一种基于人工智能的细胞生物学实验用细胞培养设备的制作方法

本发明涉及生物反应器，具体涉及一种基于人工智能的细胞生物学实验用细胞培养设备。

背景技术：

1、细胞培养是在体外模拟体内温度、酸碱度、营养条件等环境，使细胞生存、生长、繁殖并维持主要结构和功能的一种方法。这一技术是细胞和分子生物学研究中最重要的基础工具之一，广泛应用于代谢研究、衰老研究、药物筛选、毒性评价、疫苗和治疗性蛋白的大规模生产等领域。

2、现有细胞培养技术中，中空纤维细胞培养系统（fiber cell system）采用柱状壳体封装多根平行排列的中空纤维膜，形成类似于光纤束的组件结构；利用中空纤维膜作为选择性屏障，将细胞接种并培养于纤维外壁与壳体内壁构成的细胞生长空间（外腔），而细胞培养基则连续流经纤维内腔（内腔），通过中空纤维膜的膜壁实现营养物质、气体及代谢产物的双向跨膜交换。以此模拟体内毛细血管网络的物质传递模式，支持长期、高密度细胞培养并实现稳定的微环境控制，相较于传统静态培养具有更高的产物富集效率与批次一致性。

3、基于在中空纤维细胞培养系统，由于培养基以单向灌流方式流经纤维内腔，营养物质在被管壁外侧的细胞摄取后沿流动路径逐渐消耗，导致纤维管出口端的营养浓度会低于入口端，由此引发的空间梯度效应降低了培养环境的均一性，虽现有技术提出有通过周期性交替改变泵送方向以实现营养物的反向分布补偿，而由于培养基流动所产生的流体剪切应力作用以及营养物质跨膜交换过程的时效性限制，该方法仍难以避免沿纤维轴向的营养浓度梯度及其所引发的细胞代谢与增殖行为的空间异质性。为此，有必要提出一种基于人工智能的细胞生物学实验用细胞培养设备，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种基于人工智能的细胞生物学实验用细胞培养设备通过对中空纤维束内培养基流体的导向，采用两端反向交错灌流营养输送，针对性解决传统单向灌流中营养沿纤维轴向递减的现象。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于人工智能的细胞生物学实验用细胞培养设备，包括圆筒状的培养外壳，培养外壳的顶部和底部分别连通有进样管和采集管，培养外壳内设有若干中空纤维束，其特征在于，培养外壳内部的两端均设有整流组件，整流组件用于分配流体至各中空纤维束中并整合流体的进出流路；

3、中空纤维束呈螺旋状构型且中空纤维束的两端沿培养外壳的轴线呈中心对称分布，中空纤维束的两端分别与对应的整流组件连通；

4、培养外壳外侧设有两组泵液件，泵液件均连通有用于补充新鲜培养基的补料管和用于排出细胞代谢废物的排废管，各组泵液件分别通过两个整流组件与部分中空纤维束连通；

5、在两组泵液件的驱动下，培养基自培养外壳两端分为两种流向进入对应连通的中空纤维束中，两种流向的培养基流体在培养外壳内部沿相互靠近的方向交错流动。

6、上述方案的技术原理如下：本方案采用圆筒状培养外壳，培养外壳内部的两端设置有用于分配和整合流体进出的整流组件；培养外壳内部设有若干呈螺旋形构型的中空纤维束，中空纤维束的两端沿外壳轴线中心对称分布并分别与两端整流组件连通；外壳外侧设置两组泵送方向相反的泵液件，分别通过整流组件与部分中空纤维束连通。在两组泵液件驱动下，培养基从培养外壳两端分为两种流向进入对应中空纤维束，两股流体在外壳内部沿相互靠近的方向交错流动，形成对冲与二次流扰动，从而改善营养递送的空间均匀性。

7、采用上述方案有以下有益效果：

8、1、本方案通过中空纤维束内培养基流体的导向，通过两端反向交错灌流，针对传统单向灌流中营养沿纤维轴向递减的现象，使外壳内不同区域细胞获得均衡营养供给，提升培养均一性。

9、2、本方案相向流动产生的对冲与二次流扰动的培养基流体流动，可抑制因流体切向力持续同向作用导致的细胞堆积或冲刷不均，降低剪切应力对细胞空间分布的不良影响。

10、3、本方案通过螺旋形构型的中空纤维束与反向灌流的流体运动的协同作用，提高物质交换效率，有利于实现高密度、长期稳定的细胞培养。

11、进一步，整流组件均包括中空圆盘状的整流外壳，整流外壳内均固定连接有隔板，隔板将整流外壳内部的空间分隔为上下对称的上腔和下腔。

12、有益效果：隔板将整流外壳分隔为上下对称的上腔和下腔，实现流体进出流路的物理隔离与定向分配；该设计简化流道结构，降低流体串扰的概率，保证培养基在各中空纤维束中的独立、可控流动，提升灌流系统的可靠性与可制造性。

13、进一步，中空纤维束的两端分别连通位于培养外壳一端的上腔和位于培养外壳另一端的下腔。

14、有益效果：中空纤维束两端分别连通培养外壳一端的上腔和另一端的下腔，形成交叉连通路径；使得两组泵液件能够独立驱动两股方向相反的灌流循环，降低流路重叠干扰的概率，为后续实现相向流动及温度梯度调控提供了基础拓扑支持。

15、进一步，两组泵液件的输出端分别连通不同的下腔，且两组泵液件的接收端分别对应连通对应的上腔。

16、有益效果：两组泵液件的输出端分别连通不同的下腔，接收端分别对应连通不同的上腔，明确泵液件与腔室的对应关系，确保每组泵液件独立驱动一条从下腔经中空纤维束至上腔的定向流路；保证培养基流体相反方向灌流的同时运行，且两路流体互不混叠，提高系统控制的精准度。

17、进一步，培养外壳内还设有若干支撑盘，支撑盘上均开设有若干对应中空纤维束的支撑孔，中空纤维束均对应穿设并贴合于对应的支撑孔中。

18、有益效果：支撑盘的设计结合其表面的支撑孔对纤维束形成多点径向约束，可有效抑制流体脉动或机械振动引起的纤维位移与变形，降低纤维束因弯曲摩擦而破损的风险，同时为后续应变检测提供了机械接触界面。

19、进一步，支撑孔处均设有应变传感器，应变传感器用于实时采集中空纤维束因培养基流动及细胞生长所产生的应变信号。

20、有益效果：应变传感器的设置，实时采集中空纤维束因培养基流动及细胞生长产生的应变信号；将中空纤维束的微幅膨胀转化为可测量的电信号，为监测纤维束内局部压力变化、堵塞状态及细胞代谢活动提供了非侵入式传感手段，奠定智能化反馈控制的数据基础。

21、进一步，一种基于人工智能的细胞生物学实验用细胞培养设备，还包括处理系统，若干应变传感器和泵液件均与处理系统信号连接；

22、补料管均连通有补料电磁阀，排废管均连通有排废电磁阀，补料电磁阀和排废电磁阀均与处理系统信号连接。

23、有益效果：处理系统能够接收应变传感器信号并控制执行元件，实现培养过程的自动化监测与干预，减少人工操作，降低污染风险，并具备实时响应能力。

24、进一步，处理系统包括应变数据分析模块、均匀性评估模块和反馈调控模块，应变数据分析模块内置有营养交换预测模型；

25、应变数据分析模块用于接收若干应变传感器采集的实时应变数据，并对各应变数据进行时序分析和特征提取；

26、营养交换预测模型基于历史应变数据及对应的堵塞程度标签预先训练构建，并用于输出各中空纤维束局部堵塞程度的预测结果；

27、均匀性评估模块用于根据各中空纤维束局部堵塞程度的预测结果，评估培养外壳内营养物质递送的空间均匀性以及细胞代谢活性的空间一致性；

28、反馈调控模块，当均匀性评估模块判断培养均匀性低于预设阈值时，自动生成调控指令，调控指令包括调整两组泵液件的泵送速率、泵送方向时序或补料管的补料流量，以实现对培养基灌流参数的自适应反馈调节。

29、有益效果：该设计实现对灌流参数的自适应调节，有效缓解轴向营养梯度导致的批次内差异。

30、进一步，培养外壳内设有若干温度采集件，温度采集件用于采集培养外壳内不同区域的实时温度差，若干温度采集件均与处理系统信号连接。

31、有益效果：温度采集件的设置，获取不同区域的实时温度差并传输至处理系统；检测培养环境中的温度梯度异常，为后续温度调控提供空间分辨的输入数据，弥补单一温度监测点的不足，提高温度控制的精细度。

32、进一步，处理系统还包括温度调控模块，温度调控模块内置有温度场预测模型；

33、温度场预测模型用于通过在细胞培养过程中记录并采集的培养外壳内温度梯度历史数据及对应的最优调控参数进行训练构建；

34、温度调控模块用于将实时温度差数据输入至已训练的温度场预测模型，温度场预测模型计算输出针对两组补料管内培养基温度的调节指令或输出温度调控建议，以利用培养外壳两端具有温度差的培养基以相反方向流入中空纤维束的方式，并结合培养基在螺旋形流道中流动时温度沿程递减的特性，在培养外壳内形成可预测的梯度温度调控场，实现对目标区域的智能化温度补偿与调节。

35、有益效果：通过控制两端入流培养基的温度差，结合培养基在螺旋流道中流动时温度沿程递减的特性，在外壳内形成可预测的梯度温度场，实现对目标区域的精确温度补偿；该设计使得温度控制从均匀恒温拓展到可设计的梯度温场，满足不同细胞或实验对特定温度分布的需求。

36、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。