CN1542121A - 动态三维输入式组织反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种动态三维输入式组织反应装置，包括一个可供将细胞接种于具有中心通道的生物支架体上的培养箱；并进一步包括至少一个与生物支架体的中心通道相配合、并伸入该中心通道的导管，和一个与该导管相连通的循环输液装置；该培养箱设有一个输入口和一个输出口，导管通过该输入口与循环输液装置相连通。本发明通过一个封闭式的循环输液装置，将细胞混悬液直接输入到固定设在培养箱内的生物支架材料的中心部位，待细胞贴附在生物支架孔壁表面后，利用微循环泵进行持续性不间断微量的细胞培养液输入，使细胞能获得足够的营养，并有利于其进行***增殖形成新生的组织。

Description

动态三维输入式组织反应装置

技术领域

本发明关于一种应用于生物、医学等领域的组织反应装置，尤其是一种用于组织体外再造工程的动态三维输入式组织反应器。

背景技术

近来，随着生命科学、材料科学以及相关物理、化学学科的发展，出现了一项新的技术领域，即生物组织工程学，它是应用细胞生物学和工程学原理，研究开发修复、改善损伤组织结构和功能的生物替代物的一门科学。其基本方法是将体外培养扩增的正常组织细胞吸附于一种生物相容性良好并可被机体降解吸收的生物支架，植入机体组织缺损部位，在支架材料逐步降解过程中，细胞继续增殖并分泌基质，最终形成相应组织，达到修复组织缺损，重建功能的目的。

应用组织工程技术修复和重建组织，有望从根本上解决组织器官移植手术供体材料缺乏的问题。此技术已经成功构建了软骨、骨、肌腱、皮肤等各种组织。

但是，这种技术离临床应用仍有较大的距离，尤其是组织工程生物支架材料和体外培养生长时间存在着诸多的问题。目前，已经有多种生物反应器用来进行细胞培养，主要方式是将细胞-生物支架复合体放置在一个器皿中进行循环式培养。但它们存在着最主要问题，是无法将细胞送入到生物支架材料的中央部位，并使其获得足够的营养物质。

目前，也出现了所谓的旋转式细胞/组织培养器，如第99119640.6号和第99244872.7号中国专利即分别公开一种旋转管式细胞/组织培养器和一种双轴旋转式细胞/组织三维培养器，其实质上是将装有细胞-生物支架复合体的管状容器固定在一个可以旋转的支架体内。中国专利第00132401.2号则揭露了另一种带双口培养瓶的细胞和组织工程培养装置，它是采用在一个培养箱内装上一个滚动机床、再将一个或若干个两端开口的滚动培养瓶放置在该滚动机床上的方式，来实现其对细胞和组织进行三维培养的功用。

上述现有技术虽然可以给组织工程应用中的细胞/组织提供三维培养的环境，但是仍无法实现将细胞送入到生物支架材料的中央部位，并使其获得足够的营养物质。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可将细胞送入到生物支架材料的中央部位、并使细胞-生物支架复合体内的细胞/组织始终能获得足够的营养及氧份的动态三维输入式组织反应装置。

本发明的技术解决方案要点是：提供一种动态三维输入式组织反应装置，包括一个可供将细胞接种于具有中心通道的生物支架体上的培养箱；并进一步包括至少一个与生物支架体的中心通道相配合、并伸入该中心通道的导管，和一个与该导管相连通的循环输液装置；该培养箱设有一个输入口和一个输出口，导管通过该输入口与循环输液装置相连通。

所述导管伸入生物支架体的部分的四周均匀等距地分布着若干个小孔。

所述循环输液装置包括依次顺序连接的输入管、输出管和微循环泵。该微循环泵通过偏心轮对输出管的挤压使液体形成循环。

所述循环输液装置还包括一个对自培养箱内回收的培养液进行过滤的过滤器，设于输入管和微循环泵之间。在输入管和过滤器之间还设有一个必要时可以进行液体更换和补充的三通阀。

输入管由聚乙烯和硅胶等制成，直径与输入口的直径相匹配。输出导管由聚乙烯和硅胶等制成，内径＞2mm，连接培养箱的输出口与微循环泵。

培养箱具有一个与其密封配合的顶盖，顶盖上设有一个透气窗，透气窗由既能阻止外界微生物进入、又能进行培养箱内外气体交换的透气膜所遮覆着。培养箱内还设有一个用来固定生物支架材料的支架。

本发明通过一个封闭式的循环输液装置，将细胞混悬液直接输入到生物支架材料的中心部位，待细胞贴附在生物支架孔壁表面后，利用微循环泵进行持续性不间断微量的细胞培养液输入，使细胞能获得足够的营养，并有利于其进行***增殖形成新生的组织。培养液通过生物支架材料的孔隙道流入培养箱内，并有输出口进入循环***。

本发明提供一种组合式封闭环境，对细胞进行体外培养，而且本发明的操作过程可在一般的细胞培养室内进行，可以进行单一或多个细胞支架复合体的复合和培养，因而具有使用简易、可控、有效，不易在操作过程中造成污染等优点。

附图说明

图1是本发明动态三维输入式组织反应装置的结构示意图。

具体实施方式

现结合说明书附图，对本发明动态三维输入式组织反应装置作进一步详细说明。

如图1所示，本发明动态三维输入式组织反应装置，包括一个可供将细胞接种于具有中心通道(未标示)的生物支架体5上的培养箱1；并进一步包括至少一个与生物支架体5的中心通道相配合、并伸入该中心通道内的导管3，和一个与该导管3相连通的循环输液装置。该培养箱1设有一个输入口12和一个输出口13，导管3通过该输入口12与循环输液装置相连通。输入口12的直径约2～10mm；输出口13设于培养箱1的最低部位，用于回收细胞培养液。

培养箱1是使用聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯和玻璃等材料制成，形状可为圆柱形、立方形、半球形等形状。

导管3是采用聚乙烯和硅胶等制成，它的大小与生物支架5的中心通道的大小相匹配。在导管3进入到生物支架体5的部分，其四周均匀等距分布着10～100个小孔(孔径100～500微米)；导管3另一端直接与培养箱1的输入口12相连。在一个生物支架体5上也可有一个或多个导管3伸入其中，这可根据实际需要而定。

所述循环输液装置包括依次顺序连接的输入管40、输出管44和微循环泵42。该微循环泵42通过偏心轮(未图示)对输出管44的挤压使其内液体形成循环，其流量控制在0.2～50ml/小时，或更大的量。一个该微量输液泵42也可同时提供多个组织反应装置所需的液体循环。

所述循环输液装置还包括一个对自培养箱1内回收的培养液进行过滤的过滤器46，设于输入管40和微循环泵42之间。过滤器46采用孔径＜0.22微米的过滤膜对培养液的回收进行过滤，其目的阻止散落的细胞和其他有形物质输入到生物支架体当中去。

在输入管40和过滤器46之间还设有一个必要时可以进行液体更换和补充的三通阀47。三通阀47一侧与输入管40连接，另一侧与过滤器46连接，还有一个入口可进行必要的更换和补充液体。

输入管40由聚乙烯和硅胶等制成，直径与输入口12的直径相匹配，常被制作为内径＞2mm。输出管44由聚乙烯和硅胶等制成，内径＞2mm，连接培养箱4的输出口13与微循环泵42，其长度可达到300～500mm。

培养箱1具有一个与其密封配合的顶盖2，顶盖上设有一个透气窗20，透气窗20由既能阻止外界微生物进入、又能进行培养箱内外气体交换的透气膜(未标示)所遮覆着。培养箱1内还设有一个用来固定生物支架材料5的支架15。

顶盖2可采用聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯和玻璃等材料制成，其大小与培养箱1相匹配，能达到良好的密封和固定效果。设在顶盖2表面的透气窗20的表面积超过100mm²，其既能阻止液体的流出和微生物的进入，又可进行气体交换使培养箱1内有足够的氧气和二氧化碳。

透气窗20的透气膜为聚苯乙烯、聚丙烯和聚乙烯等制成的微孔膜，孔径＜0.22微米，厚度50～1000微米。该透气膜覆盖在透气窗20的上面或下面，使其起到气体交换时的过滤作用，且能阻止所有的微生物进入到培养箱1之中。

本发明通过一个封闭式的循环输液装置，将细胞混悬液直接输入到生物支架材料5的中心部位，待细胞贴附在生物支架5孔壁表面后，利用微循环泵42进行持续性不间断微量的细胞培养液输入，使细胞能获得足够的营养，并有利于其进行***增殖形成新生的组织。

细胞和组织的生物支架体5可采用有机和无机的多孔材料，但必须有足够的孔隙率(＞60％)、足够大小的孔径(＞100微米)和内连接径(＞50微米)，并且孔隙沟通率达到95％以上。它的形状是根据临床所需要制作而成，常有圆柱体、立方体、球形、不规则形和特殊形等类型，但必须在它的纵轴中心部位有一贯通的盲管或开通管道(直径＞1.5mm)，以便导管3能穿入。常使用的材料是羟基磷灰石、磷酸三钙、或者二者的混合物。

下面结合具体实施例来对本发明动态三维输入式组织反应装置作进一步详细说明。

实施例1，选择大小为100×70×60mm的立方形细胞/组织培养箱1。培养箱内的多孔生物支架体5是用磷酸三钙制成，具有气孔率75％、孔径500～600微米和内连接径80～120微米的微结构，为直径20mm和长50mm的圆柱体，中心通道的直径为2.2mm。本发明的其他组成及结构如前所述，不再重复。

配制骨髓干细胞(10⁶细胞/ml)混悬液16ml，通过三通阀47注入到生物支架体5内；存放4小时后，再通过三通阀47注入340ml的加小牛血清的细胞培养液。同时连接微循环泵42，使其处于工作状态，形成微循环，流量为每小时10ml。每周更换液体一次；经两周培养后，可见生物支架体5的孔隙内有大量的细胞形成和堆积。

实施例2，选择直径为100mm的半球形细胞/组织培养箱(未图示)。培养箱1内的多孔生物支架体5是用磷酸三钙制成，气孔率75％、孔径500～600微米和内连接径80～120微米的微结构，大小为20×20×60mm的长立方体，中心通道的直径为2mm。本发明的其他组成及结构如前所述，不再重复。

配制关节软骨细胞(10⁷细胞/ml)混悬液25ml，通过三通阀47注入到生物支架体5内，存放4小时后，再通过三通阀47注入200ml的加小牛血清的细胞培养液。同时连接微循环泵42，使其处于工作状态，形成微循环，流量为每小时10ml。每周更换液体一次；经4周培养后，可见生物支架体5的孔隙内有大量的细胞形成和堆积。

本发明的动态三维输入式组织反应装置是利用人体血液循环的机理，对所培养的细胞及经细胞掺杂后的细胞-生物支架复合体采用动态三维输入法，使细胞-生物支架复合体内的细胞始终能获得足够的营养及氧份，使其能更好地进行***增殖，从而形成具有良好功能的组织和器官。

本发明所提供的反应装置，能在封闭环境中，对细胞进行体外培养，整个操作过程可在一般的细胞培养室内进行，可以进行单一或多个细胞支架复合体培养，因而具有使用简易、可控、有效，不易在操作过程中造成污染等优点。

Claims (10)

1、一种动态三维输入式组织反应装置，包括一个可供将细胞接种于具有中心通道的生物支架体上的培养箱；其特征在于：还进一步包括至少一个与生物支架体的中心通道相配合、并伸入该中心通道的导管，一个与该导管相连通的循环输液装置；该培养箱设有一个输入口和一个输出口，导管通过该输入口与循环输液装置相连通。

2、如权利要求1所述的动态三维输入式组织反应装置，其特征在于：所述循环输液装置包括依次顺序连接的输入管、输出管和微循环泵。

3、如权利要求2所述的动态三维输入式组织反应装置，其特征在于：该微循环泵通过偏心轮对输出管的挤压使液体形成循环。

4、如权利要求2所述的动态三维输入式组织反应装置，其特征在于：所述循环输液装置还包括一个对自培养箱内回收的培养液进行过滤的过滤器，该过滤器设于输入管和微循环泵之间。

5、如权利要求4所述的动态三维输入式组织反应装置，其特征在于：在输入管和过滤器之间还设有一个三通阀。

6、如权利要求2或3或4或5所述的动态三维输入式组织反应装置，其特征在于：输入管由聚乙烯和硅胶等制成，直径与输入口的直径相匹配。

7、如权利要求2或3或4或5所述的动态三维输入式组织反应装置，其特征在于：输出导管由聚乙烯和硅胶等制成，导管内径＞2mm，连接培养箱的输出口与微循环泵。

8、如权利要求1所述的动态三维输入式组织反应装置，其特征在于：培养箱具有一个与其密封配合的顶盖，顶盖上设有一个透气窗，透气窗由透气膜所遮覆。

9、如权利要求1或2所述的动态三维输入式组织反应装置，其特征在于：所述导管伸入生物支架体的部分的四周分布着若干个小孔。

10、如权利要求1或2所述的动态三维输入式组织反应装置，其特征在于：培养箱内设有一个用来固定生物支架材料的支架。

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