Biorep生物流體灌注系統(tǒng)

　　作者:

　　Felipe Echeverri - Biorep Technologies Inc.

　　Andres Bernal - Bioniko Consulting, LLC

　　Chris Fronda - VI Design Group, Inc.

　　行業(yè):生命科學, 醫(yī)學/ 醫(yī)療器械

　　產(chǎn)品:LabVIEW, CompactRIO, 報告生成工具包, 實時模塊, Touch Panel Module, FPGA模塊, NI SoftMotion開發(fā)模塊, PID控制工具包

　　挑戰(zhàn):增進細胞分泌分析的處理能力和可重復(fù)性，這種分析常被用于第一型糖尿病研究中的胰島細胞的分析。

　　解決方案:使用NI的LabVIEW軟件和CompactRIO 硬件，創(chuàng)建一個自動生物流體灌注(Perifusion) 系統(tǒng)。它能實現(xiàn)全面的環(huán)境控制,刺激不同細胞類型,并在符合可編程協(xié)議的情況下能夠自動收集分泌物。

　　"只用了3個月，我們VI設(shè)計組的克里斯•佛朗達(Chris Fronda)就能使用 LabVIEW和CompactRIO 來控制一個復(fù)雜的自動化醫(yī)療儀器。"

　　Biorep技術(shù)股份有限公司(Biorep Technologies Inc.)需要設(shè)計一種設(shè)備用來隔離胰臟中特定細胞(胰島細胞)。隔離過程非常復(fù)雜，需要超過20 種不同的裝置，其中5種需高度自動化。在目前，這些自動化裝置是使用不同的平臺與可編程語言來完成的，比如，一種語言用于控制器、另一種用于觸摸屏、第三種語言用于電機驅(qū)動、第四種語言用于步進器驅(qū)動。隨著公司的發(fā)展，這樣的設(shè)計方式造成了很多問題。由于采用了多種語言環(huán)境，所以需要不同的學習曲線,冗長的程序說明文件，而且不同平臺間需要不同的通訊協(xié)議，非常沒有效率。

　　考慮到NI的產(chǎn)品在近年來有著非常巨大的發(fā)展，能夠滿足我們的功能需求，我們決定采用功能強大的LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計軟件來實現(xiàn)所有的自動化裝置。這樣，絕大部分的自動化裝置都能夠在一個軟件平臺上完成，所以工程師只需要學習一種語言，并且也能簡化設(shè)備的工作流程。此外，LabVIEW還提供了先進的軟件調(diào)試工具，并使設(shè)備具備了遠程調(diào)試功能，幫助我們縮短調(diào)試時間，并避免長途旅行，換算下來相當于節(jié)省了超過10,000美金的成本。LabVIEW平臺的使用，對我們的效率和開發(fā)能力造成了很大的影響。

　　只用了3個月，我們VI設(shè)計組的克里斯•弗朗達(Chris Fronda)就能使用 LabVIEW和CompactRIO 來控制一個復(fù)雜的自動化醫(yī)療儀器，其中包括多軸運動控制 (步進電機)、精準的培養(yǎng)箱溫度控制和復(fù)雜的液體處理功能(電子閥數(shù)組控制)。VI設(shè)計組使用LabVIEW Real-Time模塊與LabVIEW FPGA模塊開發(fā)了軟件架構(gòu)。公司還使用LabVIEW NI SoftMotion模塊(圖1)實現(xiàn)了系統(tǒng)的仿真，在虛擬原型上模擬真實的運動軌跡，這使我們在花費成本制造實體原型之前，就先將設(shè)計進行可視化和最優(yōu)化，并幫助我們評估不同的設(shè)計理念。依靠LabVIEW 和 CompactRIO，VI設(shè)計組將開發(fā)時間從預(yù)計的12個月縮短至3個月，并且不用開發(fā)定制的控制軟件與驅(qū)動程序。

　　圖 1. SolidWorks下的 XY 機械結(jié)構(gòu)

　　起初，我們開發(fā)Biorep生物流體灌注系統(tǒng)(圖2)是為了測試試管內(nèi)胰島能力的。之后，系統(tǒng)功能得以不斷擴充，還可以可測定來自胰腺源祖干細胞 ( pancreatic progenitor stem cells) 的分化細胞的分泌物。

　　圖 2. Biorep生物流體灌注系統(tǒng)

　　在研究細胞對刺激物的反應(yīng)時(例如在糖尿病研究中細胞對藥物或葡萄糖的反應(yīng))，灌注對批次培養(yǎng)(batch incubation)有非常大的好處。在生物流體灌注系統(tǒng)中，會有刺激物不斷注入，研究中的細胞或細胞群所分泌的代謝物沖走。而在過去的批次培養(yǎng)中，這些代謝物會累積從而影響研究結(jié)果。

　　也有一些其它更先進的方法，例如動態(tài)量測，但它們并不實用，所以實驗室仍然使用批次培養(yǎng)的方法。Biorep技術(shù)股份有限公司(Biorep Technologies Inc.)與邁阿密大學糖尿病研究機構(gòu)(Diabetes Research Institute at the University of Miami)開發(fā)的自動的生物流體灌注系統(tǒng)，可以簡化實驗流程。它能實現(xiàn)全面的環(huán)境控制,刺激不同細胞類型,并在符合可編程協(xié)議的情況下能夠自動收集分泌物(圖3及圖4)。經(jīng)過測試，我們的生物流體灌注系統(tǒng)被證明是非常有價值的，可以在器官移植前，在試管內(nèi)測試人類胰島的生存能力。

　　圖 3. 協(xié)議監(jiān)測界面

　　圖 4. 容器定位界面

　　目前，已有數(shù)個實驗室定期采用該系統(tǒng)來研究胰島細胞的激素分泌。然而，Biorep 生物流體灌注系統(tǒng)并不僅限于用在胰島分泌的研究。它還可用來測定其他類型細胞的分泌，包括諸如干細胞這類的單細胞。此外，它更成為了醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)藥物研發(fā)過程中不可或缺的一部分。