CN201268704Y - 一种动态仿生脉动生物反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种动态仿生脉动生物反应器，包括模拟心脏压缩机，在拟心脏压缩机的输入端装有止回阀，输出端与培养腔连接；止回阀通过管路串联连接有第一回槽液和第二回槽液，第一回槽液上设有保护气体接口和pH值检测计，第二回槽液上装有过滤网垫，通过管路上连接的电动阀门与差压调节器连通，差压调节器通过管路与培养腔连接，培养腔内有组织工程心脏瓣膜或血管，培养腔上方有压力传感器，培养腔的水平方向有带有图像采集器的专用摄像头，压力传感器连接数据采集器，数据采集器、带有图像采集器的专用摄像头分别和计算机连接，计算机通过控制信号线连通电动阀门。能够分析模拟人体血液循环***以及培养细胞生长的条件，并对相关数据进行存储。

Description

一种动态仿生脉动生物反应器

技术领域

本实用新型涉及一种生物反应器，特别是一种用于人造心脏血液循环***的动态仿生脉动生物反应器，以替代目前的静态生物反应器。

背景技术

生物反应器这一具有创新技术的新设备已在生物材料产业化中取得了成功。生物反应器是生物材料加工过程中的关键设备。近半个多世纪以来，由于对生物反应器的广泛研究应用，已有许多产品，但以静态的居多，根据不断深入的研究和发展，已有自行研制的体外脉动反应器应用于组织工程心脏瓣膜应力装置，基本能简单模拟体内心脏瓣膜的血流动力学，用于组织工程心脏瓣膜预适应研究，该装置根据流体力学原理，采用特殊材料自行设计制作了体外脉动反应器和预适应应力培养***；将生物瓣置于反应器中运转，观察生物瓣的工作状态和***的稳定性。以脱细胞猪主动脉瓣作支架，新生牛主动脉内皮细胞作种子细胞构建组织工程心脏瓣叶，静态培养4d后，置入反应器内进行预适应处理24h(流量由30ml/min调至400ml/min，频率30次/min)，观察内皮细胞残留情况，并与静态培养的瓣膜相比较。结果表明：该装置能产生搏动性液体流，生物瓣正常工作，运转7d，***状态稳定。静态培养成功构建组织工程心脏瓣膜，内皮细胞与瓣叶支架黏附紧密，沿瓣叶表面形成单层细胞层，生长状态良好；动态培养的瓣叶内皮细胞部分被冲刷脱落，仅有少部分细胞(6.26％)残留黏附。

上述脉动生物反应器存在以下不足：

(1)没有专用夹具，瓣膜或血管不易固定；

(2)无观察窗，不利于组织工程心脏瓣膜或血管的观察；

(3)无弹性负载，产生的搏动性液体流的压力上升、下降太快，冲击力太大，对于生物支架材料尤其是瓣叶损伤较大，不能仿生模拟人体的血压和血流，使种子细胞极易脱落，不利于种子细胞的黏附，生长，分化以及表型和功能的维持。

(4)自动化程度不够，不能实时的显示，分析，调整和记录脉动生物反应器中培养环境的各个参数。

(5)培养腔多为玻璃或有机塑料，不利于消毒和重复使用。

发明内容

脉动生物反应器在各个领域的研究不尽相同，根据研究生物材料种类不同和研究目的不同，对装置的要求也不同，本实用新型的目的在于，提供一种动态仿生生物脉动反应器，该动态生物脉动反应器能够仿生模拟人体心脏血液循环***，尤其是血压和血流的仿生模拟，并能实时提供培养环境各相关数据，降低脉动液体流对生物支架材料尤其是瓣叶的冲击损伤以及种子细胞的冲击，提高组织工程心脏瓣膜种子细胞在体外构建中的成活率、黏附率，促进种子细胞(干细胞)的分化，维持种子细胞的正常表型、功能。

为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种动态仿生脉动生物反应器，其特征在于，包括一个模拟心脏压缩机，该拟心脏压缩机的输入端装有止回阀，输出端与培养腔连接；止回阀通过管路串联连接有第一回槽液和第二回槽液，第一回槽液上设有保护气体接口和Ph值检测计，第二回槽液上安装有过滤网垫，过滤网垫通过管路上连接的电动阀门与差压调节器连通，差压调节器通过管路与培养腔连接，培养腔内有生物瓣膜，培养腔上方有压力传感器，培养腔的水平方向设有带有图像采集器的专用摄像头，其中，压力传感器连接有数据采集器；数据采集器、带有图像采集器的专用摄像头分别与计算机连接，计算机通过控制信号线与电动阀门连通。

本实用新型的其它特点是：

所述的生物瓣膜安装在生物瓣膜专用夹具上；所述的带有图像采集器的专用摄像头周围有套筒，图像采集器前面安装有透明玻璃，透明玻璃和套筒之间装有密封圈。

所述的差压调节器包括一个能仿生模拟血管的软性负载，软性负载是由弹性很小的橡胶管制成，该软性负载安装在风箱折叠囊内，软性负载始终处于风箱折叠囊内的液压体的包围之中，而受到均匀的压力；风箱折叠囊***被壳体所包覆，风箱折叠囊上安装有可调弹簧，可调弹簧上连接有丝杠，丝杠上装有手柄。

本实用新型的动态仿生脉动生物反应器，可以分析、仿生模拟人体血液循环***以及培养细胞生长的条件，能够有效的控制培养液的平均压力及其差压，并且压力的上升和下降曲线接近于人体，而且这些参数能够根据需要随时进行调节，能够实时准确的动态显示动态生物脉动反应器中培养液的压力曲线等参数，并具有根据需要对相关数据进行存储等功能。

附图说明

图1是本实用新型的动态仿生脉动生物反应器结构示意图；

图2是生物瓣膜专用夹具结构示意图；

图3是脉动生物反应器中反应腔的结构示意图；

图4是差压调节器结构示意图；

以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施方式

为了提高组织工程心脏瓣膜或组织工程血管的细胞在体外构建的过程中种子细胞的黏附率、成活率，促进作为种子细胞的干细胞的定向诱导分化分化，维持种子细胞的结构、表型和功能，降低脉动液体流对生物支架材料尤其是瓣叶的冲击损伤以及种子细胞的冲击，提高构建的组织工程心脏瓣膜和组织工程血管的成功率和品质，构建可用于临床的组织工程瓣膜和血管，申请人早已开始研制仿生模拟人体血液循环***的动态生物脉动反应器，以替代目前的静态生物反应器。

通过分析、仿生模拟人体血液循环***以及培养细胞生长的条件，不但要求有效的控制培养液的平均压力及其差压，以及压力的上升和下降曲线接近于人体，而且要求这些参数能够根据需要随时进行调节；又为了保证每次对整个装置中培养液流过的各个部件方便的进行消毒处理等，在设计中必须要求在结构及材料上实现小型化及模块化。

考虑以上主要因素，本实用新型设计的动态仿生脉动生物反应器结构原理图参见图1，该动态仿生脉动生物反应器包括一个模拟心脏压缩机1，该拟心脏压缩机1的输入端装有止回阀2，输出端与培养腔14连接；止回阀2通过管路串联连接有第一回槽液3和第二回槽液4，第一回槽液3上设有保护气体接口6和Ph值检测计7，保护气体接口6通入的保护气体选择5％的CO₂和95％的Air所构成的混合气体。第二回槽液4上安装有过滤网垫5，过滤网垫5通过管路上连接的电动阀门9和差压调节器8连接，差压调节器8通过管路与培养腔14连接，培养腔14内有生物瓣膜15，培养腔14上方有压力传感器13，培养腔14的水平方向设有带有图像采集器的专用摄像头12，其中，压力传感器13连接有数据采集器11，该数据采集器11与计算机10相连，带有图像采集器的专用摄像头12也和计算机10连接，计算机10通过控制信号线与电动阀门9连通。

计算机10内设置有软件，软件是利用VC++编制的计算机程序，界面友好，操作方便，能够实时准确的动态显示动态生物脉动反应器中培养液的压力曲线等参数并具有根据需要对相关数据进行存储等功能。

第一、第二回流槽3、4和***的PH值检测计7的主要功能是通过设置的过滤网垫5对培养液进行消泡以及在长达一周的连续工作时间内对其培养液的pH值等某些参数进行显示和调整等。

压力传感器13采用高精度的压力传感器，用来将采集到的压力信号经过数据采集器11处理后上传给计算机10，从而实现曲线显示和数据保存等；

上述生物瓣膜15安装在生物瓣膜专用夹具16上。生物瓣膜专用夹具16借助于导引棒26可很容易的实现按要求进行心脏瓣膜15的装卸；生物瓣膜专用夹具16包括一对平行的带有螺栓的滑竿21，滑竿21的两端各安装有一对内径相等的锥形空心圆台，该对锥形空心圆台在滑竿21两端组成前、后夹具，前夹具由外空心圆台22和内空心圆台23组成，后夹具由外空心圆台25和内空心圆台24组成，前夹具和后夹具安装在滑竿21上两个定位螺栓27的外侧，由滑竿21上最外测的紧固螺栓28定位；前夹具和后夹具中穿过一导引棒26，该导引棒26的直径小于等于空心圆台的内径，且直径上有一个圆锥体卡带，前夹具的外空心圆台22和后夹具的外空心圆台25的外侧面分别有突起的圆环卡带，其突起的高度为0.5mm～0.6mm。前夹具的外空心圆台22和内空心圆台23的直径大于后夹具的外空心圆台25和内空心圆台24的直径(即增大螺栓平面)，以便于整个心血管(心脏瓣膜)夹具固定于培养腔15内。

带有图像采集器的专用摄像头12周围有套筒19，带有图像采集器的专用摄像头12前面安装有透明玻璃17，透明玻璃17和套筒19之间装有密封圈18。透明玻璃17除了可直接观看生物辧膜15上细胞的生长状况外，还可以通过带有图像采集器的专用摄像头12将生物瓣膜上细胞培养时的状况显示在计算机10的显示屏上，或者将其保留在计算机10中，方便日后对生物瓣膜的生长状况进行对比。

差压调节器8包括一个模拟血管的软性负载41，该软性负载41安装在风箱折叠囊43内，软性负载41始终处于风箱折叠囊43内的液压体的包围之中，从而受到均匀的压力；风箱折叠囊43***被壳体42所包覆，风箱折叠囊42上安装有可调弹簧44，可调弹簧44上连接有丝杠45，丝杠45上装有手柄46。

差压调节器8的工作原理是：软性负载41是由弹性很强的医用橡胶管制成。由于高压的高低与软性负载41容积的增大程度基本成反比，每一次培养液冲流过来后导致软性负载41容积增大的程度决定了高端压力的升高幅度，而软性负载41容积增大的多少取决于其周围液压体对其施加的压力，这样就可以通过手柄46转动丝杠45来调节可调弹簧44对液压体的压力，并通过液压体将该压力传送并均匀施加给软性负载41，从而有效的实现对差压的调节和控制。

电动阀门9是计算机10以及压力传感器13所组成的闭环控制***中的执行机构，其主要功能是根据人们预先在计算机10中设计的平均压力曲线，通过自动调节电动阀门9的开度来实现调节平均压力的功能。

本实用新型的动态仿生脉动生物反应器模拟人的血液循环***压力等参数的基本原理是：在通过闭环控制***实现的恒定压力曲线的基础上再叠加一个通过差压调节器调节的适当差压曲线，就可以实现模拟人的心脏血液循环***的压力曲线了。例如生物瓣膜(心脏瓣膜)细胞生长的某一段时间内要求其压力在70～110mmHg之间以正弦规律变化，则电动阀门9根据计算机10的指令将恒定压力自动调节为90mmHg，然后叠加上差压调节器调节出来的幅度为20mmHg的正弦压力曲线则可实现。

Claims (6)

1.一种动态仿生脉动生物反应器，其特征在于，包括一个模拟心脏压缩机(1)，该拟心脏压缩机(1)的输入端装有止回阀(2)，输出端与培养腔(14)连接；止回阀(2)通过管路串联连接有第一回槽液(3)和第二回槽液(4)，第一回槽液(3)上设有保护气体接口(6)和Ph值检测计(7)，第二回槽液(4)上安装有过滤网垫(5)，过滤网垫(5)通过管路上连接的电动阀门(9)与差压调节器(8)连通，差压调节器(8)通过管路与培养腔(14)连接，培养腔(14)内有生物瓣膜(15)，培养腔(14)上方有压力传感器(13)，培养腔(14)的水平方向设有带有图像采集器的专用摄像头(12)，其中，压力传感器(13)连接有数据采集器(11)；数据采集器(11)、带有图像采集器的专用摄像头(12)分别与计算机(10)连接，计算机(10)通过控制信号线与电动阀门(9)连通。

2.如权利要求1所述的动态仿生脉动生物反应器，其特征在于，所述的生物瓣膜(15)安装在生物瓣膜专用夹具(16)上。

3.如权利要求1所述的动态仿生脉动生物反应器，其特征在于，所述的专用摄像头和图像采集器(12)周围有套筒(19)，专用摄像头和图像采集器(12)前面安装有透明玻璃(17)，透明玻璃(17)和套筒(19)之间装有密封圈(18)。

4.如权利要求1所述的动态仿生脉动生物反应器，其特征在于，所述的差压调节器(8)包括一个模拟血管的软性负载(41)，该软性负载(41)安装在风箱折叠囊(43)内，软性负载(41)始终处于风箱折叠囊(43)内的液压体的包围之中，而受到均匀的压力；风箱折叠囊(43)***被壳体(42)所包覆，风箱折叠囊(42)上安装有可调弹簧(44)，可调弹簧(44)上连接有丝杠(45)，丝杠(45)上装有手柄(46)。

5.如权利要求4所述的动态仿生脉动生物反应器，其特征在于，所述的软性负载(41)是由弹性很强的医用橡胶管制成。

6.如权利要求1所述的动态仿生脉动生物反应器，其特征在于，所述的保护气体接口6通入的保护气体选择5％的CO₂和95％的Air的混合气体。

Images