DE102010064098B4

DE102010064098B4 - Zellreaktor

Info

Publication number: DE102010064098B4
Application number: DE201010064098
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr -Ing. Hansmann Harald; Dipl.-Ing. Weißmann Volker; Stephan Ofe; Dr. rer. nat. Kunz Friederike; Dr. rer. nat. Bergemann Claudia; Janine Wetzel; PD Dr. habil. Nebe J. Barbara
Original assignee: Universitaet Rostock; HOCHSCHULE WISMAR
Current assignee: HOCHSCHULE WISMAR, DE
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: WO2012085268A3; DE102010064098A1; WO2012085268A2

Abstract

Zellreaktor zur Behandlung und Untersuchung von Zellkulturen und zur kontinuierlichen Versorgung unterschiedlicher Zellen, wobei Einström- und Ausströmöffnungen für flüssiges oder gasförmiges Nährmedium vorgesehen sind und das Nährmedium die Zellkulturen apikal oder basal durchströmen kann, mit a) einem Oberteil (9, 9', 9'') und einem Unterteil (10, 10', 10''), b) einem Layersystem (1, 1') mit mindestens einem als Layer (3) ausgebildeten durchströmbaren Zellkulturträger, mit einer Positioniervorrichtung, mit einem Layerkorb (4, 4') für die Layer (3) und mit einem Fixierring (2, 2'), und c) einem Verschlussmechanismus mit einer lösbaren Verbindung zwischen Oberteil (9, 9', 9'') und Unterteil (10, 10', 10'').

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zellreaktor zur Behandlung und Untersuchung von Zellkulturen und zur kontinuierlichen Versorgung unterschiedlicher Zellen.
Die Untersuchungen der Wechselwirkungen von lebenden Zellen mit Biomaterialien unterliegen hochkomplexen Mechanismen, die insbesondere in der Medizin von großer Bedeutung sind. Die Beurteilung des Zellverhaltens unter statischen und dynamischen Bedingungen spielt dabei eine übergeordnete Rolle, insbesondere in als Zellkulturträger ausgebildeten größeren Gerüststrukturen, den sogenannten Scaffolds, die bis in den Korpuskern mit Zellen besiedelt werden müssen. Vorbekannt sind einfache Zellkulturträger, die eine oberflächliche Beurteilung, angefangen beim Wachstum bis hin zu einer Differenzierung, ermöglichen. Weit verbreitete Systeme sind zweidimensionale(2D-)Kulturschalen, die mit Nährmedium versorgt werden. Häufig handelt es sich hier um statische Systeme, an denen periodisch Nährmedium gewechselt wird und eine wiederholte Bewertung der Zellen erfolgt.
Vorbekannt sind zudem dreidimensionale Zellkulturträger der Firma 3D Biotek, North Brunswick, NJ, USA, unter der Bezeichnung 3D PCL INSERT^TM als dreidimensionale Zellkultur-Scaffolds aus dem biodegradierbaren Polymer Polycaprolacton (PCL) sowie dem ebenfalls biodegradierbaren Biomaterial Poly(DL-lactideco-glycolide) (PDLLGA) und dem nicht-abbaubaren Polystyren an. Diese offenporigen, dreidimensionalen Zellkultureinsätze werden in passenden Abmessungen für handelsübliche Multiwell-Zellkulturplatten angeboten. Sie müssen für den Einsatz in beliebigen Bioreaktoren individuell angepasst werden.
Nachteilig bei diesen Zellkulturträgern ist die einteilige Ausbildung des Scaffolds, weshalb eine selektive Entnahme und Analyse von Zellen aus definierten Positionen innerhalb dieser artifiziellen 3D-Strukturen ohne Zerstörung der Zellkulturträger nicht möglich ist. Auch mikroskopische und spektroskopische Untersuchungen von Zellreaktionen können nur durch die Zerstörung des zellumgebenden 3D-Substrates ausgeführt werden.
Vorbekannt ist, dass Zellkulturträger in einem Zellreaktor, auch Zellkulturkammer oder Bioreaktor genannt, mit einer Nährlösung in Kontakt gebracht werden.
Aus EP 0 629 237 B1 ist eine Vorrichtung zur Behandlung von Zellkulturen, insbesondere von Hepatozyten, auf plattenartigen Zellkulturträgern vorbekannt, wobei wenigstens ein Teil der Oberflächen der Zellkulturträger gasdurchlässig ist. In das Innere der Zellkulturträger ist Sauerstoff einleitbar. Auf dem Zellkulturträger ist eine Kollagenschicht aufgetragen, auf der oder in der die Zellkultur angeordnet ist. Mit geringem Abstand über der Kollagenschicht ist der nächste Zellkulturträger angeordnet. In den Zwischenraum zwischen der Kollagenschicht und dem nächsten Zellkulturträger ist das gasförmige Kulturmedium einleitbar.
Aus EP 1 539 925 B1 ist eine Zellkulturkammer für ein geschlossenes Zellkultursystem zur kontinuierlichen Versorgung von Zellen mit flüssigen Nährmedien, Wachstumsfaktoren, Gasen und dergleichen vorbekannt, wobei eine Membranplatte wenigstens eine Zellkultur aufnimmt und auf einer Seite der Membranplatte durch eine Glasscheibe eine Beobachtung des Inneren der Zellkulturkammer möglich ist.
Aus DE 42 00 446 A1 ist eine Zellträgeranordnung zur Kultivierung von anhaftenden Zellen vorbekannt, bei der eine wenigstens doppelwandige Ausbildung aus wenigstens zwei Zuschnitten aus einem Flachmaterial besteht und zwischen den Zuschnitten wenigstens ein Spalt oder ein spaltartiger Bereich gebildet ist.
Aus DE 199 52 847 B4 ist eine Vorrichtung zum Kultivieren und/oder Differenzieren und/oder Halten von Zellen oder Geweben in einem, einen Zell- oder Gewebeträger aufweisenden Kultivierbereich einer geschlossenen Kammer eines Kulturbehälters vorbekannt, die Anschlüsse zum Zuführen und Abführen eines Kulturmediums aufweist, wobei der Kultivierbereich von einem von dem Kulturmedium durchströmbaren Kapillarnetz umgeben ist, in das die Zellen nicht einwachsen.
Aus DE 39 23 279 C2 ist eine Vorrichtung für die Kultivierung von Zellen mit Einström- und Ausströmöffnungen für das Kulturmedium und austauschbarer Zellunterlage vorbekannt, wobei im Kulturgefäß mindestens ein blatt- oder folienartiger Träger, der zwischen zwei konzentrischen, ineinandergreifenden Ringen fixiert ist, eingelegt wird, so dass der Träger für Zellen von apikal und basal eine Flüssigkeitszufuhr und Flüssigkeitsabfuhr besitzt.
Nachteilig bei den bekannten Zellreaktoren ist, dass eine selektive Entnahme und Analyse von Zellen aus definierten Positionen innerhalb eines 3D-Körpers nicht zerstörungsfrei möglich ist.
Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, einen Zellreaktor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der eine selektive Entnahme und Analyse von Zellen aus definierten Positionen innerhalb von natürlichen oder artifiziellen 3D-Strukturen ohne Zerstörung der Zellkulturträger ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Zellreaktor zur Behandlung und Untersuchung von Zellkulturen und zur kontinuierlichen Versorgung unterschiedlicher Zellen gelöst, wobei Einström- und Ausströmöffnungen für flüssiges oder gasförmiges Nährmedium vorgesehen sind und das Nährmedium die Zellkulturen apikal oder basal durchströmen kann, umfassend

a) ein Oberteil und ein Unterteil,
b) ein Layersystem mit mindestens einem als Layer ausgebildeten durchströmbaren Zellkulturträger, mit einer Positioniervorrichtung, mit einem Layerkorb für die Layer und mit einem Fixierring, und
c) einen Verschlussmechanismus mit einer lösbaren Verbindung zwischen Oberteil und Unterteil.

Die als Layer ausgebildeten Zellkulturträger sind im Zellreaktor geschichtet angeordnet und bilden eine dreidimensionale Gerüststruktur.
Die Positioniervorrichtung kann als eine Führungsnut mit korrespondierendem Steg ausgebildet sein, um eine eindeutige Positionierung des jeweiligen Zellkulturträgers zu ermöglichen. Vorzugsweise können am Zellkulturträger weitere Führungsnuten zur Positionierung innerhalb des Layerkorbs oder Zellreaktors ausgebildet sein, die im besonders bevorzugter Weise gegeneinander asymmetrische weitere Führungsnuten, die im Layerkorb oder auf der Innenseite der Zellreaktorwand ihre Entsprechung in korrespondierenden Stegen finden, aufweisen.
Um ein Aufschwimmen der Layer im Layerkorb und damit im Zellreaktor zu verhindern, kann ein Klemmsitz des Fixierrings durch eine Übermaßtoleranz zwischen Führungsnut und dem mit der Führungsnut korrespondierenden Steg erreicht werden.
Zwischen Unterteil und Oberteil des Zellreaktors kann ein Zwischenteil angeordnet sein. Auf diese Weise kann der Zellreaktor erweitert werden, um mehrere Layersysteme im Zellreaktor unterbringen zu können. Eine Skalierbarkeit des erfindungsgemäßen Zellreaktors ist somit gegeben.
Zwischen Unterteil und Oberteil bzw. Zwischenteil kann eine Dichtung angeordnet sein, wobei die Dichtung bevorzugt als O-Ring-Dichtung oder Dichtfläche ausgebildet ist.
Die Einström- und Ausströmoffnungen und der Anschluss zur Zellzuführung sind bevorzugt als Luer-Lock-Anschluss ausgebildet.
Die Aufnahme der Zellkulturträger im Layerkorb ist vorzugsweise rund ausgeführt. Der Layerkorb kann mit einer Führungsnut versehen sein, welche eine eindeutige Positionierung des Layerkorbs im Zellreaktor ermöglicht.
Das Unterteil des erfindungsgemäßen Zellreaktors kann als Fuß ausgebildet sein, der eine lösbare, formschlüssige Verbindung auf einer Unterlegplatte ermöglicht.
Der Layerkorb bietet die Möglichkeit, die unterschiedlichsten Materialien aufnehmen zu können.
Der erfindungsgemäße Zellreaktor bietet den Vorteil, die Zellkulturträger als definierten Stapel komplett zu entnehmen, um schichtweise Untersuchungen, vorzugsweise für 3D-Betrachtungen des Zellverhaltens, vorzunehmen.
Der erfindungsgemäße Zellreaktor erlaubt die einfache Durchführung reproduzierbarer, standardisierter in vitro-Analysen. Zudem erlaubt der erfindungsgemäße Zellreaktor eine hohe Flexibilität des Testsystems und die Testung verschiedenartiger 3D-Strukturen sowie die Verwendung verschiedener Zelltypen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Zellreaktors ist, dass eine Zu- und Abführung eines Nährmediums durch die Ein- und Ausströmöffnungen kontinuierlich erfolgen kann, ohne in das System eingreifen zu müssen.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass das Gehäuse so ausgebildet ist, dass die Gesamthöhe durch das Einsetzen von Zwischenteilen erweiterbar ist, d. h. variabel gestaltet werden kann, wenn im Rahmen von Untersuchungen die Anzahl und damit die Höhe der Zellkulturträger und Layersysteme verändert wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Zellreaktors liegt in der Möglichkeit, das Gehäuse durch eine am Unterteil vorhandene Platzierungsgeometrie auf einer entsprechenden Platte anzuordnen und darüber hinaus stoßsicher zu verankern.
Die Komponenten des Zellreaktors sind zudem für eine mehrfache Wiederverwendung konzipiert. Die Reinigung des Zellreaktors kann durch Spülen mit physiologischen Pufferlösungen und destilliertem Wasser erfolgen. Die Beseitigung eventuell vorhandener Zellen an den Reaktorinnenwänden kann durch enzymatische Ablösung erfolgen. Dazu wird der Innenraum des Zellreaktors mit Trypsin/EDTA, beispielsweise 0,05% Trypsin I 0,02% EDTA, 10 min bei Raumtemperatur behandelt. Nach dem vollständigen Entleeren des Reaktorinnenraumes wird ausreichend mit Wasser gespült, beispielsweise 5 Minuten unter fließendem Wasser.
Das Gehäusematerial ist wiederholt und ohne Einschränkungen hinsichtlich Materialintegrität mit Dampf autoklavierbar, beispielsweise 30 Minuten bei 1 bar (15 psi) und 121°C (250°F).
Der erfindungsgemäße Zellreaktor mit einem Layersystem wird nachstehend an Hand von vier Ausführungsbeispielen mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht des Layersystems in einer ersten Variante;
2 eine Explosionsdarstellung des Layersystems in der ersten Variante;
3 eine Schnittdarstellung des Layersystem in einer zweiten Variante;
4 eine Explosionsdarstellung des Layersystems in der zweiten Variante;
5 den Zellreaktor als Gesamtansicht in einer ersten Ausführungsform;
6 eine Explosionsdarstellung des Zellreaktors in der ersten Ausführungsform;
7 den Zellreaktor in der ersten Ausführungsform in Schnittdarstellung;
8 eine Ansicht des Oberteils des Zellreaktors in der ersten Ausführungsform;
9 eine perspektivische Ansicht des Unterteils des Zellreaktors in einer der Ausführungsform;
10 eine Schnittdarstellung des Oberteils des Zellreaktors in der ersten Ausführungsform;
11 eine Schnittdarstellung des Unterteils des Zellreaktors in der ersten Ausführungsform;
12 den Zellreaktor als Gesamtansicht in einer zweiten Ausführungsform;
13 eine Explosionsdarstellung des Zellreaktors in der zweiten Ausführungsform;
14 den Zellreaktor in der zweiten Ausführungsform in Schnittdarstellung;
15 eine perspektivische Ansicht des Oberteils des Zellreaktors in der zweiten Ausführungsform;
16 eine perspektivische Ansicht des Unterteils des Zellreaktors in der zweiten Ausführungsform;
17 eine Schnittdarstellung des Oberteils des Zellreaktors in der zweiten Ausführungsform;
18 eine Schnittdarstellung des Unterteils des Zellreaktors in der zweiten Ausführungsform;
19 eine perspektivische Gesamtansicht des Zellreaktors in einer dritten Ausführungsform als Gesamtansicht;
20 eine perspektivische Gesamtansicht des Zellreaktors in einer vierten Ausführungsform mit Zwischenteil als Gesamtansicht;
21 eine Explosionsdarstellung des Zellreaktors in der vierten Ausführungsform mit Zwischenteil;
22 den Zellreaktor in der dritten Ausführungsform in Schnittdarstellung;
23 eine perspektivische Ansicht des Oberteils des Zellreaktors in der dritten Ausführungsform;
24 eine perspektivische Ansicht des Unterteils des Zellreaktors in der dritten Ausführungsform;
25 eine Schnittdarstellung des Oberteils des Zellreaktors in der dritten Ausführungsform;
26 eine Schnittdarstellung des Unterteils des Zellreaktors in der dritten Ausführungsform;
Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Layersystems 1 mit Layerkorb 4, mit als Zellkulturträgern ausgebildeten Layern 3 und einem Fixierring 2 in der ersten Variante. Zur eindeutigen Positionierung des Layersystems 1 im Unterteil 10 des Zellreaktors 6 (6) sind der Layerkorb 4, die Layer 3 und der Fixierring 2 mit einer fluchtenden Führungsnut 1a versehen. Mit der Führungsnut 1a korrespondiert ein Steg 1b auf der Innenseite des Unterteils 10 des Zellreaktors 6 (6). Um ein Aufschwimmen der Layer 3 im Layerkorb 4 und damit im Zellreaktor 6 zu verhindern, ist der Fixierring 2 so ausgebildet, dass sich zwischen der Führungsnut 1a und dem korrespondierenden Steg 1b eine Presspassung ergibt. Der Führungssteg 1c des Layerkorbs 4 wird durch eine Führungstasche 1d im Unterteil 10 des Zellreaktors 6 geführt und positioniert (6).
Die 2 zeigt eine Explosionsdarstellung des Layersystems 1 in der ersten Variante. In den Layerkorb 4 werden die Layer 3 eingelegt. Auf die Layer 3 wird der Fixierring 2 aufgelegt. Layer 3 und Fixierring 2 werden durch den Führungssteg 1c des Layerkorbs 4 konzentrisch ausgerichtet. Vor dem Einlegen des Layersystems 1 in das Unterteil 10 des Zellreaktors 6 (6) werden die Führungsnuten 1a fluchtend ausgerichtet.
Die 3 zeigt eine Schnittdarstellung des Layersystems 1' in der zweiten Variante. Im Layerkorb 4' sind die Layer 3 geschichtet angeordnet. Ein Schraubdeckel 5 fixiert über den Fixierring 2' die Layer 3 im Layerkorb 4'. Im Layerkorb 4' ist eine Führungsnut 1a' ausgebildet, deren korrespondierender Steg 1b'' im Unterteil 10'' des Zellreaktors 6'' ausgebildet ist (22, 26).
Die 4 zeigt eine Explosionsdarstellung des Layersystems 1' in der zweiten Variante. In den Layerkorb 4' werden die Layer 3 und der Fixierring 2' eingelegt. Über die Führungsnuten 1a mit dem korrespondierenden Steg 1b' werden die Layer 3 und der Fixierring 2' im Layerkorb 4' definiert ausgerichtet. Der Schraubdeckel 5 besitzt ein Innengewinde 5a, das mit dem Außengewinde 4'a des Layerkorbs 4' korrespondiert. Durch Aufschrauben des Schraubdeckels 5 auf den Layerkorb 4' werden die Layer 3 über den Fixierring 2' im Layerkorb 4' fixiert. Die Ausrichtung des Layerkorbs 4' im Unterteil 10'' des Zellreaktors 6'' erfolgt durch die Führungsnut 1a' und deren korrespondierenden Steg 1b'' (22, 26).
Die 5 zeigt den Zellreaktor 6 als Gesamtansicht in der ersten Ausführungsform. Der Zellreaktor 6 ist geschlossen dargestellt, wobei Oberteil 9 und Unterteil 10 über einen Verschlussring 8 verriegelt sind.
Die 6 zeigt eine Explosionsdarstellung des Zellreaktors 6 in der ersten Ausführungsform. Der Layerkorb 4 mit den Layern 3 und dem Fixierring 2 wird in das Unterteil 10 des Zellreaktors 6 eingesetzt. Der am Layerkorb 4 ausgebildete Führungssteg 1c greift hierbei in die Führungstasche 1d des Unterteils 10 ein. Zwischen dem Führungssteg 1c und der Führungstasche 1d ist eine Spielpassung definiert. Layerkorb 4, Layer 3 und Fixierring 2 werden über die Führungsnuten 1a mit dem Steg 1b zum Unterteil 10 des Zellreaktors 6 definiert ausgerichtet. Das Oberteil 9 wird mit dem Unterteil 10 durch Verdrehen des Verschlussrings 8 fixiert. Dabei greift ein Führungszapfen 8b in eine Führungsnut 11 ein. Durch Verdrehen des Verschlussringes 8 kommen die Verschlussfläche 8a und der Führungszapfen 8b mit der Führungsnut 11 so in Eingriff, dass das Oberteil 9 durch die Verschlusshaken 8c über den Verschlussring 8 mit dem Unterteil 10 formschlüssig verriegelt und fixiert wird. Es ergibt sich somit ein Bajonettverschluss des Zellreaktors 6. Eine Abdichtung des Zellreaktors 6 wird durch eine Dichtung 7 erreicht, die zwischen die Dichtflächen von Oberteil 9 und Unterteil 10 eingelegt wird. Hierfür kann eine Ringnut auf der Dichtfläche 7b des Unterteils 10 ausgebildet sein. Das Nährmedium wird durch die Einströmöffnung 13 in den Zellreaktor 6 eingeleitet und über die Ausströmöffnung 14 ausgeleitet. Über den Anschluss zur Zellzuführung 15 können Zellen in den Zellreaktor 6 eingebracht werden. Die Anschlüsse der Einströmöffnung 13, der Ausströmöffnung 14 und der Anschluss zur Zellzuführung 15 sind als lösbare Verbindung ausgeführt, bevorzugt als genormtes Verbindungssystem, besonders bevorzugt als Luer-Lock-System-Anschluss. Am Fuß des Unterteils 10 ist eine Fixierungsgeometrie 16 ausgebildet, mit der der Zellreaktor 6 auf einer mit der Fixierungsgeometrie 16 korrespondierenden Unterlage lösbar befestigt werden kann.
Die 7 zeigt den zusammengesetzten Zellreaktor 6 in der ersten Ausführungsform in Schnittdarstellung. Der Verschlussring 8 umgreift den Verschlusshaken 8c des Oberteils 9 und verbindet das Oberteil 9 mit dem Unterteil 10 des Zellreaktors 6. Zwischen der Dichtfläche 7a des Oberteils 9 und der Dichtfläche 7b des Unterteils 10 ist der Dichtring 7 angeordnet. Das Layersystem 1 wird über den Steg 1b und die nicht sichtbare Führungsnut 1a definiert und orientiert im Unterteil 10 des Zellreaktors 6 ausgerichtet. Über die Einströmöffnung 13 gelangt das Nährmedium durch das Layersystem 1 zur Ausströmöffnung 14, wobei auch ein Einströmen des Nährmediums über die Ausströmöffnung 14 und ein Ausströmen des Nährmediums durch die Einströmöffnung 13 möglich ist. Die Möglichkeit zur basalen und apikalen Durchströmung des Zellreaktors 6 ist somit gegeben. Bei Nichtbenutzung des Anschlusses zur Zellzuführung 15 kann dieser Anschluss verschlossen werden. Der Zellreaktor 6 kann über die Fixierungsgeometrie 16 auf einer entsprechend gestalteten Unterlage fixiert werden.
Die 8 zeigt eine perspektivische Ansicht des Oberteils 9 des Zellreaktors 6 in der ersten Ausführungsform. Am Hauptkörper des Oberteils 9 sind die Einströmöffnung 13, der Anschluss zur Zellzuführung 15 und die Verschlusshaken 8c ausgebildet. Die Einströmöffnung 13 und der Anschluss zur Zellzuführung 15 sind vorzugsweise als Luer-Lock-Anschluss ausgebildet.
Die 9 zeigt eine perspektivische Ansicht des Unterteils 10 des Zellreaktors 6 in der ersten Ausführungsform. Im Innenraum des Unterteils 10 sind Stege 1b und Führungstaschen 1d ausgebildet. Auf der Außenseite des Unterteils 10 sind die Führungsnuten 11 für den Verschlussring 8 ausgebildet. In der Dichtfläche 7b kann eine Ringnut für den Dichtring 7 ausgebildet sein. Die Ausströmöffnung 14 ist vorzugsweise als Luer-Lock-Anschluss ausgebildet. Das Unterteil 10 des Zellreaktors 6 kann über T-förmige Fixierungsgeometrien 16 auf einer entsprechend gestalteten Unterlage fixiert werden.
Die 10 zeigt eine Schnittdarstellung des Oberteils 9 des Zellreaktors 6 in der ersten Ausführungsform. Am Hauptkörper des Oberteils 9 sind die Einströmöffnung 13, der Anschluss zu Zellzuführung 15 und die Verschlusshaken 8c angeordnet. Die Einströmöffnung 13 und der Anschluss zu Zellzuführung 15 können aus einem anderen Material als der Hauptkörper des Oberteils 9 bestehen. Der Innenraum des Oberteils 9 ist kegelförmig ausgebildet.
Die 11 zeigt eine Schnittdarstellung des Unterteils 10 des Zellreaktors 6 in der ersten Ausführungsform. Auf der Innenseite des Unterteils 10 sind der Steg 1b und die Führungstaschen 1d ausgebildet. Am Hauptkörper des Unterteils 10 sind die Dichtfläche 7b, die Anströmöffnung 14 und die Fixierungsgeometrie 16 ausgebildet. Die Ausströmöffnung 14 kann aus einem anderen Material als der Hauptkörper des Unterteils 10 bestehen.
Die 12 zeigt den Zellreaktor 6' als Gesamtansicht in der zweiten Ausführungsform. Das Oberteil 9' wird mit Rändelschrauben 12 am Unterteil 10' fixiert.
Die 13 zeigt eine Explosionsdarstellung des Zellreaktors 6' in der zweiten Ausführungsform. Das Gehäuseoberteil 9' wird mit Rändelschrauben 12 in Innengewinden 19 im Unterteil 10' fixiert. Über den Anschluss zur Zellzuführung 15 werden Zellen in den Zellreaktor 6 gegeben. Durch die Einströmöffnung 13 fließt Nährmedium in das Oberteil 9' und durch das Layersystem 1 mit Layerkorb 4, Layer 3 und Fixierring 2 in das Unterteil 10'. Von dort wird das Nährmedium über die Ausströmöffnung 14 aus dem Reaktor 6' hinausgeleitet. Das Layersystem 1 wird über den Steg 1b und die Führungstasche 1d im Unterteil 10' positioniert. Das Unterteil 10' des Zellreaktors 6' kann über T-förmige Fixierungsgeometrien 16 auf einer entsprechend gestalteten Unterlage fixiert werden.
Die 14 zeigt den zusammengesetzten Zellreaktor 6' in der zweiten Ausführungsform in einer Schnittdarstellung. Die Rändelschrauben 12 sind in die Innengewinde 19 im Unterteil 10' eingeschraubt und fixieren damit das Oberteil 9' auf dem Unterteil 10'. Die Einströmöffnung 13, die Ausströmöffnung 14 und der Anschluss für die Zellzuführung 15 können aus einem anderen Material als der Hauptkörper des Unterteils 10' ausgebildet sein. Das Layersystem 1 wird durch den Steg 1b im Innenraum des Zellreaktors 6' definiert positioniert. Die Dichtfläche 7a am Oberteil 9' und die Dichtfläche 7b am Unterteil 10' sind so ausgebildet, dass durch das Polymermaterial von Oberteil 9' und Unterteil 10' eine Dichtwirkung erzielt wird. Diese Dichtwirkung kann durch das Aufbringen einer dünnen Schicht aus Dichtmaterial auf die Dichtflächen 7a, 7b gesteigert werden. Der Innenraum des Oberteils 9' ist im Bereich der Dichtfläche 7a zylindrisch ausgebildet und läuft dann in Richtung Einströmöffnung 13 kegelförmig zu. Da der Innendurchmesser des Oberteils 9' geringer ist als der Außendurchmesser des Layersystems 1, wird das Layersystem 1 durch Aufschrauben des Oberteils 9' von einem Teil der Dichtfläche 7a überdeckt und damit im Unterteil 10' fixiert.
Die 15 zeigt eine perspektivische Ansicht des Oberteils 9 des erfindungsgemäßen Zellreaktors 6' in der zweiten Ausführungsform. Am Oberteil 9' sind die Einströmöffnung 13 und der Anschluss für die Zellzuführung 15 ausgebildet. Zudem sind am Oberteil 9' Schraubenlöcher 18 zum Durchführen der Rändelschrauben 12 oder der Innensechskantschrauben 12a ausgebildet (13).
Die 16 zeigt eine perspektivische Ansicht des Unterteils 10' des Zellreaktors 6' in der zweiten Ausführungsform. Im Innenraum des Unterteils 10' sind der Steg 1b und die Führungstasche 1d ausgebildet. Zudem sind im Unterteil 10' die Ausströmöffnung 14 und die Innengewinde 19 zum Einschrauben der Rändelschrauben 12 oder der Innensechskantschrauben 12a ausgebildet.
Die 17 zeigt eine Schnittdarstellung des Oberteils 9' des Zellreaktors 6' in der zweiten Ausführungsform. Am Hauptkörper des Oberteils 9' sind die Einströmöffnung 13 und der Anschluss zur Zellzuführung 15 ausgebildet.
Die 18 zeigt eine Schnittdarstellung des Unterteils 10' des Zellreaktors 6' in der zweiten Ausführungsform. Am Unterteil 10' sind die Führungstaschen 1d, der Steg 1b und die Ausströmöffnung 14 ausgebildet.
Die 19 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht des Zellreaktors 6'' in der dritten Ausführungsform. Am Oberteils 9'' sind die Einströmöffnung 13 und der Anschluss zur Zellzuführung 15 ausgebildet. Für die Befestigung des Oberteils 9'' mit den Innensechskantschrauben 12a sind im Unterteil 10'' Taschen 20 für die Schraubenmuttern 12b ausgebildet. Am Unterteil 10'' sind zudem rippenförmige Versteifungen ausgebildet.
Die 20 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht des erweiterten Zellreaktors 6a in der vierten Ausführungsform mit einem Zwischenteil 17, welches zwischen Oberteil 9'' und Unterteil 10'' eingefügt ist. Damit ist es möglich, mehrere Layersysteme 1 im Zellreaktor 6a unterzubringen.
Die 21 zeigt eine Explosionsdarstellung des erweiterten Zellreaktors 6a in der vierten Ausführungsform mit Zwischenteil 17. Oberteil 9'', Zwischenteil 17 und Unterteil 10'' werden mit Innensechskantschrauben 12a mit Schraubenmuttern 12b verschraubt, wobei im Unterteil 10'' Taschen 20 für die die Schraubenmuttern 12b ausgebildet sind. Das Layersystem 1' der Variante 2 besteht aus dem Layerkorb 4', den Layern 3, dem Fixierring 2' und dem Schraubdeckel 5, wobei im Zwischenteil 17 mehrere Layersysteme 1' untergebracht werden können. Die Layer 3 werden über den Steg 1b' (4), die Führungsnut 1a' und den Steg 1b'' definiert und orientiert im Unterteil 10'' des Zellreaktors 6a ausgerichtet.
Die 22 zeigt den zusammengesetzten Zellreaktor 6'' in Schnittdarstellung in der dritten Ausführungsform. Das Oberteil 9'' mit der Einströmöffnung 13 und dem Anschluss zur Zellzuführung 15 ist mit Innensechskantschrauben 12a auf dem Unterteil 10'' fixiert. Für die Innensechskantschrauben 12a sind dabei im Unterteil 10'' ausgebildete Taschen 20 mit Schraubenmuttern 12b oder Innengewinde 19 vorgesehen. Am Layersystem 1' ist eine Führungsnut 1a' ausgebildet, welche im Unterteil 10'' eine Entsprechung in einem Steg 1b'' findet. Die Einströmöffnung 13, der Anschluss zur Zellzuführung 15 und die Ausströmöffnung 14 können aus anderem Material als der Hauptkörper des Unterteils 10'' bestehen.
Die 23 zeigt eine perspektivische Ansicht des Oberteils 9'' des Zellreaktors 6'' in der dritten Ausführungsform mit der Einströmöffnung 13 und dem Anschluss zur Zellzuführung 15. Für die Verschraubung sind Schraubenlöcher 18 vorgesehen.
Die 24 zeigt eine perspektivische Ansicht des Unterteils 10'' des Zellreaktors 6'' in der dritten Ausführungsform. Neben der Ausströmöffnung 14 sind am Unterteil 10'' Schraubenlöcher 18 und Taschen 20 zur Aufnahme der Schraubenmuttern 12b ausgebildet.
Die 25 zeigt eine Schnittdarstellung des Oberteils 9'' des Zellreaktors 6'' in der dritten Ausführungsform. Die Einströmöffnung 13 und der Anschluss zur Zellzuführung 15 können aus anderem Material als der Hauptkörper des Oberteils 9'' bestehen. Der Innenraum des Oberteils 9'' läuft in Richtung Einströmöffnung 13 kegelförmig zu. Im Innenraum des Oberteils 9'' ist vor dem Anschluss zur Zellzuführung 15 eine Finne 21 ausgebildet.
Die 26 zeigt eine Schnittdarstellung des Unterteils 10'' des Zellreaktors 6'' in der dritten Ausführungsform. Am Unterteil 10'' sind die Ausströmöffnung 14 und die Stege 1b'' zur Ausrichtung des Layersystems 1' ausgebildet.
Das Layersystem 1, 1' liegt bei allen Ausführungsformen plan auf dem Reaktorinnenraumboden auf. Beim Zellreaktor 6' und beim erweiterten Zellreaktor 6a wird ein Aufschwimmen des Layersystems 1' innerhalb des mit Nährmedium gefüllten Innenraums des Zellreaktors 6' durch das spezifische Volumen der eingesetzten Komponenten und dem dadurch resultierenden Eigengewicht verhindert.
Die Entnahme des Layersystems 1, 1' aus dem Unterteil 10, 10', 10'' des Zellreaktors 6, 6', 6'', 6a kann mit Hilfe einer Pinzette erfolgen.
Als Material für das Oberteil 9, 9', 9'', das Zwischenteil 17, das Unterteil 10, 10', 10'', den Verschlussring 8, den Layerkorb 4, 4', den Fixierring 2, 2' und den Schraubdeckel 5 wird Polyurethan bevorzugt verwendet. Das Polyurethan wird besonders bevorzugt als Gießharz verarbeitet.
Als Material für die als Layer ausgebildeten Zellkulturträger werden Polycarbonate oder biokompatible Polymere, wie beispielsweise Polylactide, bevorzugt verwendet.
Die Rändelschrauben 12, die Innensechskantschrauben 12a und die Schraubenmuttern 12b sind bevorzugt aus rostfreiem Stahl oder Polycarbonat ausgeführt.
Als Material für die Dichtung 7 wird Silikon bevorzugt. Die Dichtflächen 7a, 7b werden bevorzugt dadurch erzeugt, dass Silikon auf die plane Dichtfläche des Unterteils 10', 10'' und/oder des Oberteils 9', 9'' in einem qualifizierten Beschichtungsverfahren aufgetragen wird. Die Querschnittkontur der so gefertigten Dichtung 7a, 7b ist vorzugsweise trapezförmig ausgebildet, wobei die Materialstärke in Richtung des Reaktorinnenraums zunimmt. Dadurch entsteht eine Dichtlippe, die die Dichtwirkung vorteilhaft erhöht. Es hat sich gezeigt, dass die Abdichtung des Zellreaktors 6, 6', 6'', 6a mittels Dichtring oder Dichtflächen Arbeitsdrücken um 0,25 bar standhält.
Das Kultivieren der Zellen im Zellreaktor 6, 6', 6'', 6a hängt vom Zelltyp ab. Bevor die als Layer 3 ausgebildeten Zellkulturträger apikal oder basal durchströmt werden, erfolgt in vorteilhafter Weise das Einbringen der Zellen in den mit Nährmedium gefüllten Zellreaktor 6, 6', 6'', 6a und ein mindestens einstündiges statisches Kultivieren der Zellen, um eine Adhäsion der Zellen an den als Layer 3 ausgebildeten Zellkulturträgern zu gewährleisten.
Bezugszeichenliste

1, 1': Layersystem
1a, 1a: Führungsnut
1b, 1b', 1b'': Steg
1c: Führungssteg
1d: Führungstasche
2, 2': Fixierring
3: Layer
4, 4': Layerkorb
4'a: Außengewinde
5: Schraubdeckel
5a: Innengewinde
6, 6', 6'': Zellreaktor
6a: erweiterter Zellreaktor
7: Dichtung
7a: Dichtfläche
7b: Dichtfläche
8: Verschlussring
8a: Verschlussfläche
8b: Führungszapfen
8c: Verschlusshaken
9, 9', 9'': Oberteil
10, 10', 10'': Unterteil
11: Führungsnut
12: Rändelschrauben
12a: Innensechskantschrauben
12b: Schraubenmuttern
13: Einströmöffnung
14: Ausströmöffnung
15: Anschluss zur Zellzuführung
16: Fixierungsgeometrie
17: Zwischenteil
18: Schraubenlöcher
19: Innengewinde
20: Taschen
21: Finne

Claims

Zellreaktor zur Behandlung und Untersuchung von Zellkulturen und zur kontinuierlichen Versorgung unterschiedlicher Zellen, wobei Einström- und Ausströmöffnungen für flüssiges oder gasförmiges Nährmedium vorgesehen sind und das Nährmedium die Zellkulturen apikal oder basal durchströmen kann, mit a) einem Oberteil (9, 9', 9'') und einem Unterteil (10, 10', 10''), b) einem Layersystem (1, 1') mit mindestens einem als Layer (3) ausgebildeten durchströmbaren Zellkulturträger, mit einer Positioniervorrichtung, mit einem Layerkorb (4, 4') für die Layer (3) und mit einem Fixierring (2, 2'), und c) einem Verschlussmechanismus mit einer lösbaren Verbindung zwischen Oberteil (9, 9', 9'') und Unterteil (10, 10', 10'').
Zellreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Oberteil (9, 9', 9'') und Unterteil (10, 10', 10'') des Zellreaktors (6, 6', 6'') ein Zwischenteil (17) anordenbar ist.
Zellreaktor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Layer (3) im Layersystem (1, 1') des Zellreaktors (6, 6', 6'', 6a) geschichtet angeordnet sind und eine dreidimensionale Gerüststruktur für Zellkulturen bilden.
Zellreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniervorrichtung für das Layersystem (1, 1') als Führungsnut (1a, 1a') ausgebildet ist, die mit einem an der Innenseite des Zellreaktors (6, 6', 6'', 6a) ausgebildeten Steg (1b, 1b', 1b'') in Eingriff steht.
Zellreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixierring (2, 2') mit einer Presspassung zwischen der Führungsnut (1a) und dem auf der Innenseite des Zellreaktors (6, 6') korrespondierenden Steg (1b) oder dem auf der Innenseite des Layerkorbs (4') korrespondierenden Steg (1b') ausgebildet ist.
Zellreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Oberteil (9, 9', 9'') und Unterteil (10, 10', 10'') oder Zwischenteil (17) eine Dichtung (7) oder Dichtflächen (7a, 7b) ausgebildet sind.
Zellreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnung (13), die Ausströmöffnung (14) und der Anschluss für die Zellzuführung (15) bevorzugt als Luer-Lock-Anschlüsse ausgebildet sind.
Zellreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Layer (3) im Layerkorb (4, 4') rund ausgeführt ist.
Zellreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Unterteil (10, 10', 10'') des Zellreaktors (6, 6', 6'', 6a) eine Fixierungsgeometrie (16) ausgebildet ist.