空間站多功能細胞自動培養裝置研制與應用

譚映軍, 趙 飛, 王春艷, 殷學民, 韋 明, 姚宇華, 張愛民, 施镠佳, 鞏陶婉,聶捷琳, 李保雨, 顧 寅, 李 琦, 謝元友, 曲麗娜, 王立東, 劉朝霞, 許 志,劉偉波, 李瑩輝

(中國航天員科研訓練中心, 北京 100094)

1 引言

空間細胞培養裝置是航天醫學天基研究平臺的支撐性核心設備,可為航天醫學研究提供空間環境條件下培養的細胞、組織、器官芯片和類器官等多類型樣本。

航天醫學細胞學空間培養技術經過多年的發展已日趨完善,國內外已有不同功能設備在軌應用[1-3],實現了空間細胞/組織培養裝置的長期化、多樣化、標準化、模塊化和智能化。國際空間站上,細胞培養實驗的綜合性或專用性設備有近20 臺,滿足不同類型樣本開展不同周期的實驗需求,如日本的細胞生物學實驗裝置(Cell Biology Experiment Facility,CBEF)和ESA 的生物實驗室(Biological Experiment Laboratory,BIOLAB)等綜合性平臺,以及NASA 研制的細胞培養單元(Cell Culture United,CCU)和生物培養系統(Bioculture System)等專用設備。國內外已經多次利用這些裝置在空間進行過哺乳動物細胞、細菌、魚、植物和小昆蟲的科學飛行試驗,取得了很多有重大意義的科學研究成果[4-6]。

中國在載人航天交會對接任務階段,成功研制了能自主調控細胞培養環境參數并監測生長狀況的空間細胞自動培養裝置。可在軌自動完成細胞激活、培養、藥物釋放、樣本固定或裂解等操作。在神舟九號與神舟十號載人飛行任務中,利用該設備成功開展了成骨細胞和血管上皮細胞空間實驗研究[7-9]。

在中國空間站任務階段,建立了長期在軌穩定運行的空間實驗平臺,必須研制功能更加豐富、樣本支持能力更加強大的空間培養裝置,以滿足日益迫切的航天醫學研究平臺需求。本文針對中國空間站資源條件與航天醫學研究需要,從結構設計、仿真計算、試驗驗證和空間站應用等方面,介紹一種集培養、觀察、環境調控和重力對照一體化的空間站多功能細胞自動培養裝置及其實際在軌實驗應用情況。

2 需求分析與設計指標

根據航天醫學研究對開展空間實驗需求,研制的空間站多功能細胞自動培養裝置應能滿足不同類型樣本(包括細胞、組織、器官芯片和類器官等)的大樣本、長周期、多代自動培養要求,并具備實時顯微樣本圖像觀察記錄與遠程控制功能。具體功能需求如下:

1) 環境適應性。裝置應能在微重力環境下按照設定的實驗流程自動完成細胞培養實驗,工作過程無重力依賴性;

2) 環境控制。應能自動調控細胞等樣本培養區溫度、CO2濃度等環境條件;

3) 重力對照。需要在微重力環境建立同步重力水平可調整的重力對照條件;

4) 圖像觀察。需要在實驗過程中能自動實現白光顯微觀察,具有自動對焦、圖像/視頻采集功能,并具有接收、執行地面自動調焦指令表的能力;

5) 遙測參數采集及下傳。能實時監測細胞生長環境參數和裝置性能參數,包括樣本數、流程階段、溫度、CO2濃度、重力加速度值、細胞圖像等參數,并將參數下傳。

根據對多功能細胞自動培養裝置功能需要分析,并依據中國空間站資源條件,多功能細胞自動培養裝置具體性能指標如表1 所示。

表1 裝置性能指標Table 1 Index of device perform ance index

3 結構設計

3.1 設計約束與構型設計

多功能細胞自動培養裝置為在空間站有人輔助操作的條件下應用,工作模式為:實驗前,由航天員手動安裝實驗樣本并注入實驗流程指令;實驗中,多功能細胞自動培養裝置獨立運轉,自動按設定流程進行激活、培養、取樣、固定/裂解,以及圖片/視頻采集等操作;實驗完成后,由航天員手動回收樣本,并于在軌低溫存貯設備中保存。

整體布局的原則: ①有利于細胞培養; ②便于人員操作; ③便于觀察成像; ④組件之間沒有干涉; ⑤細胞培養區與電子學控制區隔離。

為確保航天員在軌取放實驗樣本的操作便捷性,裝置設計為前開門箱式構型,所有實驗樣本均通過可暴露抽取式滑軌結構安裝于箱式結構前端,確保良好的操作工效性能。重力對照組與微重力實驗組從安裝結構上完全隔離,減少重力對照組傳動結構工作中對微重力實驗組的影響。

根據醫學功能需求,并考慮設計約束與構型設計要求,多功能細胞自動培養裝置主要由箱體、微重力培養模塊、重力對照模塊和電控箱等部分組成,如圖1 所示。微重力培養模塊和重力對照模塊上下分布,位于裝置前部,通過帶鎖軌道與箱體安裝。電控箱固定安裝于裝置后端,CO2氣瓶安裝在機柜的其他單元中,通過管路和快速氣管路接頭與多功能細胞自動培養裝置相連。

圖1 多功能細胞自動培養裝置結構三維圖Fig.1 Three-dimensional diagram of the structure of the multifunctional cell autom atic culture device

3.2 箱體設計

為確保多功能細胞自動培養裝置具備良好的絕熱保溫、密封保氣與結構防護能力,裝置箱體結構部分由結構外殼、內膽、保溫層、軌道和箱門等部件構成。為提高裝置保溫性能與氣密性,保溫層采用整體聚氨酯發泡成型,發泡層厚度為20 mm,主體結構如圖2 所示。

圖2 箱體結構三維圖Fig.2 Three-dimensional diagram of box structure

為進一步改善箱體密封性能,所有進出裝置電纜均采用密封接頭,并提高了門的剛度。

為驗證箱體密封性能,進行了CO2氣體保持試驗。試驗中,樣機通過進氣口充入濃度為21%左右的CO2氣體。箱內放置一個風扇,用以模擬離心機轉動產生的氣體流動。CO2氣體濃度的變化曲線如圖3 所示。

風扇開時,CO2氣體濃度下降速率0.35%/h左右;風扇關時,CO2氣體濃度下降速率為0.1%/h 左右。

氣體濃度與時間的變化關系可寫為式(1):

其中,C0是初始濃度(%),C1是時間為t(h)時的濃度(%),k為系數。根據試驗數據,可求得風扇開時,k=0.0244/h;風扇關時,k=0.0058/h。

當裝置內CO2氣體濃度為5%左右時,由式(1)可計算出:風扇開時,CO2氣體濃度下降速率為0.12%/h;風扇關時,CO2氣體濃度下降速率為0.03%/h。

裝置的內部容積約為56.4 L,按最大泄露率計算,每小時泄露0.068 L 純CO2氣體。2.1 L 容積的CO2氣瓶,大約可使用1540 h(約64 天)。

3.3 微重力培養模塊設計

微重力模塊主要實現微重力環境下的細胞培養,微重力實驗區可同時安裝7 個實驗樣本。微重力模塊主要由實驗樣本安裝板、實驗樣本、實驗樣本平移臺、相機平移臺、白光相機、數據傳輸盒和對流風扇組成。實驗樣本安裝板上固定5 個樣本,另外2 個實驗樣本分別放置在2 個白光相機的前面。更換實驗樣本時,需將微重力模塊組件整體通過導軌取出,更換樣本完成后,將微重力模塊組件重新通過導軌導入裝置內部安裝。微重力模塊安裝方式如圖4 所示。

圖4 微重力模塊組件Fig.4 Com ponent diagram of m icrogravity m odule

3.4 重力對照模塊設計

重力對照模塊組件主要用于在空間微重力環境下,為細胞培養提供一個重力的環境。重力對照模塊主要由底板、轉盤、電機、導電滑環、安裝座、測速元件、接插件以及實驗樣本組成,6 個實驗單元分別布置在圓盤轉盤上,通過電機驅動圓盤旋轉,建立實驗需要不同水平在軌對照重力環境。主體結構見圖5。

相對離心力(Relative Centrifuge Force, RCF)計算公式如式(2)所示。

其中:N為轉速,r/min;R為離心半徑,cm。根據式(2),細胞樣本回轉半徑為15 cm 時,實驗組件轉速為77 r/min,可實現1g相對離心力。

4 電路設計

多功能細胞自動培養裝置電路主要包括由電源變換、溫度控制、實驗控制、控制執行、顯微成像、壓縮存儲和以太網數據復接等電路組成,分別實現裝置既定功能,組成框圖如圖6 所示。

5 溫度控制仿真

完成裝置結構設計后,進行了培養箱熱控模型建立、溫控模塊設計、詳細布局,然后利用熱分析軟件FloEFD 軟件進行箱體熱分析計算,FloEFD 的高級熱解算FA 可以較好地實現對熱傳遞的仿真計算。

進行網格劃分時,為了保證分析精度,對模型進行適當合理的簡化,仿真工況參數如表2 所示。

當環境溫度為19 ℃,工作溫度設定為40 ℃時,裝置內部保溫層內區域穩定后溫度分布情況如圖7 所示。仿真結果表明:裝置內部空氣溫度均勻,滿足溫差不超過1 ℃要求。

圖7 環境溫度19 ℃時培養箱整體溫度分布Fig.7 Overall temperature distribution of the incubator at 19 ℃ ambient temperature

裝置內空氣流速分布示意如圖8 所示,裝置內通過風扇形成的強制對流流動充分、流動無死角。

圖8 裝置內空氣流速分布Fig.8 Distribution of air velocity in the device

6 實驗驗證

6.1 溫度控制驗證

溫度設定37 ℃,利用testo 溫濕度計與設備內部測溫傳感器測試了裝置內部升溫與溫度分布情況,檢測結果(圖9)表明:在25 ℃環境條件下,裝置能在90 min 左右使細胞培養區溫度達到37 ℃,并穩定在誤差±0.5 ℃范圍內。

圖9 培養箱溫度曲線Fig.9 Temperature curve of the incubator

6.2 CO2 控制驗證

為驗證裝置CO2控制能力,設定CO2濃度值為5%時,20 min 內濃度達到最高,并控制在±0.35%范圍內,如圖10 所示。在CO2濃度1%～10%范圍內不同設定值,控制均滿足要求,如圖11 所示。

圖10 CO2 5%設定值時濃度控制曲線Fig.10 Concentration control curve at CO2 5% set value

圖11 不同設定值時濃度控制曲線Fig.11 Concentration control curve w ith different set values

6.3 細胞學驗證

裝置完成了組裝與調試后,以MG63 細胞為對象,利用裝置進行了周期為120 h 的細胞培養實驗,實驗結果(圖12)表明:裝置內細胞形態正常,細胞正常增殖生長。

圖12 細胞培養驗證實驗細胞圖像Fig.12 Cell image of cell culture validation experiment

7 空間站應用

多功能細胞自動培養裝置安裝在中國空間站核心艙中機柜上,于神舟十二號任務期間完成了在軌展開與測試,下傳的遙測數據表明:裝置工作正常,各項工況指標滿足開展航天醫學實驗要求。

在神舟十三號到十五號任務中,已在軌完成了皮膚干細胞、心肌細胞、前成骨細胞、成肌細胞、骨骼肌衛星細胞、神經干細胞和血管芯片等不同類型樣本的空間實驗,各空間實驗樣本生長正常,回收樣本滿足后續分析要求,如圖13 所示。

圖13 細胞空間實驗圖像Fig.13 Cell image of space experiment

8 結論

本文針對空間站應用環境研制了一種集細胞樣本激活、培養、處理、固定、自動觀察等功能于一體的多功能細胞自動培養裝置,對裝置進行仿真計算與驗證測試,并在空間站進行了多種細胞樣本培養實驗,結果表明:多功能細胞自動培養裝置各項功能指標均滿足設計要求;多功能細胞自動培養裝置滿足在軌不同類型細胞培養需求,能為后續空間站任務中不同目標航天醫學在軌實驗研究提供細胞、組織、器官芯片和類器官等多類型空間樣本來源。