细胞培养器
细胞培养器，也常被称为细胞培养箱或细胞培养设备，是现代生物学、医学和生物技术实验室中用于体外培养和维持细胞生长的核心仪器。
特点
1.无菌环境：所有细胞培养器都设计为可维持严格的无菌条件，以防止细菌、真菌等微生物污染。通常由无菌材料（如聚苯乙烯、玻璃）制成，并可进行高压灭菌或伽马射线灭菌。
2.透气性控制：许多培养器（如培养瓶）具有透气盖或滤膜，允许气体（如氧气和二氧化碳）交换，同时阻止污染物进入，以维持细胞代谢所需的气体环境。
3.表面处理：为了促进贴壁细胞的附着和生长，培养器内表面通常经过特殊处理（如表面改性、包被胶原蛋白等）。
4.透明材质：大多数培养器采用光学透明材料制造，便于在显微镜下直接观察细胞生长状态。
5.标准化与兼容性：设计符合国际标准（如SBS标准），便于自动化操作和与移液器、微孔板读板机等设备兼容。
6.多种规格与用途：提供多种形状和尺寸（如T25、T75培养瓶、6孔板、96孔板等），满足不同实验规模和需求（如高通量筛选、组织工程等）。
7.可扩展性（针对生物反应器）：大型生物反应器具备精确控制温度、pH、溶氧、搅拌速度等功能，适用于大规模细胞培养和工业化生产。
8.减少蒸发设计：部分培养器（如带盖培养板）采用密封设计或使用矿物油覆盖，以减少培养基蒸发，维持稳定的培养环境。
9.易于操作与处理：设计人性化，便于开盖、加样、换液和细胞收集，部分产品支持自动化工作站操作。
10.一次性使用：多数细胞培养器为一次性使用，避免交叉污染，节省清洗和灭菌时间。
主要类型
1.CO?培养箱：最常见类型，具备温度、CO?浓度和湿度三重控制，专为需要精确pH控制的细胞培养设计。
2.恒温培养箱：仅提供恒温环境，适用于对CO?和湿度要求不高的培养，如某些细菌培养或细胞传代后的短期存放。
3.厌氧培养箱：创造无氧环境，用于培养厌氧微生物。
4.摇床培养箱：结合了培养箱和摇床的功能，可在恒温条件下对液体培养物进行振荡培养，增加溶氧量，常用于微生物或悬浮细胞的大规模培养。
工作原理
以下是不同类型细胞培养器的工作原理概述：
一、基础细胞培养器（如培养瓶、培养皿、多孔板）
这类是最常见的静态培养器，其工作原理相对简单，主要依赖于外部环境（如细胞培养箱）来维持条件，自身提供适宜的物理和化学环境。
1.提供物理支撑与空间：
由生物相容性材料（如聚苯乙烯）制成，为细胞提供附着和生长的表面（贴壁细胞）或悬浮空间（悬浮细胞）。
透明材质便于显微镜下观察。
2.维持气体交换：
培养器盖子通常带有透气膜（如0.2μm疏水滤膜）或设计为松盖。
原理：允许培养箱内的气体（主要是5%CO?和95%空气）与培养器内部进行扩散交换。CO?溶于培养基形成碳酸氢盐缓冲系统，维持培养基的pH值稳定（通常在7.2-7.4）。
3.容纳培养基：
培养基是细胞生长的“土壤”，提供细胞所需的营养物质（氨基酸、葡萄糖、维生素、无机盐）、生长因子、激素以及维持渗透压和pH的缓冲系统。
培养器作为容器，盛放并保护培养基和细胞。
4.保持无菌环境：
一次性使用或经过严格灭菌处理（高压蒸汽、伽马射线）。
透气盖设计允许气体交换的同时，滤膜能阻挡空气中的微生物进入，防止污染。
5.减少蒸发：
盖子密封或在培养箱内使用加湿托盘，减少培养基水分蒸发，维持稳定的渗透压和体积。
二、高级细胞培养器/生物反应器
这类是更复杂的动态培养系统，能够主动监测和精确控制多个环境参数，适用于大规模、高密度或对环境要求严格的细胞培养（如干细胞、CAR-T细胞、抗体生产）。
其工作原理涉及多个主动控制系统：
1.温度控制：
原理：通过内置的加热套、水浴夹套或加热垫，配合温度传感器和反馈控制系统，将培养液维持在设定的恒温（通常是37°C）。
2.pH值控制：
原理：使用pH电极实时监测培养液pH。当pH偏离设定值时，系统自动向培养液中通入CO?气体（降低pH）或加入碱性溶液（如NaHCO?，升高pH）进行调节。
3.溶氧（DO）控制：
原理：通过溶氧电极监测培养液中的氧气浓度。通过调节通入气体的混合比例（如空气、纯氧、氮气）、搅拌速度或摇床转速来增加氧气溶解，或通入氮气降低氧浓度。
4.混合与传质：
原理：通过机械搅拌（桨叶）、摇动（摇床式生物反应器）、通气（气泡）或灌流（液体流动）等方式，使培养液均匀混合，确保营养物质、气体和代谢废物在细胞间有效传递，防止细胞沉降或局部浓度过高/过低。
5.搅拌/摇动控制：
原理：提供适当的剪切力和混合，促进传质，但又不能过大以免损伤细胞。速度可精确调节。
6.补料与灌流：
原理：在培养过程中，自动向反应器内添加新鲜培养基（补料）或连续/半连续地移除旧培养基并补充新培养基（灌流），以持续提供营养、移除代谢废物（如乳酸、氨），支持细胞长期高密度生长。
7.在线监测与自动化：
原理：集成多种传感器（pH、DO、温度、浊度、代谢物等）和计算机控制系统，实现培养过程的实时监控、数据记录和自动化操作。
适用范围
1.基础生命科学研究：
细胞生物学：研究细胞的生长、增殖、分化、凋亡、迁移、信号转导等基本生命活动。
分子生物学：进行基因表达、基因编辑（如CRISPR）、蛋白质功能研究等实验。
免疫学：培养免疫细胞（如T细胞、B细胞、巨噬细胞），研究免疫应答、抗体产生等。
肿瘤学：建立和研究肿瘤细胞系，探索癌症的发生、发展机制及药物敏感性。
遗传学与基因工程：用于基因克隆、载体构建和转基因细胞的筛选与培养。
干细胞研究：培养胚胎干细胞、诱导多能干细胞（iPSC）和成体干细胞，用于再生医学和发育生物学研究。
2.药物研发与筛选：
药物发现：利用细胞模型进行高通量药物筛选（HTS），寻找潜在的候选药物。
药效学与药理学研究：评估药物对细胞活性、增殖、凋亡等的影响。
毒理学测试：检测药物、化学品或环境污染物对细胞的毒性作用（细胞毒性试验）。
药物代谢研究：使用肝细胞等研究药物在体内的代谢过程。
3.生物制药与疫苗生产：
生物大分子生产：大规模培养工程细胞（如CHO细胞）来生产治疗性蛋白质、单克隆抗体、重组疫苗等生物药物。
病毒疫苗生产：利用细胞培养技术生产病毒（如流感病毒、狂犬病毒），用于疫苗制备。
4.医学与临床应用：
组织工程与再生医学：作为支架或载体，培养细胞以构建人工组织或器官（如皮肤、软骨）。
细胞治疗：培养和扩增用于治疗的细胞，如CAR-T细胞、间充质干细胞等。
疾病模型建立：利用患者来源的细胞（如iPSC）建立体外疾病模型，用于机制研究和个性化医疗。
5.农业与食品科学：
植物生物技术：进行植物原生质体培养、细胞悬浮培养和遗传转化。
动物育种：胚胎细胞的培养与操作。
人造肉/细胞培养肉：在生物反应器中大规模培养动物细胞以生产肉类替代品。
6.环境与工业应用：
环境监测：利用特定细胞系检测环境中的污染物。
工业生物技术：利用细胞作为“生物工厂”生产酶、生物燃料或其他化学品。