IT202100011231A1 - Dispositivo per l’esecuzione di esperimenti in vitro su materiali biologici - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'Invenzione Industriale dal titolo: ?Dispositivo per l?esecuzione di esperimenti in vitro su materiali biologici?

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un dispositivo per l?esecuzione di esperimenti in vitro su materiali biologici/sintetici.

Il dispositivo comprende almeno un contenitore che presenta una camera interna.

? inoltre presente un primo circuito idraulico collegato alla camera interna, in modo da generare un flusso di fluido forzato all?interno del contenitore.

Quella appena descritta ? la comune configurazione di alcuni dispositivi fluidici noti allo stato dell?arte, utilizzati per l?esecuzione di test fluidodinamici, ossia test per migliorare la vitalit? del tessuto coltivato in vitro/ex vivo e/o studiare il passaggio di sostanze/molecole/farmaci/cellule attraverso il tessuto sottoposto ad un flusso di fluido in movimento, quali per esempio test di permeazione e di assorbimento e altri tipi di applicazioni.

Generalmente, ma non necessariamente, tali dispositivi presentano la camera interna suddivisa in una camera inferiore ed una camera superiore, suddivise da un elemento di trattenimento.

In particolare, il tessuto o il materiale biologico o la membrana, viene posto internamente al contenitore attraverso tale elemento di trattenimento.

Un esempio di tali dispositivi ? descritto all?interno della domanda di brevetto WO2018130998, il cui contenuto ? da considerarsi parte integrante della presente domanda di brevetto.

Il dispositivo oggetto della presente invenzione pu? essere utilizzato per l?esecuzione di diversi esperimenti e su qualsivoglia materiale biologico/sintetico.

Si possono dunque eseguire, a titolo di esempio, test transdermici su campioni di tessuto, test di assorbimento e/o test di vitalit?, come ad esempio test di miglioramento della vitalit? del tessuto ex vivo, test di coltura della pelle, test di efficacia di farmaci, test di tossicit?, ecc.

Tali dispositivi, noti allo stato dell?arte anche come bioreattori o lab-on-chip o micro-physiological systems, sono usati in combinazioni a circuiti idraulici che prevedono sistemi di movimentazione fluidi, generalmente pompe, generalmente peristaltiche, che provvedono a spingere il fluido all?interno del bioreattore attraverso l?ingresso della camera interna e a tirare fuori dal bioreattore il fluido attraverso l?uscita della camera interna.

In base alla configurazione del contenitore e del circuito idraulico ? possibile prevedere che il fluido venga spinto all?interno del bioreattore attraverso l?ingresso nella camera inferiore e/o superiore e venga tirato fuori dal bioreattore attraverso l?uscita dalla camera inferiore e/o superiore.

Risulta evidente come tale configurazione possa funzionare se il fluido non incontra impedimenti e si mantiene in equilibrio, ossia se la quantit? di fluido che entra all?interno del bioreattore ? corrispondente alla quantit? di fluido che esce dal bioreattore, cos? da non perturbare i livelli di fluido attorno al tessuto ospitato.

In caso di mancanza di equilibrio infatti, ad esempio in seguito ad una inferiore quantit? di fluido in uscita, la camera interna del bioreattore tende a riempirsi, con il rischio che il fluido fuoriesca dalla apertura della camera superiore oppure trabocchi dalla camera inferiore a quella superiore nel caso si utilizzino inserti per colture cellulari, rendendo impossibile e non riproducibile l?esecuzione dei test.

Tale effetto risulta particolarmente frequente nel caso di installazioni fluidiche che prevedono almeno due bioreattori in serie, ossia collegati al circuito fluidico in modo che siano collegati tra loro e collegati alla pompa peristaltica rispettivamente, con l?ingresso di un bioreattore e con l?uscita dell?altro bioreattore.

In questo caso, il fluido incontra un primo bioreattore, entra nella camera interna del bioreattore stesso, ma non riesce ad uscire, in quanto incontra una eccessiva resistenza, a causa della presenza del secondo bioreattore e della resistenza idraulica opposta dal canale di collegamento tra i due dispositivi. Il risultato ? che la camera interna del primo bioreattore si riempie e il fluido straborda dall?apertura.

Attualmente alcuni dispositivi noti allo stato dell?arte, per risolvere il problema di cui sopra, prevedono di utilizzare coperchi dell?apertura realizzati con tappi a vite o con tappi flessibili/deformabili/elastici in grado di adattarsi al contenitore (es. siliconici).

Tali soluzioni, per poter funzionare, sono realizzate con materiali non trasparenti dati i requisiti meccanici richiesti (e.g. tappi a vite metalli o polimeri come PP, PE, PET, tappi deformabili in silicone), ma il requisito di trasparenza ? fondamentale per poter osservare le colture cellulari al microscopio e le tecniche per realizzare coperture trasparenti prevedono dei costi di realizzazione particolarmente elevati e/o degli accoppiamenti con materiali aventi trasparenza simil-vetrosa.

Inoltre, oltre alle lavorazioni predette, sarebbe necessario prevedere una filettatura anche sulle pareti esterne del bioreattore.

Altre soluzioni note allo stato dell?arte prevedono in ogni caso lavorazioni costose sui coperchi e sulla struttura dei dispositivi, al fine di consentire la chiusura e la tenuta ermetica.

Una possibile alternativa, prevede la possibilit? di modificare il circuito idraulico, in modo da interporre tra i bioreattori collegati in serie la pompa, in modo tale che la prima linea della pompa spinga il fluido all?ingresso del primo bioreattore e il fluido in uscita da esso si colleghi alla seconda linea della pompa (in aspirazione) che alimenter? (in spinta) l?ingresso del secondo bioreattore, la cui uscita sar? collegata alla prima linea (in aspirazione) e successivamente all?ingresso del primo bioreattore (in spinta).

Tuttavia, anche questa soluzione risulta inefficiente da un punto di vista di effettuazione dell?esame, in quanto, essendo i bioreattori collegati a canali differenti della pompa, si potrebbe verificare una differenza di portata, tra l?ingresso del primo bioreattore e l?uscita del secondo bioreattore.

Esiste dunque una necessit? non soddisfatta dai dispositivi noti allo stato dell?arte, di risolvere gli svantaggi sopra esposti.

La presente invenzione consegue gli scopi di cui sopra, realizzando un dispositivo come descritto in precedenza, in cui la camera interna presenta una apertura superiore, che ? chiusa da un coperchio configurato per essere fissabile in maniera amovibile in corrispondenza della apertura stessa.

? inoltre previsto un elemento elastico di tenuta interposto tra il coperchio e il bordo dell?apertura, in modo tale per cui l?elemento elastico passa da una condizione non compressa, corrispondente alla condizione non fissata del coperchio, ad una condizione compressa, corrispondente alla condizione fissata del coperchio.

Si realizza dunque un dispositivo a tenuta, in maniera semplice ed efficace, con costi contenuti.

Infatti, grazie alla cedevolezza meccanica dell?elemento elastico, quando il coperchio viene fissato al contenitore, l?elemento elastico rimane compresso tra il bordo superiore del contenitore e il coperchio; l?elemento elastico si ?spalma? sulle pareti del coperchio e del contenitore garantendo tenuta del contenitore.

In questo modo, indipendentemente dalle condizioni in uscita dalla camera interna, il fluido potr? fluire nel circuito idraulico in maniera equilibrata, ossia in modo che la quantit? di fluido che entra sia equivalente alla quantit? di fluido che esce. Questo effetto ? garantito dalla presenza dell?aria all?interno del contenitore, in equilibrio di pressione con il liquido presente nella camera interna al momento della chiusura. Se si verificasse uno squilibrio nel flusso di ingresso /uscita del liquido, l?aria eserciterebbe una contro pressione che tende a ristabilire i livelli precedenti, garantendo quindi una continuit? di flusso e livelli.

La pressione del coperchio provoca una deformazione dell?elemento elastico, che si trasforma in guarnizione e si spalma sul coperchio stesso, generando tenuta.

Ovviamente per garantire una corretta compressione/decompressione dell?elemento elastico, il materiale che costituisce l?elemento elastico deve presentare una determinata morbidezza e cedevolezza se sottoposto a forze di pressione esterne.

In questo caso il materiale prevede un valore di shore A preferibilmente inferiore a 40.

Il valore di shore A scelto pu? dipendere anche dalle dimensioni del contenitore utilizzato.

Indipendentemente dal grado di cedevolezza dell?elemento elastico, la sua natura elastica consente di utilizzare l?elemento elastico anche nel caso in cui l?elemento di trattenimento del contenitore sia costituito da elementi a bicchiere del tipo transwell.

Tali elementi a bicchiere infatti presentano braccetti di bloccaggio al contenitore che si impegnano in corrispondenza del bordo dell?apertura: la presenza di tali braccetti deforma ulteriormente l?elemento elastico, che segue il profilo di tali braccetti, che non compromettono la tenuta.

Questi ed ulteriori scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante un dispositivo per l?esecuzione di esperimenti in vitro su materiali biologici secondo la rivendicazione indipendente allegata e le sottorivendicazioni.

Caratteristiche opzionali del dispositivo dell?invenzione sono contenute nelle allegate rivendicazioni dipendenti, che formano parte integrante della presente descrizione.

Queste ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno pi? chiaramente dalla seguente descrizione di alcuni esempi esecutivi illustrati nei disegni allegati in cui:

la figura 1a illustra una sezione di una possibile forma esecutiva di un bioreattore noto allo stato dell?arte;

la figura 1b illustra una possibile configurazione di un bioreattore noto allo stato dell?arte in combinazione ad un circuito idraulico;

le figure 2a e 2b illustrano due sezioni di una possibile forma esecutiva del dispositivo oggetto della presente invenzione, rispettivamente con l?elemento elastico in condizione non compressa ed in condizione compressa;

le figure 2c e 2d illustrano due viste di una possibile forma esecutiva del dispositivo oggetto della presente invenzione;

le figure 3a e 3b illustrano due viste di una possibile forma esecutiva del coperchio appartenente al dispositivo oggetto della presente invenzione;

le figure 4a e 4b illustrano due schemi esemplificativi di due possibili configurazioni del dispositivo oggetto della presente invenzione;

le figure 5a e 5b illustrano due particolari relativi al coperchio appartenente al dispositivo oggetto della presente invenzione.

Si specifica che le figure allegate alla presente domanda di brevetto riportano alcune forme esecutive del dispositivo per l?esecuzione di esperimenti in vitro oggetto della presente invenzione per meglio comprenderne i vantaggi e le caratteristiche specifiche.

Tali forme esecutive sono dunque da intendersi a scopo esplicativo e non limitativo al concetto inventivo della presente invenzione, ossia quello di realizzare un dispositivo per l?esecuzione di esperimenti in vitro che presenti una camera interna a tenuta, indipendentemente dalla configurazione fluidica a monte e a valle del contenitore.

Con particolare riferimento alle figure 1a ed 1b, il dispositivo comprende un contenitore 1 all?interno del quale ? inseribile un elemento di trattenimento di un campione di tessuto.

L?inserimento dell?elemento di trattenimento fa s? che all?interno del contenitore 1 si possano identificare una camera superiore 12 ed una camera inferiore 11.

Come anticipato, vengono illustrate alcune forme esecutive relative ad un collegamento alla camera inferiore del contenitore 1.

Tuttavia risulta evidente, da quanto precedentemente descritto, che ? possibile prevedere il collegamento idraulico anche, in alternativa od in combinazione alla camera inferiore, alla camera superiore, senza richiedere modifiche sostanziali al dispositivo oggetto della presente invenzione.

Con particolare riferimento alle figure, la camera superiore 12 comprende una apertura superiore 13, configurata per consentire l?inserimento dell?eventuale elemento di trattenimento e/o del tessuto biologico da esaminare.

L?apertura 13 viene chiusa da un coperchio 14, fissabile alla camera superiore, in corrispondenza della apertura 13.

Il coperchio 14 ? illustrato in figura 1b in condizione non accoppiata al contenitore 1, ma risulta evidente come il coperchio 14 possa essere fissato al bordo superiore della camera superiore 12.

Tale configurazione ? illustrata nella figura 2b. Inoltre, ? presente un circuito idraulico collegato alla camera inferiore 11, in modo da generare un flusso di fluido forzato all?interno della camera inferiore 11.

Tale circuito idraulico ? illustrato, attraverso uno schema esemplificativo, in figura 1b, in cui ? presente una pompa peristaltica 3 che spinge il fluido all?interno della camera inferiore 11, attraverso il condotto di mandata 31 e aspira il fluido dalla camera inferiore 11 attraverso il condotto di aspirazione 32.

Ovviamente, in base al funzionamento della pompa 3, il fluido pu? modificare il suo percorso e la mandata pu? diventare aspirazione e l?aspirazione diventare mandata.

Per semplicit? espositiva, nelle figure allegate alla presente domanda di brevetto, si assume che il fluido entri nella camera inferiore 11 da destra e che esca da sinistra, tuttavia il verso del fluido non influenza la presente invenzione, n? richiede modifiche della stessa.

Come illustrato in figura 1b, il coperchio 14 presenta un elemento a ghiera inferiore che prevede una superficie laterale interna 141.

Il coperchio 14 inoltre presenta una parete di battuta 142, che nel caso specifico delle figure, coincide con la parete di cielo del tappo.

Il fissaggio tra il coperchio 14 e il contenitore 1 avviene attraverso un accoppiamento di forma tra l?elemento a ghiera del coperchio 14 e il bordo superiore della camera superiore 12, realizzato come un allargamento radiale dell?apertura 13.

Il bordo superiore presenta dunque una superficie esterna laterale 121 e una parete di riscontro 122.

Inoltre, il bordo superiore ? conformato in modo da realizzare una sede di alloggiamento 123, che verr? successivamente descritta.

In condizione fissata del coperchio 14, la superficie interna 141 coopera con la superficie esterna laterale 121, mentre la parete di battuta 142 coopera con la superficie di riscontro 122 del bordo superiore.

Al fine di garantire un corretto bloccaggio del coperchio 14, il coperchio 14 presenta una pluralit? di costolature 143 sulla superficie interna 141 dell?elemento a ghiera, come illustrato nelle figure 3a e 3b.

Durante l?accoppiamento tra il coperchio 14 e il bordo superiore della camera superiore 12, le costolature 143 si deformano elasticamente contro la superficie esterna laterale 121 e bloccano il coperchio 14 in posizione.

Il dispositivo oggetto della presente invenzione prevede un elemento elastico di tenuta 2 interposto tra il coperchio 14 e il bordo dell?apertura 13, in modo tale per cui l?elemento elastico 2 passa da una condizione non compressa, corrispondente alla condizione non fissata del coperchio 14, ad una condizione compressa, corrispondente alla condizione fissata del coperchio.

L?elemento elastico 2 ? preferibilmente realizzato da un elemento anulare e nelle figure 2a e 2b vengono illustrate due sezioni del contenitore 1 in combinazione all?elemento elastico 2.

L?elemento elastico 2 ? interposto tra il coperchio 14 e il bordo superiore del contenitore 1, in modo tale per cui l?elemento elastico 2 risulta non compresso, figura 2a, in condizione non fissata del coperchio 14 al contenitore 1, mentre l?elemento elastico 2 risulta compresso, figura 2b, in condizione fissata del coperchio 14 al contenitore 1.

La cedevolezza del materiale costituente l?elemento elastico, consente la compressione dell?elemento elastico stesso sottoposto alla pressione esercitata dalla condizione fissata del coperchio 14, in modo tale per cui l?elemento elastico 2 realizzi un labbro di tenuta della camera interna del contenitore 1.

La figura 2c illustra in particolare un contenitore 1 senza l?elemento elastico 2, mentre la figura 2d illustra un contenitore 1, con l?elemento elastico 2.

Come anticipato, l?elemento elastico 2 ? costituito da un elemento anulare, ossia un elemento che presenta la medesima forma dell?apertura 13 e che viene alloggiato all?interno della sede di alloggiamento 123.

La sede di alloggiamento 123 presenta un profilo a gradino, in modo da alloggiare l?elemento elastico 2 in parte.

In condizione fissata del coperchio 14, dunque, le pareti di battuta 142 comprimono l?elemento anulare 2, in particolare la parte di elemento anulare 2 interposto tra le due pareti 123 e 142.

La compressione dell?elemento elastico 2, in condizione bloccata del coperchio 14, consente di creare una camera interna del contenitore 1 ?a tenuta?.

Come descritto in precedenza, la realizzazione di una camera interna stagna del contenitore 1, risulta particolarmente vantaggiosa nel caso di collegamento di due contenitori 1 in serie, come illustrato nelle figure 4a e 4b.

In questa configurazione, il flusso rimane costante tra le due camere nel tempo anche in presenza di resistenze idrodinamiche notevoli nel collegamento tra le due camere (e.g. tubi di collegamento con diametro interno molto piccolo) dal momento che la differenza di pressione necessaria per spingere il liquido dalla prima camera alla seconda ? garantita dal pompaggio della pompa che, inserendo il liquido nella prima camera, va a comprimere l?aria in un sistema chiuso generando un aumento di pressione in camera che spinge il liquido dalla prima camera alla seconda (legge di Pascal).

Secondo le configurazioni illustrate nelle figure 4a e 4b, la pompa 3 ? collegata in ingresso al contenitore 1 di destra e in uscita al contenitore 1 di sinistra.

Il contenitore 1 di destra ? collegato con la propria uscita all?ingresso del contenitore 1 di sinistra.

Ne consegue che il fluido viene spinto dalla pompa 3 nella camera inferiore del contenitore 1 di destra, transita all?interno di tale camera inferiore, per essere spinto nella camera inferiore del contenitore 1 di sinistra, per poi essere aspirato dalla pompa 3 attraverso l?uscita della camera inferiore del contenitore 1 di sinistra.

Il fluido dunque risulta in equilibrio, ossia viene spinta la medesima quantit? di fluido che viene aspirata.

Tale condizione rimane verificata, anche nel caso in cui il contenitore 1 di destra risulti aperto, ossia in condizione non fissata del coperchio 14, come illustrato in figura 4b.

La configurazione di figura 4b consente, inoltre, di testare la tenuta del contenitore 1 di sinistra. In aggiunta, la configurazione di figura 4b consente di effettuare un debubbling del circuito, ovvero di eliminare alcune bolle che dovessero essersi formate nel circuito idraulico per qualsiasi ragione: tali bolle sono libere di percorrere tutto il circuito per poi essere espulse attraverso il contenitore 1 di destra, non ermeticamente sigillato.

Si specifica infine che, secondo una possibile forma esecutiva, il dispositivo oggetto della presente invenzione pu? prevedere anche un secondo circuito idraulico, collegato alla camera superiore 12 del contenitore 1.

Al fine di garantire la tenuta, il coperchio 14 presenta un foro passante, in cui inserire i tubi 4 del secondo circuito idraulico, secondo la variante illustrata nelle figure 5a e 5b.

Secondo tali figure, il coperchio 14 prevede l?inserimento di tubi 4 all?interno del foro passante.

I tubi 4 sono circondati da una guarnizione 41 che, come illustrato in figura 5a, presenta un profilo tale da realizzare un labbro di tenuta che si dispone attorno alle pareti del foro passante ricavato nel coperchio 14.

La guarnizione 41 presenta due parti esterne, che fuoriescono superiormente ed inferiormente rispetto al foro passante del coperchio 14, le quali parti si raccordano attraverso un restringimento radiale centrale, alloggiato interamente all?interno del foro.

Mentre l?invenzione ? suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative, alcune forme di realizzazione preferite sono state mostrate nei disegni e descritte in dettaglio.

Si deve intendere, comunque, che non vi ? alcuna intenzione di limitare l?invenzione alla specifica forma di realizzazione illustrata, ma, al contrario, essa intende coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative, ed equivalenti che ricadano nell?ambito dell?invenzione come definito nelle rivendicazioni.

L?uso di ?ad esempio?, ?ecc.?, ?oppure? indica alternative non esclusive senza limitazione a meno che non altrimenti indicato.

L?uso di ?include? significa ?include, ma non limitato a? a meno che non altrimenti indicato

Claims (8)

RIVENDICAZIONI

1. Dispositivo per l?esecuzione di esperimenti in vitro su materiali biologici/sintetici comprendente almeno un contenitore (1) il quale contenitore presenta una camera interna,

essendo inoltre presente un primo circuito idraulico (3, 31, 32) collegato alla camera interna, in modo da generare un flusso di fluido forzato all?interno di detta camera interna,

caratterizzato dal fatto che

la detta camera interna presenta una apertura superiore (13), la quale apertura superiore (13) ? chiusa da un coperchio (14) configurato per essere fissabile in maniera amovibile in corrispondenza della detta apertura (13),

essendo previsto un elemento elastico di tenuta (2) interposto tra il coperchio (14) e il bordo dell?apertura (13), in modo tale per cui l?elemento elastico (2) passa da una condizione non compressa, corrispondente alla condizione non fissata del coperchio (14), ad una condizione compressa, corrispondente alla condizione fissata del coperchio (14).

2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il detto elemento elastico (2) ? costituito da un elemento anulare.

3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui il detto elemento elastico (2) ? costituito da un materiale che presenta una durezza inferiore a 40 shore A.

4. Dispositivo secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, in cui il detto coperchio (14) presenta mezzi di fissaggio amovibile al detto contenitore (1).

5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui il coperchio (14) presenta un elemento a ghiera, la cui superficie interna (141) ? configurata per cooperare con le superfici esterne (121) del contenitore (1), essendo i detti mezzi di fissaggio costituiti da una pluralit? di costolature (143) disposte lungo la superficie interna (141) dell?elemento a ghiera.

6. Dispositivo secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, in cui il bordo superiore dell?apertura (13) del contenitore (1) presenta una sede di alloggiamento (123) per l?alloggiamento parziale di detto elemento elastico (2).

7. Dispositivo secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, in cui il coperchio (14) presenta almeno un foro passante per il collegamento della camera interna ad un secondo circuito idraulico (4), essendo presente una guarnizione (41) disposta lungo le pareti del detto foro passante.

8. Dispositivo secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, in cui sono previsti almeno due contenitori (1) posti in serie tra loro, in modo tale per cui l?uscita della camera interna di un contenitore ? collegata all?ingresso della camera interna dell?altro contenitore.