[发明专利]一种用于细胞培养和细胞分选的多功能生物反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物工程技术设备，是与细胞培养和细胞分选有关的多功能生物反应器。

背景技术

随着科学技术的发展，现代细胞生物学工程技术已经广泛应用于社会生产的方方面面。并伴随着细胞生物学工程技术在生物、医疗、美容等社会多个行业的快速发展和应用，迫切需要进行大规模的细胞培养，以便获得大量有用的细胞表达产物。而采用玻璃瓶静置或旋转瓶的培养方法，其所培养的细胞数量及其分泌产物早已不能满足社会各行业的需求。经过多年的技术研究和发展，至今已经开发出多种类型的生物反应器，滚瓶式生物反应器、搅动悬浮培养生物反应器、摇袋式生物反应器、旋转壁式生物反应器、平板型生物反应器、固定流化床式生物反应器等。

在培养细胞的方式上，有静置状态以及运动状态两种方式。在静置状态下培养的细胞，培养时受到的剪切力最小，但静置状态下培养的细胞在密度较大时，容易造成在培养容器底部的一些细胞无法获得足够的营养成份，并伴随着在细胞培养过程中乳酸、丙酮酸以及一些抑制生长的代谢废物的逐渐增加，容易造成培养容器底部的一些细胞生长停滞甚至坏死。因此不适合用于大规模的细胞培养和扩增。在运动状态下培养细胞的应用中，有许多生物反应器采用机械搅拌式或气升搅拌式搅动生物反应器内培养液里面的细胞，使细胞处在悬浮状态。在传统的机械搅拌式或者气升搅拌式的生物反应器内搅动时，会在细胞表面产生剪切力。在培养细胞时，特别是培养异常敏感的干细胞时，过大的剪切力会导致细胞的损伤甚至死亡。在有些生物反应器中，通过静置或者轻柔的运动方式培养细胞，虽然降低了剪切力，但是一旦停止运转，细胞可能累积于细胞培养容器底部或细胞培养容器中的其它位置，而且是不均匀地分布，不利于绝大多数细胞生长。

专利102199538A中提出了一个能适用于微载体细胞培养的生物反应器设计方案，通过让罐体上下端反复调换的方式让微载体悬浮，吸附在微载体上的粘附细胞随着罐体的上下移动而实现细胞以及微载体的悬浮，而在实际应用过程中，微载体随着罐体的上下调换过程中，趋向于贴着培养罐体壁的一侧运动，对一侧的培养基、细胞产生的搅动比另一侧大，另一侧受到的搅动有限，从而不能使细胞在整个培养环境中均匀悬浮，在这个过程中，搅动较剧烈一侧的细胞极易受到损伤，使得细胞死亡率增加。

在细胞体外培养时，存在悬浮细胞与贴壁细胞两种以不同方式生长的细胞。贴壁细胞需要依附于一定的支持物表面才能生长，当细胞的生长增殖占据了全部支持物表面后，细胞由于接触抑制而不能继续生长，因此对于贴壁生长的细胞在支持物表面积限定的情况下很难进行大规模培养。并且大多数生物反应器只能满足其中一种生长方式的细胞的培养。而在大规模培养细胞时，需要将不同的培养细胞从培养容器中分离出来，因为在某些应用中，例如干细胞治疗时，在间充质干细胞和造血干细胞共同培养时，细胞的生长状态更好，治疗效果也更加突出。而为了让贴壁生长的细胞可以高密度的生长，便产生了使细胞在微载体上悬浮生长的技术：让贴壁细胞细胞贴附于微载体上，当微载体悬浮在培养基中时，细胞一起悬浮生长，由于微载体的数量多、表面积大，供细胞可生长的表面也相当大，可以满足细胞的大规模快速生长。

在现在的常用微载体生物反应器中，贴壁细胞一般吸附的微小载体的尺寸在几微米到几百微米不等，如专利CN 101416059A(水凝胶专利)当微载体越小时，相连的微载体之间的空隙比较少，细胞生长的密度比较大，容易造成供氧不足，导致细胞死亡。当细胞增长一定数量之后，这些细胞和微载体会一起聚集成团，形成聚集体，在聚集体内部的细胞不能获得充足的养分，生长状态将变差，如果是干细胞，则更容易产生非特异性分化。并且在细胞培养成型后，可能需要使用某种特殊的程序把细胞从小生态环境中洗出，或者是必须加入某种特定的试剂降解构建小生态环境的物质，以释放出靶细胞。

以上所列举的多种细胞培养方式，在原理上都存在一些缺陷和局限性，不能高效率、大规模、多样性的实现各种类型细胞的培养，从而影响细胞生物技术在社会上规模化的广泛应用。

发明内容

针对现在社会上广泛应用的一些生物反应器，在细胞培养技术和方法上，想要取得突破性的发展和规模化的应用，还需要解决以下的一些问题：

①、足够的营养成份供给空间：在细胞生长的过程中，通过持续不断的供应足够的养分，并且在细胞周围有足够的空间进行养分的交换与分泌物的排泄。

②、温和轻柔的搅拌方式：在细胞培养过程中，尽可能的减少因对培养基或载体的搅拌而在细胞表面产生的剪切力，避免细胞的损伤，特别是干细胞的非定向分化。