CN107177500A - 一种基于罗叶泵的仿生脉动生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于罗叶泵的仿生脉动生物反应器，应用心脏辅助循环罗叶泵提供脉动流动力，驱动液体在胶管回路上以脉动流的方式流动。本发明包括脉动生物反应器动力装置，脉动生物反应器动力装置与人工心脏辅助装置(罗叶泵)连接，人工心脏辅助装置(罗叶泵)与生物反应器培养***连接，生物反应器培养***与储液瓶链接，储液瓶与人工心脏辅助装置(罗叶泵)连接。生物反应器培养***内的胶管可以形成一定幅度和频率的搏动流，参数(频率、正/负向压力及压差等)调节范围大，仿生能力强，机械稳定性好，运行可靠。

Description

一种基于罗叶泵的仿生脉动生物反应器

技术领域

本发明涉及一种医疗和实验研究器械，尤其是涉及一种基于罗叶泵的仿生脉动生物反应器。

背景技术

心脑血管疾病发病率呈逐年上升趋势，其共同的病理生理学特征为血管功能失衡及损伤修复异常，继而引起血管重构。因此，组织工程血管置换术是心脑血管疾病的重要治疗方法。目前临床上应用的血管移植物主要有异体生物血管、自体血管、人工合成血管。异体生物血管因易致免疫排斥而最终导致血管阻塞；自体血管必需牺牲人体正常组织来修复病损组织，且长度和管径合适的自体非必需血管的来源有限。人工合成血管如涤纶、聚四氟乙烯等材料作为小血管的通畅率不能满足临床治疗的需要，且作为异物可引起慢性免疫排斥反应、感染和栓塞、随着时间的延长，管腔通常率下降，若长期应用抗凝药又有一定的副作用，因此寻找新的血管替代物成为新的研究热点。

自1986年，Weinberg CB等应用自体来源的平滑肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞构建了复合的组织工程化血管，但血管强度无法满足回植要求，让人们看到了组织工程血管的希望。此后Kanayama、Jo等用天然胶原、脱细胞血管支架等天然生物材料作为支架材料构建组织工程血管，证明了构建TEBV的可行性。

此外，Matsumura和Roh等用人工合成可降解材料PGA(聚羟基乙酸)、PLA(聚乳酸)、聚L-乳酸(PLLA)及上述材料共聚物(PLGA)，P4HB(聚-4-羟基丁酸)等作为支架材料也构建除了组织工程血管。

但是，上述组织工程血管均为体外静态构建，此时血管细胞会丧失部分分化功能，黏附力量低下，导致形成的TEBV弹性中膜的强度不够、内皮细胞层黏附不牢易脱落，而导致血栓形成。因此，在体外构建TEBV时，人为施加适宜的力学刺激成为人们的共识。合理运用脉动生物反应器在体外模拟体内血管的流体力学环境，在体外构建成能自我分泌细胞外基质、具有一定力学强度、能够自我重构的功能完整的TEBV。

由于心脏是搏动血流，频率低，压差大，故实现仿生的体外模拟比较困难。Niklason和Hoerstrup SP等有类似报道，将利用蠕动泵为动力源，设置一定搏动频率，在组织工程血管反应器中成功构建组织工程化小血管，并用于动物实验，得到的组织工程血管在形态学、组织学与正常血管相似，管腔较为通畅，且血管最大抗张强度相比静态培养大幅提升。

但总体上看，目前以蠕动泵为动力源使得力学参数(如血压和心率等)的调节范围受限，体外模拟的力学微环境仿生度不高，大部分的血管重构研究主要集中在细胞层次，研究结果较难在整体动物研究中得到重复，获得的TEBV的性能尚不满足临床使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生脉动生物反应器，此反应器具有参数(频率、正/负向压力及压差等)调节范围大，仿生能力强，机械稳定性好，运行可靠等优点，有利于组织工程血管研究平台的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种仿生脉动生物反应器，包括脉动生物反应器动力装置，脉动生物反应器动力装置与人工心脏辅助装置罗叶泵连接，人工心脏辅助装置罗叶泵与生物反应器培养***连接，生物反应器培养***与储液瓶连接，储液瓶与人工心脏辅助装置罗叶泵连接。

上述仿生脉动生物反应器包括反应器器皿，器皿由玻璃反应器和硅胶盖两部分构成，玻璃反应器内缘处接有对称的细玻璃端口，分别为进液口和出液口，两端玻璃端口由薄壁硅胶管连接。

所述薄壁硅胶管采用外径4-6mm外径的硅胶管制作，薄壁硅胶管为中空的管状结构，外包裹一层可降解人工材料PGA，薄壁硅胶管由玻璃器皿内缘***细玻璃端口，外部管路为不同型号的接头与硅胶管构成，通过管道与压力传感器和动力装置连接，构成一套整体***。

所述培养器器皿主体，反应器高120cm，直径为110mm。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1)本发明的仿生脉动生物反应器用于TEBV的构建。本发明由脉动反应器动力装置、人工心脏辅助装置(罗叶泵)、组织工程血管反应器、储液瓶和连接管道组成。罗叶泵是一种模仿心脏左室舒缩做功的特殊的容量(容积)泵，驱动一定容积液体在密闭管道上脉动形式流动。此外，罗叶泵的参数(频率、正/负向压力及压差等)调节范围大，仿生能力强，有利于组织工程血管研究平台的应用。

2)脉动反应器动力装置构建的中心环节是两个泵——空压泵和真空泵，分别制造正压和负压。在收缩时，正压***开放产生正压将培养液压出人工心脏辅助装置；在舒张时，负压***开放产生负压使培养液回流入人工心脏辅助装置，形成搏动性液体。整个动力装置在无负载情况下可以实现正压50-300mmHg，负压-10mmHg，频率40-110次/分，基本上能够满足要求。

附图说明

图1是本发明的仿生脉动生物反应器的构成示意图。

图2是本发明的仿生脉动生物反应器的结构组成图。

图3是罗叶泵的结构示意图。

图4是生物反应器培养***的构成示意图。

图5是生物反应器培养***的另一结构图。

图6是薄壁硅胶管的结构示意图

10：脉动动力装置20：罗叶泵

21：气相腔体22：液相腔体23：隔膜

30：生物反应器培养***31：玻璃反应器

32：硅胶盖33：进液口34：出液口

35：薄壁硅胶管36：PGA(聚羟基乙酸)

40：储液瓶50：压力检测仪

具体实施方式

请参阅图1-2所示，本发明的整体仿生脉动生物反应器培养分为四个部分，从左到右分别是：脉动(生物反应器)动力装置10、罗叶泵20、生物反应器培养***30、PBSRESERVOIR(储液瓶40)。该生物反应器培养***30还可以连接一压力监测仪50，其连接在罗叶泵20与生物反应器培养***30连接的管路上，实时监测流场压力，让其处于适宜范围内。

本发明在收缩时，正压***开放产生正压将水流压出人工心脏辅助装置(罗叶泵20)，在舒张时负压***开放产生负压使水流回流入人工心脏辅助装置(罗叶泵20)，形成搏动性液体，将罗叶泵20形成的搏动流能量转化成硅胶管35形变的能量形式，最终以硅胶管35的扩张收缩形成力学刺激，刺激接种在硅胶管外可降解人工材料PGA36上的种子细胞增殖、分泌胞外基质，形成组织工程血管。

该脉动(生物反应器)动力装置10提供仿生的压力、频率，压力波形与心电图近似。且多参数可调，例如：收缩压、舒张压、收缩时间比、频率等。收缩压范围从50到300mmHg，舒张压-10mmHg频率可以从40次/分到110次/分。所以，该脉动动力装置10可以提供多种培养条件，从而方便的在不同条件下培养TEBV，从而找出最具有优势的培养条件。未来还可以在培养***中加入剪切力，对于研究内皮细胞以及平滑肌细胞的机制是很重要的。

请参阅图3所示，该罗叶泵20是一种心室辅助泵，泵内分为气相腔体21、液相两个腔体22，由隔膜23隔开。该脉动动力装置10通过将气体泵入气相腔体21内，通过压力的增加促使隔膜23运动，从而改变液相腔体的体积，使得泵的喷射端可以形成射流，且是仿生的流场。当压力降为负压时，隔膜恢复到初始位置，同时罗叶泵20回流端因为隔膜运动的关系，将PBS RESERVIOR(储液瓶40)里的液体抽吸入罗叶泵20的液相腔体21内，为下一个周期的运动做好准备。

所以，运用罗叶泵20的优势就是可以提供仿生流场，而不是其他形式的泵如蠕动泵产生一种高频高压的流场，从而对平滑肌细胞的增殖和迁移可能更有利。我们也对罗叶泵20的流场进行过详细的计算流体力学分析，包括有限元建模与整个周期内不同时刻的流场分析如压力、泵的形变、流速、流线、迹线等。在培养过程中，我们实际可以灵活选用不同的罗叶泵的规格，泵体容量从10cc到80cc，所以流量可选择的范围也很宽。所以实际上，综合多种参数可调，我们最终可以找到组织工程血管的最适培养参数，从而更高效率的培养组织工程血管。

如图4-6所示，该生物反应器培养***30包括由玻璃反应器31和硅胶盖32两部分构成，玻璃反应器31内缘处接有对称的等长细小玻璃管道，分别为进液口33和出液口34，两端玻璃管道由薄壁硅胶管35连接。该薄壁硅胶管35采用5mm孔径硅胶管制作而成，薄壁硅胶管35为中空的管状结构，外包裹一层1mm可降解人工材料PGA(36)，薄壁硅胶管的内径和外径均可调，由玻璃器皿内缘***细玻璃端口，外侧套硅胶接头固定。该反应器31采用玻璃材料制作，进液口33和出液口34的外径为9mm，反应器31的内径为110mm，高120mm。

该薄壁硅胶管35连接生物反应器30培养***的两个小端口，通过脉动流场的压力，促使反应器内薄壁硅胶管发生形变，从而让贴附于硅胶管上的平滑肌细胞收到力学刺激，而我们通过调整收缩压、舒张压、收缩时间比、脉动频率这几个参数，就可以有效控制脉动流场，从而改变生物反应器内硅胶管的形变规律。

该PBS RESERVIOR(储液瓶40)采用柔性袋，而非直接与外界空气接触的刚性收集器，整个培养体系除了反应器本身给平滑肌细胞供氧(无菌)以外，其他部分均与外界隔绝，处于自身密闭体系中，但是柔性袋又保证了整套体系能够处于大气压的基础下。

本发明的生物反应器***完全自主设计，主要材料为透明玻璃，外形经过特殊设计，最终手工吹制而成。其外形、尺寸设计考虑到细胞接种密度、细胞总数、所需培养基、所需无菌空气的比例等因素。封口处的盖子也是经过特殊考虑，有良好的密封性，并可以过滤空气，保证反应器内空气无菌，并可以通过其进行培养液的更换。外部管路为不同型号的接头与硅胶管构成，通过硅胶管连接生物反应器与脉动动力装置，构成一套整体***。

此外，我们的反应器是适用于不同口径的硅胶管，所以可以培养出不同直径的组织工程血管。本发明因为本身是血管生物反应器，培养参数可调范围大，所以不仅适用于组织工程血管培养，其他应用如药物的测试，动脉疾病的病理过程(通过调整培养参数达到类似病人血压与血流状态)，干细胞力学研究平台等多方面重要应用。

在性能测试中，我们的整个培养体系能够稳定运行至少长达4周。各个部位紧密结合，未出现污染以及漏液。反应器内的硅胶管形变控制在2％到5％之间，超过这个范围对于组织工程血管的培养都是不利的。由于所有管路连接都是医用级硅胶管，对细胞均无毒性。且力学性能好，在脉动流场下并不会跟随反应器内硅胶管形变，所以整个流场的动能并不会因为外部管路而损失，流体本身就是水，粘度最低的液体，所以动力源、罗叶泵的动力可以准确传递给反应器内硅胶管。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于罗叶泵的仿生脉动生物反应器，其特征在于：包括脉动生物反应器动力装置，脉动生物反应器动力装置与人工心脏辅助装置罗叶泵连接，人工心脏辅助装置罗叶泵与生物反应器培养***连接，生物反应器培养***与储液瓶连接，储液瓶与人工心脏辅助装置罗叶泵连接。

2.根据权利要求1所述的基于罗叶泵的仿生脉动生物反应器，其特征在于：所述脉动动力装置提供仿生的压力、频率，压力波形与心电图近似，且多参数可调，收缩压范围从50到300mmHg，舒张压-10mmHg频率可以从40次/分到110次/分。

3.根据权利要求1所述的基于罗叶泵的仿生脉动生物反应器，其特征在于：所述人工心脏辅助装置罗叶泵其结构包括：分别设置在心室辅助泵内的气相腔体和液相腔体，由隔膜隔开；罗叶泵回流端因为隔膜运动的关系，将储液瓶里的液体抽吸入罗叶泵的液相腔体内。

4.根据权利要求1所述的基于罗叶泵的仿生脉动生物反应器，其特征在于：所述生物反应器培养***包括玻璃反应器和硅胶盖两部分构成，玻璃反应器内缘处接有对称的等长细小玻璃管道，分别为进液口和出液口，两端玻璃管道由薄壁硅胶管连接。

5.根据权利要求4所述的基于罗叶泵的仿生脉动生物反应器，其特征在于：所述薄壁硅胶管采用5mm孔径硅胶管制作，薄壁硅胶管为中空的管状结构，外包裹一层1mm可降解人工材料PGA，薄壁硅胶管的内径和外径均可调，由玻璃器皿内缘***细玻璃端口，外侧套硅胶接头固定。

6.根据权利要求4所述的基于罗叶泵的仿生脉动生物反应器，其特征在于：所述进液口和出液口的外径为4-6mm，玻璃反应器器皿的内径为110mm。

7.根据权利要求1所述的基于罗叶泵的仿生脉动生物反应器，其特征在于：该储液瓶采用柔性袋。

8.根据权利要求1所述的基于罗叶泵的仿生脉动生物反应器，其特征在于：还包括一用于实时监测流场压力的压力监测仪，其设置在罗叶泵与生物反应器培养***连接的管路上。