空间站多功能细胞自动培养装置研制与应用

谭映军, 赵 飞, 王春艳, 殷学民, 韦 明, 姚宇华, 张爱民, 施镠佳, 巩陶婉,聂捷琳, 李保雨, 顾 寅, 李 琦, 谢元友, 曲丽娜, 王立东, 刘朝霞, 许 志,刘伟波, 李莹辉

(中国航天员科研训练中心, 北京 100094)

1 引言

空间细胞培养装置是航天医学天基研究平台的支撑性核心设备,可为航天医学研究提供空间环境条件下培养的细胞、组织、器官芯片和类器官等多类型样本。

航天医学细胞学空间培养技术经过多年的发展已日趋完善,国内外已有不同功能设备在轨应用[1-3],实现了空间细胞/组织培养装置的长期化、多样化、标准化、模块化和智能化。国际空间站上,细胞培养实验的综合性或专用性设备有近20 台,满足不同类型样本开展不同周期的实验需求,如日本的细胞生物学实验装置(Cell Biology Experiment Facility,CBEF)和ESA 的生物实验室(Biological Experiment Laboratory,BIOLAB)等综合性平台,以及NASA 研制的细胞培养单元(Cell Culture United,CCU)和生物培养系统(Bioculture System)等专用设备。国内外已经多次利用这些装置在空间进行过哺乳动物细胞、细菌、鱼、植物和小昆虫的科学飞行试验,取得了很多有重大意义的科学研究成果[4-6]。

中国在载人航天交会对接任务阶段,成功研制了能自主调控细胞培养环境参数并监测生长状况的空间细胞自动培养装置。可在轨自动完成细胞激活、培养、药物释放、样本固定或裂解等操作。在神舟九号与神舟十号载人飞行任务中,利用该设备成功开展了成骨细胞和血管上皮细胞空间实验研究[7-9]。

在中国空间站任务阶段,建立了长期在轨稳定运行的空间实验平台,必须研制功能更加丰富、样本支持能力更加强大的空间培养装置,以满足日益迫切的航天医学研究平台需求。本文针对中国空间站资源条件与航天医学研究需要,从结构设计、仿真计算、试验验证和空间站应用等方面,介绍一种集培养、观察、环境调控和重力对照一体化的空间站多功能细胞自动培养装置及其实际在轨实验应用情况。

2 需求分析与设计指标

根据航天医学研究对开展空间实验需求,研制的空间站多功能细胞自动培养装置应能满足不同类型样本(包括细胞、组织、器官芯片和类器官等)的大样本、长周期、多代自动培养要求,并具备实时显微样本图像观察记录与远程控制功能。具体功能需求如下:

1) 环境适应性。装置应能在微重力环境下按照设定的实验流程自动完成细胞培养实验,工作过程无重力依赖性;

2) 环境控制。应能自动调控细胞等样本培养区温度、CO2浓度等环境条件;

3) 重力对照。需要在微重力环境建立同步重力水平可调整的重力对照条件;

4) 图像观察。需要在实验过程中能自动实现白光显微观察,具有自动对焦、图像/视频采集功能,并具有接收、执行地面自动调焦指令表的能力;

5) 遥测参数采集及下传。能实时监测细胞生长环境参数和装置性能参数,包括样本数、流程阶段、温度、CO2浓度、重力加速度值、细胞图像等参数,并将参数下传。

根据对多功能细胞自动培养装置功能需要分析,并依据中国空间站资源条件,多功能细胞自动培养装置具体性能指标如表1 所示。

表1 装置性能指标Table 1 Index of device perform ance index

3 结构设计

3.1 设计约束与构型设计

多功能细胞自动培养装置为在空间站有人辅助操作的条件下应用,工作模式为:实验前,由航天员手动安装实验样本并注入实验流程指令;实验中,多功能细胞自动培养装置独立运转,自动按设定流程进行激活、培养、取样、固定/裂解,以及图片/视频采集等操作;实验完成后,由航天员手动回收样本,并于在轨低温存贮设备中保存。

整体布局的原则: ①有利于细胞培养; ②便于人员操作; ③便于观察成像; ④组件之间没有干涉; ⑤细胞培养区与电子学控制区隔离。

为确保航天员在轨取放实验样本的操作便捷性,装置设计为前开门箱式构型,所有实验样本均通过可暴露抽取式滑轨结构安装于箱式结构前端,确保良好的操作工效性能。重力对照组与微重力实验组从安装结构上完全隔离,减少重力对照组传动结构工作中对微重力实验组的影响。

根据医学功能需求,并考虑设计约束与构型设计要求,多功能细胞自动培养装置主要由箱体、微重力培养模块、重力对照模块和电控箱等部分组成,如图1 所示。微重力培养模块和重力对照模块上下分布,位于装置前部,通过带锁轨道与箱体安装。电控箱固定安装于装置后端,CO2气瓶安装在机柜的其他单元中,通过管路和快速气管路接头与多功能细胞自动培养装置相连。

图1 多功能细胞自动培养装置结构三维图Fig.1 Three-dimensional diagram of the structure of the multifunctional cell autom atic culture device

3.2 箱体设计

为确保多功能细胞自动培养装置具备良好的绝热保温、密封保气与结构防护能力,装置箱体结构部分由结构外壳、内胆、保温层、轨道和箱门等部件构成。为提高装置保温性能与气密性,保温层采用整体聚氨酯发泡成型,发泡层厚度为20 mm,主体结构如图2 所示。

图2 箱体结构三维图Fig.2 Three-dimensional diagram of box structure

为进一步改善箱体密封性能,所有进出装置电缆均采用密封接头,并提高了门的刚度。

为验证箱体密封性能,进行了CO2气体保持试验。试验中,样机通过进气口充入浓度为21%左右的CO2气体。箱内放置一个风扇,用以模拟离心机转动产生的气体流动。CO2气体浓度的变化曲线如图3 所示。

风扇开时,CO2气体浓度下降速率0.35%/h左右;风扇关时,CO2气体浓度下降速率为0.1%/h 左右。

气体浓度与时间的变化关系可写为式(1):

其中,C0是初始浓度(%),C1是时间为t(h)时的浓度(%),k为系数。根据试验数据,可求得风扇开时,k=0.0244/h;风扇关时,k=0.0058/h。

当装置内CO2气体浓度为5%左右时,由式(1)可计算出:风扇开时,CO2气体浓度下降速率为0.12%/h;风扇关时,CO2气体浓度下降速率为0.03%/h。

装置的内部容积约为56.4 L,按最大泄露率计算,每小时泄露0.068 L 纯CO2气体。2.1 L 容积的CO2气瓶,大约可使用1540 h(约64 天)。

3.3 微重力培养模块设计

微重力模块主要实现微重力环境下的细胞培养,微重力实验区可同时安装7 个实验样本。微重力模块主要由实验样本安装板、实验样本、实验样本平移台、相机平移台、白光相机、数据传输盒和对流风扇组成。实验样本安装板上固定5 个样本,另外2 个实验样本分别放置在2 个白光相机的前面。更换实验样本时,需将微重力模块组件整体通过导轨取出,更换样本完成后,将微重力模块组件重新通过导轨导入装置内部安装。微重力模块安装方式如图4 所示。

图4 微重力模块组件Fig.4 Com ponent diagram of m icrogravity m odule

3.4 重力对照模块设计

重力对照模块组件主要用于在空间微重力环境下,为细胞培养提供一个重力的环境。重力对照模块主要由底板、转盘、电机、导电滑环、安装座、测速元件、接插件以及实验样本组成,6 个实验单元分别布置在圆盘转盘上,通过电机驱动圆盘旋转,建立实验需要不同水平在轨对照重力环境。主体结构见图5。

相对离心力(Relative Centrifuge Force, RCF)计算公式如式(2)所示。

其中:N为转速,r/min;R为离心半径,cm。根据式(2),细胞样本回转半径为15 cm 时,实验组件转速为77 r/min,可实现1g相对离心力。

4 电路设计

多功能细胞自动培养装置电路主要包括由电源变换、温度控制、实验控制、控制执行、显微成像、压缩存储和以太网数据复接等电路组成,分别实现装置既定功能,组成框图如图6 所示。

5 温度控制仿真

完成装置结构设计后,进行了培养箱热控模型建立、温控模块设计、详细布局,然后利用热分析软件FloEFD 软件进行箱体热分析计算,FloEFD 的高级热解算FA 可以较好地实现对热传递的仿真计算。

进行网格划分时,为了保证分析精度,对模型进行适当合理的简化,仿真工况参数如表2 所示。

当环境温度为19 ℃,工作温度设定为40 ℃时,装置内部保温层内区域稳定后温度分布情况如图7 所示。仿真结果表明:装置内部空气温度均匀,满足温差不超过1 ℃要求。

图7 环境温度19 ℃时培养箱整体温度分布Fig.7 Overall temperature distribution of the incubator at 19 ℃ ambient temperature

装置内空气流速分布示意如图8 所示,装置内通过风扇形成的强制对流流动充分、流动无死角。

图8 装置内空气流速分布Fig.8 Distribution of air velocity in the device

6 实验验证

6.1 温度控制验证

温度设定37 ℃,利用testo 温湿度计与设备内部测温传感器测试了装置内部升温与温度分布情况,检测结果(图9)表明:在25 ℃环境条件下,装置能在90 min 左右使细胞培养区温度达到37 ℃,并稳定在误差±0.5 ℃范围内。

图9 培养箱温度曲线Fig.9 Temperature curve of the incubator

6.2 CO2 控制验证

为验证装置CO2控制能力,设定CO2浓度值为5%时,20 min 内浓度达到最高,并控制在±0.35%范围内,如图10 所示。在CO2浓度1%～10%范围内不同设定值,控制均满足要求,如图11 所示。

图10 CO2 5%设定值时浓度控制曲线Fig.10 Concentration control curve at CO2 5% set value

图11 不同设定值时浓度控制曲线Fig.11 Concentration control curve w ith different set values

6.3 细胞学验证

装置完成了组装与调试后,以MG63 细胞为对象,利用装置进行了周期为120 h 的细胞培养实验,实验结果(图12)表明:装置内细胞形态正常,细胞正常增殖生长。

图12 细胞培养验证实验细胞图像Fig.12 Cell image of cell culture validation experiment

7 空间站应用

多功能细胞自动培养装置安装在中国空间站核心舱中机柜上,于神舟十二号任务期间完成了在轨展开与测试,下传的遥测数据表明:装置工作正常,各项工况指标满足开展航天医学实验要求。

在神舟十三号到十五号任务中,已在轨完成了皮肤干细胞、心肌细胞、前成骨细胞、成肌细胞、骨骼肌卫星细胞、神经干细胞和血管芯片等不同类型样本的空间实验,各空间实验样本生长正常,回收样本满足后续分析要求,如图13 所示。

图13 细胞空间实验图像Fig.13 Cell image of space experiment

8 结论

本文针对空间站应用环境研制了一种集细胞样本激活、培养、处理、固定、自动观察等功能于一体的多功能细胞自动培养装置,对装置进行仿真计算与验证测试,并在空间站进行了多种细胞样本培养实验,结果表明:多功能细胞自动培养装置各项功能指标均满足设计要求;多功能细胞自动培养装置满足在轨不同类型细胞培养需求,能为后续空间站任务中不同目标航天医学在轨实验研究提供细胞、组织、器官芯片和类器官等多类型空间样本来源。