[发明专利]一种细胞培养多环境因子的最优控制方法

说明书

本发明公开细胞培养应用领域中的一种细胞培养多环境因子的最优控制方法，利用BP神经网络算法构建出细胞生长率与葡萄糖浓度、溶氧浓度、PH值以及剪切力等环境因子的数学模型，然后用遗传算法寻找最优的环境因子，在实际的细胞培养中，根据最优的环境因子进行控制细胞培养，使细胞生长最佳，在以后的实验中就可利用这些环境因子的数值推算出预期的细胞生长状况，避免了复杂的摸索实验，不需要人工参与。

技术领域

本发明涉及细胞培养的应用领域，影响细胞生长的环境因子非常多，本发明特别涉及一种细胞培养多环境因子的最优控制方法，综合控制细胞培养的多环境因子。

背景技术

细胞培养目前已成为应用于生命科学的主要技术之一，细胞培养的环境系统是一个非线性、强耦合且复杂性高的系统，影响细胞生长的环境因子有例如剪切力、渗透压、溶氧、pH值、生长因子等。中国专利申请号为CN201320697500.6的文献中提出了一种可监测细胞培养液体环境的细胞培养装置，该装置可以实时监测细胞培养装置中溶解氧浓度，但只是单纯地监测细胞的溶氧度，局部地监测细胞环境参数，没有涉及综合控制细胞培养的多环境因子，中国专利申请号为CN200510134489.2的文献中提出了一种细胞培养装置，该装置大量迅速培养，获取细胞，但并没有研究使细胞生长最佳的影响参数，中国专利申请号为CN201720021655.6的文献中提出了一种检测细胞培养环境中的温度、氧气含量、二氧化碳含量以及培养液中的PH值，但无法提前得知细胞生长最优的环境因素，没有缩短实验研究时间。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种细胞培养多环境因子的最优控制方法，构建出葡萄糖浓度、溶氧、PH值以及剪切力等环境因子与细胞生长之间的关系，求取出最佳的环境因子，使得细胞生长最佳，在以后的实验中就可利用这些环境因子的数值推算出预期的细胞生长状况。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的：包括如下步骤：

步骤1)：获取不同葡萄糖浓度L、PH值H、溶氧浓度O、剪切力τ的培养液，进行细胞培养；

步骤2)：拍摄细胞的生长图并将图像传输给上位机，得到不同的葡萄糖浓度L、PH值H、溶氧浓度O、剪切力τ的环境下细胞生长的细胞生长率μ；

步骤3)：以葡萄糖浓度L、PH值H、溶氧浓度O、剪切力τ作为输入，以细胞生长率μ作为输出构建BP神经网络数学模型μ＝f(L，O，H，τ)，即细胞生长的适应度函数C＝f(L，O，H，τ)；

步骤4)：将葡萄糖浓度L分成个2^p等级，作为个体基因的前p位二进制；将溶氧浓度O分成个2^q等级，作为个体基因的p位后的q位二进制；将PH值H分成个2^r等级，作为个体基因的q位后的r位二进制；将剪切力τ分成个2^s等级，作为个体基因的最后的s位二进制；共有2^p+q+r+s种个体，每个个体有p+q+r+s位二进制编码；

步骤5)：产生初始化群体，经复制、交叉、变异，输出的个体基因分成四段提取，前p位为葡萄糖浓度L，q位为溶氧浓度O，r位为PH值H，最后s位为剪切力τ，得到最优环境因子数值。

本发明与已有方法相比，具有如下优点：

1、本发明利用BP神经网络算法构建出细胞生长率与葡萄糖浓度、溶氧浓度、PH值以及剪切力等环境因子的数学模型，然后用遗传算法寻找最优的环境因子，在实际的细胞培养中，根据最优的环境因子进行控制细胞培养，避免了复杂的摸索实验，使投入的人力，物力，财力等最少。

2、本发明在寻找对细胞生长有影响的环境因子的最优组合时采用了遗传算法，葡萄糖浓度，PH值以及溶氧，剪切力等环境因子都对细胞生长有所影响，使用遗传算法寻找最优的环境因子，使细胞生长最佳。遗传算法具有良好的全局搜索能力，可以快速地将解空间中的最优解搜索出来，且过程简单，不需要人力介入。