範圍的上限與所述培養箱內的二氧化碳濃度之間的差值小於等於第一預設閾值時，則控制所述氣源的閥門開度調小，若確定所述培養箱內的二氧化碳濃度與所述第一預設範圍的下限之間的差值小於等於所述第一預設閾值時，則控制所述氣源的閥門開度調大；

所述根據溫度的變化模型對所述加熱裝置的開啟與關閉進行控制具體包括：

根據任一時刻的溫度變化速率和任一時間段計算任一時刻培養箱內的溫度，若確定所述第二預設範圍的上限與所述培養箱內的溫度之間的差值小於等於第二預設閾值時，則控制所述加熱裝置關閉；若確定培養箱內的溫度與所述第二預設範圍的下限之間的差值小於等於所述第二預設閾值時，則控制所述加熱裝置開啟。

在本發明實施例中，所述控制裝置通過二氧化碳的消耗量和含有二氧化碳的氣體的通入量來計算獲得培養箱內二氧化碳的濃度，並與用戶所設定的第一預設範圍的上限和下限相比較，根據二氧化碳濃度和所述第一預設範圍的上限或者下限之間的差值來控制所述氣源的閥門開度，這樣，能夠實現對所述二氧化碳濃度的精確控制，同理，也能夠實現對所述溫度的精確控制。

其中，所述控制裝置控制所述氣源的閥門開度調大或者調小的調節度也可以通過控制裝置根據邏輯運算獲取，例如，根據所述培養箱內的二氧化碳濃度與所述第一預設範圍的上限和下限之間的差值大小，計算獲取調節度的大小，這樣，能夠實現精確控制。

本發明的又一實施例中，所述控制裝置根據所述二氧化碳傳感器發送的二氧化碳濃度對所述氣源的閥門開度進行調節具體包括：

若確定所述第一預設範圍的上限與所述二氧化碳傳感器發送的二氧化碳濃度之間的差值小於等於所述第三預設閾值時，則控制所述氣源的閥門開度調小，若確定所述二氧化碳傳感器發送的二氧化碳濃度與所述第二預設範圍的下限之間的差值小於等於所述第三預設閾值時，則控制所述氣源的閥門開度調大；

根據所述溫度傳感器發送的溫度信號對所述加熱器的開啟與關閉進行控制具體包括：

若確定所述溫度傳感器發送的溫度欲超出所述第二預設範圍的上限時，則關閉所述加熱裝置，若確定所述溫度傳感器發送的溫度欲低於所述第二預設範圍的下限時，則開啟所述加熱裝置。

在本發明實施例中，所述控制裝置通過二氧化碳傳感器發送的二氧化碳濃度與用戶所設定的第一預設範圍的上限和下限相比較，根據二氧化碳濃度和所述第一預設範圍的上限或者下限之間的差值來控制所述氣源的閥門開度，這樣，能夠實現對所述二氧化碳濃度的精確控制，同理，也能夠實現對所述溫度的精確控制。

其中，所述控制裝置控制所述氣源的閥門開度調大或者調小的調節度也可以通過控制裝置根據邏輯運算獲取，例如，根據所述培養箱內的二氧化碳濃度與所述第一預設範圍的上限和下限之間的差值大小，計算獲取調節度的大小，這樣，能夠實現精確控制。

本發明的一實施例中，所述將細胞處於培養箱中進行灌注式培養具體包括：所述控制裝置接收所述步進電機的驅動脈衝信號，並根據所述步進電機的驅動脈衝信號對所述驅動器的驅動電壓進行調節，使得所述注射泵推動所述注射器的活塞以所述預設灌注速度向所述培養液輸入管中灌注培養液。

通過控制裝置，能夠對所述注射器的灌注速度進行自動調節，根據不同的細胞可以設定不同的灌注速度，提高細胞培養條件的穩定性。其中，所述預設灌注速度可以通過用戶根據經驗設定而獲得，也可以根據邏輯運算獲取。

本發明的又一實施例中，所述預設灌注速度大於等於0.0001μL/min。該預設灌注速度最低可以達到0.0001μL/min，相當於靜脈注射，更接近於體內培養。

其中，所述預設灌注速度根據邏輯運算獲取時，可以根據步進電機的脈衝信號、絲杆的螺紋精度和驅動器的驅動功率等複雜計算來獲取。

本發明的一實施例中，所述步驟2)中所述細胞所產生的廢液通過所述廢液輸出管輸出至所述廢液收集裝置的所述試管中。

在本發明實施例中，將細胞產生的廢液收集起來，為細胞的代謝物研究提供了條件。

本發明的一實施例中，所述步驟1)還包括：通過所述控制裝置接收所述半導體製冷片的冷端的溫度信號，並根據所述半導體製冷片的冷端的溫度信號控制所述電源的開啟與關閉，使得所述半導體製冷片的冷端的溫度保持在第三預設範圍。

通過控制裝置，能夠對所述廢液收集裝置的溫度進行自動調節，延長廢液的保存時間，為細胞的代謝物研究創造了條件。

本發明的又一實施例中，所述第三預設範圍為8-10℃。能夠防止在室溫下保存使得保存時間有限，不利於細胞的代謝物的研究和測試。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。