CN201395599Y - 一种生物反应器及生物打印*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种生物反应器及生物打印***。所述生物反应器包括反应***、控制***、动力***、通气***和检测***，所述反应***包括盛装培养液的容器，所述盛装培养液的容器为敞口装置；容器内设置有生物纸片接收平台。应用所述生物反应器的生物打印***包括无菌装置、生物反应器和打印机。采用本实用新型装置可以提高打印细胞的存活率和活性，保证细胞在长达数小时乃至数天的打印过程中维持其活性，保证细胞自我组装而形成结构，达到通过生物打印制备人工器官的目的。
Description
技术领域
本实用新型属于生物打印装置技术领域，具体涉及一种用于生物打印的生物反应器，以及应用了所述生物反应器的生物打印***。
背景技术
生物打印技术是近年来出现的新技术。生物打印利用打印技术的原理，按预定计划精确定位墨水和纸张的结合点。当然，生物打印与普通打印的不同在于其墨水和接受打印的纸张不一样。生物打印的纸片是在体内可降解的生物纸片；生物打印的“生物墨水”是特制的细胞溶液或有生物活性的细胞因子溶液，用于接受生物墨水的“纸片”通常是用高分子可降解材料制备的生物纸片。生物打印技术是将这种特制溶液喷射到可生物降解的生物纸片上，将打印好的纸片按一定顺序堆叠形成组织和器官。由于使用了打印技术，可以将含有细胞或/和细胞因子的生物墨水精确的结合到生物相纸的预定部位，最终可将打印好的生物纸片按特定的堆叠方式堆叠形成三维结构，生物纸片降解后，细胞保留下来，形成立体结构，例如，活的三维组织、血管和器官。
目前生物打印的操作通常是在无菌室，用灭菌后的生物纸片接收打印。但因为生物墨水是一种特殊的墨水，含有的是有活性的细胞或生物成分，而喷墨打印过程需要持续一段时间，尤其在打印大型器官的时候，很有可能达到数小时甚至数天以上，细胞打印至生物纸片上，因为一直处于体外环境，没有适当的营养物质、氧气供应和适宜的环境，其活性不断降低，往往是等到打印结束，最初打印的细胞活性大为降低甚至消失。而没有生物活性或者活性低的细胞不能自我组装，从而阻碍了天然组织结构的进一步形成，最终不能达到生物打印制备人工器官的目的。
为了解决这个问题，技术上趋向于采用生物反应器(Bio-reactor)所营造的培养环境来接收置放打印好的生物纸片。如果能将所述生物反应器(Bio-reactor)作为生物打印***中的接收装置，模拟体内环境，具有调节营养物质、供应氧气和PH值调节的基本功能，每张生物纸片打印结束后，纸片将按预定程序自动叠放和浸没于生物反应器内适当的培养液中，可以保持细胞的活性。
目前市面上销售的生物反应器很多，例如德国贝朗公司的BIOSTAT B反应器和美国NBS公司的CelliGen、CelliGen PlusTM、Bioflo3000反应器，是一种用于细胞定向培养及产生代谢产物、可人为控制培养过程的设备。一个完整的生物反应器通常包括五大***：反应***、控制***、动力***、通气***和检测***。反应***是生物反应器中进行细胞培养的部分，如附图1所示，目前生物反应器中反应***是密封的，一般配置有：一个装有培养液的密封罐，电动搅拌及搅拌器，有pH检测及pH调节用的酸或碱储罐及其自动传送装置、有补料及其自动传送装置(包括加料口和出料口)、温度检测电极及加热或冷却装置(包括冷却水进口和出口)、溶解氧及无菌空气检测及自动传送控制装置(包括进气口和排气口)。
但上述现有生物反应器都不是针对生物打印装置特别设计，如果应用作为生物打印的接收装置，存在以下缺陷：1、现有生物反应器的反应***(细胞培养部分)为了细胞无菌操作的需要，需要设计为密封装置，但应用作为生物打印的接收装置，为了便于接收打印纸片则必须要求为敞口，才能实现打印好生物纸片的连续接收；2、现有的生物反应器因为密封，反应***及其内部配件不能移动和发生位置改变的，而在进行生物打印的过程中，送入生物反应器中的生物纸片需要妥善接收并浸没于适当的培养液中，可以提高细胞的存活率，以利于细胞的自组装，最终形成人工器官。目前这些关键技术还没有具体的解决方案，因此目前现有的生物反应器不适合作为生物打印的生物反应器。
同时基于上述原因，可以提供给打印好的生物纸片适当培养液的生物打印***也未见相关技术报道。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术涉及的生物反应器装置的缺陷，提供一种新的生物反应器，所述生物反应器在结构上改进和设计实现了生物打印过程中打印好的生物纸片输送至适当的培养液中进行浸泡直至这个生物打印过程结束，本实用新型的生物反应器能应用于生物打印中供给被打印细胞合适的生理环境。
本实用新型的另一个目的是提供应用所述生物反应器的生物打印***。
本实用新型的目的通过以下技术方案来予以实现：
提供一种生物反应器，包括盛装培养液的容器和设置于容器上空的电动搅拌器，电动搅拌器的搅拌棒浸没于容器内培养液中，所述盛装培养液的容器为敞口装置，容器内设置有生物纸片接收平台。
所述接收平台可通过一个升降机构设置于容器底部；也可以通过一个升降机构设置于搅拌器上。
为了保证细胞活性，必须不断为其提供营养物质和氧气供应及合适酸碱度，以保证细胞的生命生活能持续进行。但仅用营养液来培养细胞，营养液中原有的溶氧易于耗尽，不能补充，且营养液在培养过程中，营养物质含量不断下降，有害代谢产物不断增加，这些都会对细胞产生毒性作用，抑制细胞活性。例如代谢产物二氧化碳等上升，带来的不利影响包括溶液pH值下降，抑制氧的利用等。因此，本实用新型所述生物反应器还包括检测及控制***、动力***、通气***(气体交换通路)、液体循环通路和恒温***，根据现有技术分别设置于生物反应器的不同部位，解决上述问题。生物反应器置于一个无菌的空间使用，例如置于一个较大体积的无菌箱中，保证了敞口容器的无菌操作。
具体地，检测及控制***由置于生物反应器容器内的检测电极及控制***和控制电路组成，所述检测电极通常包括氧电极、酸碱检测电极和温控电极。
通气***(气体交换通路)由气体交换器、气体过滤器及连接管道组成。氧气经气体过滤器过滤后进入气体交换器与培养液进行气体交换，交换后的气体可再经另一气体过滤器过滤后排出，或以溶于溶液的形式与培养液一起排出。培养液中的溶氧通过氧电极检测，并由控制***控制。
液体循环通路(液体交换***)：由培养液储存装置及其输入管道、酸储存装置及其输入管道、碱储存装置及其输入管道、溶液混合器、蠕动泵、废液排出管道和其它一系列连接管道组成。蠕动泵可采用变频调速电机，在较宽范围内进行速度调节，在规定时间内实现快速制动。培养液及调节pH的酸或碱通过多歧管输送并在溶液混合器内混合。混合后的溶液在蠕动泵的驱动下流出，经温控装置控制调节达到预定温度后由进料口进入培养容器与其中的培养液进行物质交换，然后在蠕动泵的作用下由出料口流出培养容器，进入废液瓶。培养液流动过程中，蠕动泵负责提供总驱动力，控制***负责控制流量，可采用常规技术。
恒温***由可调式恒温水浴及在反应器容器上绕行的循环管道组成。恒温水浴使用电加热和制冷***，具有较高的工作效率和灵敏度。培养液流经水浴中的循环管道时被加热或冷却，从而达到恒温目的。培养液内设有温度检测探头，可实现温度监测控制。
所述盛装培养液的容器为敞口装置，容器上空可安装打印机，容器内设置有生物纸片接收平台。所述接收平台可通过一个升降机构设置于容器底部；也可以通过一个升降机构设置于搅拌器上。在进行生物打印时，本实用新型装置中盛放培养液的容器直接置于打印机打印针头之下，打印过程中，生物纸片不断叠放在接收平台上，叠放的纸片堆积形成生物器官。接收平台设置升降机构，并可以通过控制***控制升降机构使接收平台降落速度和打印速度同步，保证打印好的生物纸片浸没于适当的培养液中。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
(1)本实用新型彻底改变了生物反应器盛装培养液容器必须密封的观念，采用简单但巧妙的设计得到一种新型的生物反应器。通过结构上的创造性设计，实现了生物打印好的生物纸片所需的环境，并通过检测及控制***、动力***、通气***、液体循环通路和恒温***的共同作用，实现了培养液质量的检测和调节，用本实用新型装置可以提高打印细胞的存活率和活性，保证细胞在长达数小时乃至数天的打印过程中维持其活性，保证细胞自我组装而形成结构，达到通过生物打印制备人工器官的目的。
(2)本实用新型在生物反应器的设计基础上，进一步优化了生物打印***，实现了生物打印纸片连续打印、连续叠放、适当浸没适宜培养液环境的过程，通过实验证明：打印在生物纸片上的细胞仅浸没在培养液中，不采取其它措施，培养液的pH值下降非常快，3-4小时后，细胞存活率进一步降低到30％以下；7-8小时后，存活细胞不到10％；24小时后，基本已全部死亡。而利用本实用新型***，细胞的存活率达到90％以上，48小时后，细胞存活率仍在90％以上。可最终实现组织器官的生物打印的目的。
附图说明
图1现有生物反应器结构示意图。
图2本实用新型的生物打印***主要部分结构示意图。
图3本实用新型的生物打印***结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来进一步说明本实用新型，接收平台的设置方式可以有多种，打印机和生物反应器之间的联接方式也有多种，下述实施例只是根据设计思想给出了典型的实施，并不因此限定本实用新型的范围。
现有的生物反应器的结构如附图1所示，一个装有培养液9的密封罐1，电动搅拌11及搅拌器10，有pH检测及pH调节用的酸或碱储罐及其自动传送装置2、有补料及其自动传送装置(包括加料口3、放料口4)、温度检测电极及加热或冷却装置(包括冷却水进口5、冷却水出口6)、溶解氧及无菌空气检测及自动传送控制装置(包括进气口7、排气口8)。图2中的附图标记所指示的部分的名称与图1中相同附图标记所指示的部分的名称一致。
实施例1
如图3所示，本实用新型的生物反应器的容器置于喷墨打印机的打印针头16之下，容器内装培养液9，所述盛装培养液的容器为敞口，容器内设置有生物纸片接收平台11，所述接收平台可通过一个升降机构设置于容器底部，当然也有其他常规的设置方式设置与容器内任意位置，只要保证其接收的生物纸片可以浸没于培养液9中即可。
接收平台11设置有升降机构，并可以通过控制***控制升降机构使接收平台降落速度和打印速度同步，保证打印好的生物纸片浸没于适当的培养液中。
图3中，22表示接受细胞的生物纸片，23表示正在打印的器官。
检测及控制***由置于反应器中的检测电极、控制***24和控制电路25组成，检测电极包括氧电极19、酸碱检测电极20和温控电极21。
通气***(气体交换通路)由气体交换器、气体过滤器26及连接管道30组成。氧气经气体过滤器26过滤后进入气体交换器与培养液9进行气体交换，交换后的气体可再经另一气体过滤器过滤后排出，或以溶于溶液的形式与培养液废液一起排出。培养液9中的溶氧通过氧电极19检测，并由控制***24控制。
液体循环通路(液体交换***)由培养液9储存容器及培养液9输入管道31、酸储存装置及其输入管道32、碱储存装置及其输入管道33、溶液混合器34、蠕动泵28、废液排出管道29和其它连接管道组成。蠕动泵28采用变频调速电机，可在较宽范围内进行速度调节，在规定时间内实现快速制动。培养液9及调节pH的酸或碱经多歧管连接并在溶液混合器34内混合。混合后的溶液在蠕动泵28的驱动下流出，温控装置控制达到预定温度后流入培养液9容器内与培养液9进行物质交换，然后在蠕动泵28的作用下流出培养容器，进入废液瓶。培养液流动过程中，蠕动泵28负责提供总驱动力，控制***负责控制流量。
恒温***27由可调式恒温水浴及在其中绕行的循环管道组成。恒温水浴使用电加热和制冷***，具有较高的工作效率和灵敏度。培养液流经水浴中的循环管道时被加热或冷却，从而达到恒温目的。培养液9内有温度检测探头。
如图2所示，应用所述生物反应器可构建一个生物打印***，所述生物打印***置于无菌空间，例如一种较大体积的无菌箱14中。所述生物打印***包括上述生物反应器、打印针头13，生物反应器的接收平台11，将打印好的生物纸片12放置于接收平台11上。反应器的培养罐改变为敞口式，在容器内增加了接收平台11用于接收打印好的生物纸片13，在培养容器外增加了无菌箱15。接收平台11通过控制***控制自动升降，所述接收平台降落速度和打印速度同步。保证打印好的生物纸片浸没于适当的培养液中，整个的***保证培养液的培养条件非常适宜，最终可以提高细胞的存活率，更加有利于细胞的自组装，最终形成人工器官。
实施例2
本实用新型打印组织器官细胞存活试验
1、对比实验1：
现有方法打印一个20cm×15cm×3cm的大片方形肌肉，预计耗费时间约为11.5个小时。在打印完成以后，纵切此方形肌肉，纵取一薄层，荧光素双醋酸酯染色鉴别细胞死活，并计算其存活率。可见中央细胞及早期打印的底层细胞大片死亡。总成活率5％。
使用本实用新型***接收和处理打印的大片肌肉(5cm×5cm×3cm)，设置升降平台速度为每12分钟打印一张，同时下降0.02mm，同时这是一张生物纸片的平均厚度。调节溶氧在35～45％，温度36.5～37.5℃，pH值为7.2～7.4。打印完成后，纵切此方形肌肉，纵取一薄层，荧光素双醋酸酯染色鉴别细胞死活，并计算其存活率。可见中央细胞及早期打印的底层细胞基本存活。总存活率92％。
2、对比实验2
现有方法打印一个25cm×10cm×3cm的大片方形肌肉，预计耗费时间约为9个小时。打印完成以后，纵切此方形肌肉，纵取一薄层，荧光素双醋酸酯染色鉴别细胞死活，并计算其存活率。可见中央细胞及早期打印的底层细胞大片死亡。总成活率7％。
使用本实用新型***接收和处理打印的大片肌肉(6cm×6cm×3cm)，设置升降平台速度为每12分钟打印一张，同时下降0.02mm，同时这是一张生物纸片的平均厚度。调节溶氧在35～45％，温度36.5～37.5℃，pH值为7.2～7.4。打印完成后，纵切此方形肌肉，纵取一薄层，荧光素双醋酸酯染色鉴别细胞死活，并计算其存活率。可见中央细胞及早期打印的底层细胞基本存活。总存活率91％。
Claims (4)
1、一种生物反应器，包括反应***、控制***、动力***、通气***和检测***，所述反应***包括盛装培养液的容器，其特征在于所述盛装培养液的容器为敞口装置；容器内设置有生物纸片接收平台。
2、根据权利要求1所述生物反应器，其特征在于所述生物纸片接收平台设置有升降机构，所述升降机构固定于容器底部。
3、一种应用权利要求1所述生物反应器的生物打印***，其特征在于包括无菌装置、生物反应器和打印机，所述生物反应器和打印机置于无菌装置内；所述生物反应器的容器置于打印机打印针头下，打印机打印的生物纸片叠放于生物反应器的接收平台；所述接收平台设置有升降机构。
4、根据权利要求3所述的生物打印***，其特征在于所述接收平台降落速度和打印速度同步。
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