譚映軍, 趙 飛, 王春艷, 殷學(xué)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(xùn)練中心, 北京 100094)

1 引言

空間細胞培養(yǎng)裝置是航天醫(yī)學(xué)天基研究平臺的支撐性核心設(shè)備,可為航天醫(yī)學(xué)研究提供空間環(huán)境條件下培養(yǎng)的細胞、組織、器官芯片和類器官等多類型樣本。

航天醫(yī)學(xué)細胞學(xué)空間培養(yǎng)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已日趨完善,國內(nèi)外已有不同功能設(shè)備在軌應(yīng)用[1-3],實現(xiàn)了空間細胞/組織培養(yǎng)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(yǎng)實驗的綜合性或?qū)Ｓ眯栽O(shè)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(xué)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(yǎng)單元(Cell Culture United,CCU)和生物培養(yǎng)系統(tǒng)(Bioculture System)等專用設(shè)備。國內(nèi)外已經(jīng)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(xué)飛行試驗,取得了很多有重大意義的科學(xué)研究成果[4-6]。

中國在載人航天交會對接任務(wù)階段,成功研制了能自主調(diào)控細胞培養(yǎng)環(huán)境參數(shù)并監(jiān)測生長狀況的空間細胞自動培養(yǎng)裝置?？稍谲壸詣油瓿杉毎せ?、培養(yǎng)、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(wù)中,利用該設(shè)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(wù)階段,建立了長期在軌穩(wěn)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(yǎng)裝置,以滿足日益迫切的航天醫(yī)學(xué)研究平臺需求。本文針對中國空間站資源條件與航天醫(yī)學(xué)研究需要,從結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真計算、試驗驗證和空間站應(yīng)用等方面,介紹一種集培養(yǎng)、觀察、環(huán)境調(diào)控和重力對照一體化的空間站多功能細胞自動培養(yǎng)裝置及其實際在軌實驗應(yīng)用情況。

2 需求分析與設(shè)計指標

根據(jù)航天醫(yī)學(xué)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(yǎng)裝置應(yīng)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(yǎng)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(huán)境適應(yīng)性。裝置應(yīng)能在微重力環(huán)境下按照設(shè)定的實驗流程自動完成細胞培養(yǎng)實驗,工作過程無重力依賴性;

2) 環(huán)境控制。應(yīng)能自動調(diào)控細胞等樣本培養(yǎng)區(qū)溫度、CO2濃度等環(huán)境條件;

3) 重力對照。需要在微重力環(huán)境建立同步重力水平可調(diào)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(xiàn)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(zhí)行地面自動調(diào)焦指令表的能力;

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

根據(jù)對多功能細胞自動培養(yǎng)裝置功能需要分析,并依據(jù)中國空間站資源條件,多功能細胞自動培養(yǎng)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(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 設(shè)計約束與構(gòu)型設(shè)計

多功能細胞自動培養(yǎng)裝置為在空間站有人輔助操作的條件下應(yīng)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(yǎng)裝置獨立運轉(zhuǎn),自動按設(shè)定流程進行激活、培養(yǎng)、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(shè)備中保存。

整體布局的原則: ①有利于細胞培養(yǎng); 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(yǎng)區(qū)與電子學(xué)控制區(qū)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(shè)計為前開門箱式構(gòu)型,所有實驗樣本均通過可暴露抽取式滑軌結(jié)構(gòu)安裝于箱式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上完全隔離,減少重力對照組傳動結(jié)構(gòu)工作中對微重力實驗組的影響。

根據(jù)醫(yī)學(xué)功能需求,并考慮設(shè)計約束與構(gòu)型設(shè)計要求,多功能細胞自動培養(yǎng)裝置主要由箱體、微重力培養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)裝置相連。

圖1 多功能細胞自動培養(yǎng)裝置結(jié)構(gòu)三維圖Fig.1 Three-dimensional diagram of the structure of the multifunctional cell autom atic culture device

3.2 箱體設(shè)計

為確保多功能細胞自動培養(yǎng)裝置具備良好的絕熱保溫、密封保氣與結(jié)構(gòu)防護能力,裝置箱體結(jié)構(gòu)部分由結(jié)構(gòu)外殼、內(nèi)膽、保溫層、軌道和箱門等部件構(gòu)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(fā)泡成型,發(fā)泡層厚度為20 mm,主體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 箱體結(jié)構(gòu)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(nèi)放置一個風扇,用以模擬離心機轉(zhuǎn)動產(chǎn)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(guān)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(guān)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(shù)。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),可求得風扇開時,k=0.0244/h;風扇關(guān)時,k=0.0058/h。

當裝置內(nèi)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(guān)時,CO2氣體濃度下降速率為0.03%/h。

裝置的內(nèi)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(yǎng)模塊設(shè)計

微重力模塊主要實現(xiàn)微重力環(huán)境下的細胞培養(yǎng),微重力實驗區(qū)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(shù)據(jù)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(dǎo)軌取出,更換樣本完成后,將微重力模塊組件重新通過導(dǎo)軌導(dǎo)入裝置內(nèi)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(shè)計

重力對照模塊組件主要用于在空間微重力環(huán)境下,為細胞培養(yǎng)提供一個重力的環(huán)境。重力對照模塊主要由底板、轉(zhuǎn)盤、電機、導(dǎo)電滑環(huán)、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(zhuǎn)盤上,通過電機驅(qū)動圓盤旋轉(zhuǎn),建立實驗需要不同水平在軌對照重力環(huán)境。主體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速,r/min;R為離心半徑,cm。根據(jù)式(2),細胞樣本回轉(zhuǎn)半徑為15 cm 時,實驗組件轉(zhuǎn)速為77 r/min,可實現(xiàn)1g相對離心力。

4 電路設(shè)計

多功能細胞自動培養(yǎng)裝置電路主要包括由電源變換、溫度控制、實驗控制、控制執(zhí)行、顯微成像、壓縮存儲和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)復(fù)接等電路組成,分別實現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計后,進行了培養(yǎng)箱熱控模型建立、溫控模塊設(shè)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(xiàn)對熱傳遞的仿真計算。

進行網(wǎng)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(shù)如表2 所示。

當環(huán)境溫度為19 ℃,工作溫度設(shè)定為40 ℃時,裝置內(nèi)部保溫層內(nèi)區(qū)域穩(wěn)定后溫度分布情況如圖7 所示。仿真結(jié)果表明:裝置內(nèi)部空氣溫度均勻,滿足溫差不超過1 ℃要求。

圖7 環(huán)境溫度19 ℃時培養(yǎng)箱整體溫度分布Fig.7 Overall temperature distribution of the incubator at 19 ℃ ambient temperature

裝置內(nèi)空氣流速分布示意如圖8 所示,裝置內(nèi)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(nèi)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(shè)定37 ℃,利用testo 溫濕度計與設(shè)備內(nèi)部測溫傳感器測試了裝置內(nèi)部升溫與溫度分布情況,檢測結(jié)果(圖9)表明:在25 ℃環(huán)境條件下,裝置能在90 min 左右使細胞培養(yǎng)區(qū)溫度達到37 ℃,并穩(wěn)定在誤差±0.5 ℃范圍內(nèi)。

圖9 培養(yǎng)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(shè)定CO2濃度值為5%時,20 min 內(nèi)濃度達到最高,并控制在±0.35%范圍內(nèi),如圖10 所示。在CO2濃度1%～10%范圍內(nèi)不同設(shè)定值,控制均滿足要求,如圖11 所示。

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

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

6.3 細胞學(xué)驗證

裝置完成了組裝與調(diào)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(yǎng)實驗,實驗結(jié)果(圖12)表明:裝置內(nèi)細胞形態(tài)正常,細胞正常增殖生長。

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

7 空間站應(yīng)用

多功能細胞自動培養(yǎng)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(wù)期間完成了在軌展開與測試,下傳的遙測數(shù)據(jù)表明:裝置工作正常,各項工況指標滿足開展航天醫(yī)學(xué)實驗要求。

在神舟十三號到十五號任務(wù)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(wèi)星細胞、神經(jīng)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(xù)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(jié)論

本文針對空間站應(yīng)用環(huán)境研制了一種集細胞樣本激活、培養(yǎng)、處理、固定、自動觀察等功能于一體的多功能細胞自動培養(yǎng)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(yǎng)實驗,結(jié)果表明:多功能細胞自動培養(yǎng)裝置各項功能指標均滿足設(shè)計要求;多功能細胞自動培養(yǎng)裝置滿足在軌不同類型細胞培養(yǎng)需求,能為后續(xù)空間站任務(wù)中不同目標航天醫(yī)學(xué)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。