[发明专利]一种用于空间环境的片上原位细胞复苏、悬浮培养的方法及其微流控芯片和装置

说明书

本发明提供了一种用于空间环境的片上原位细胞复苏、悬浮培养的方法，在地基实验室中将细胞接种于原位细胞微流控芯片的细胞培养层中，冻存后待航天器发射入轨后进行复苏，步骤一装配原位细胞微流控芯片的芯片台上连接液路；步骤二调整微流控芯片温度，融化细胞冻存液；步骤三进行培养基灌流。本发明的片上原位细胞复苏、悬浮培养的方法，克服了传统技术仅能在无菌环境开展实验的缺点，可在非无菌环境下开展实验，而不会引起微生物污染，可降低空间实验室的建设成本；悬浮培养可提高细胞培养密度，同时微流控芯片的体积、质量小，适合于利用空间搭载任务有限资源开展高密度培养，可节约飞行搭载资源。

技术领域

本发明属于空间医学工程以及生物技术研究领域，具体涉及一种在空间环境下应用片上原位细胞冻存与复苏的微流控芯片的细胞悬浮培养、复苏方法，及其微流控芯片，以及基于片上原位细胞冻存与复苏技术的自动化细胞复苏装置。使用该微流控芯片在一次完整空间搭载实验中的冻存、复苏和培养细胞的方法，本发明可应用于多种细胞。

背景技术

悬浮培养指的是一种在受到不断搅动或摇动的液体培养基里，培养单细胞及小细胞团的组织培养系统，是非贴壁依赖性细胞的一种培养方式。贴壁细胞也可通过微载体实现悬浮细胞培养，相比于贴壁细胞，悬浮细胞的培养、传代、换液等操作都十分简便，培养时只需将组织经分散、过滤、纯化和漂洗后，按一定密度接种于适宜培养液中，置于特定的培养条件下即可良好的生长。传代时也无需再分散，只需按比例稀释后即可继续培养。

在空间环境开展细胞研究的第一步是细胞复苏与接种。细胞复苏是指将冻存在液氮或者-80℃冰箱中的细胞解冻之后重新培养，细胞恢复生长的过程，其核心是保持细胞活性，同时分离细胞与冻存液。在地基实验室中，细胞复苏通常采用快速融化的方法，避免由于缓慢融化使水分渗入细胞内形成胞内再结晶对细胞造成损伤，再使用离心的方法分离细胞和细胞冻存液。在天基实验室中，空间环境开展细胞培养实验的策略主要有两种，一种是在地基实验室将细胞复苏，并接种至细胞培养载荷中，待细胞贴壁后再发射入轨开展实验。目前我国的生命科学实验载荷常使用该策略，如实践十号和天舟一号等任务的细胞培养载荷。另一种是在天基实验室中直接复苏细胞，再使用离心机在轨模拟1G重力，待细胞贴壁后再在微重力环境下开启实验，在国际空间站上开展的部分实验采用的是这一策略，如使用国际空间站欧洲哥伦布实验舱中BioLab实验载荷的Experiment preparation unit开展的实验等。

然而，上述两种天基实验室中复苏细胞的方法均有一定局限性。天基实验室中直接复苏细胞存在航天员干预过多和实验误操作风险的问题。一方面，所有在轨复苏均需要较多航天员干预，并必须在无菌环境开展实验，而航天员资源和在轨无菌环境均为稀缺资源；另一方面，如果航天员实验操作失误则实验样本容易浪费。地基实验室接种后在轨实验的方法存在细胞活性维持难和实验窗口期短的问题。一方面，在部分发射任务中，由于载荷资源有限，从地面发射至在轨有一段时间无法控制细胞培养环境，因此对细胞状态有较大影响；另一方面，由于地面接种至在轨实验这段时间细胞一直处于生长期，即使使用特殊的技术也仅能一定程度延缓细胞生长，因此若在轨实验启动距离初接种时间过长，细胞活性可能大大降低；对于在空间站开展的实验而言，若所有实验载荷均需尽快入轨开展实验，则多个实验之间会有较多时间冲突；然而，货运飞船往返对接空间站的次数有限，因此如果所有实验均需要入轨后尽快开展实验，会导致大量实验堆积在空间站与货运飞船对接后的数日，这将大大降低空间实验室的利用率。

微流控芯片的结构可订制，通过定制特殊芯片结构解决空间环境中细胞复苏和接种的难题，实现自动化细胞复苏和悬浮培养。同时由于微流控芯片具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高、自动化等优点，与空间细胞培养技术的需求高度匹配，基于微流控芯片发展细胞培养载荷技术现已经成为国内外重要发展方向。

发明内容

为了解决现有的在轨细胞复苏技术的缺陷，本发明结合微流控细胞培养技术、细胞冻存技术和细胞复苏技术，提供一种用于空间环境的片上原位细胞复苏、悬浮培养的方法及其微流控芯片和装置。本发明可用于多种细胞中空间环境下的复苏与培养，该技术成本低，操作简单，可有效解决细胞复苏的自动化问题。