專(zhuān)利名稱：動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的組織反應(yīng)裝置，尤其是一種用于組織體外再造工程的動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
近來(lái)，隨著生命科學(xué)、材料科學(xué)以及相關(guān)物理、化學(xué)學(xué)科的發(fā)展，出現(xiàn)了一項(xiàng)新的技術(shù)領(lǐng)域，即生物組織工程學(xué)，它是應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和工程學(xué)原理，研究開(kāi)發(fā)修復(fù)、改善損傷組織結(jié)構(gòu)和功能的生物替代物的一門(mén)科學(xué)。其基本方法是將體外培養(yǎng)擴(kuò)增的正常組織細(xì)胞吸附于一種生物相容性良好并可被機(jī)體降解吸收的生物支架，植入機(jī)體組織缺損部位，在支架材料逐步降解過(guò)程中，細(xì)胞繼續(xù)增殖并分泌基質(zhì)，最終形成相應(yīng)組織，達(dá)到修復(fù)組織缺損，重建功能的目的。
應(yīng)用組織工程技術(shù)修復(fù)和重建組織，有望從根本上解決組織器官移植手術(shù)供體材料缺乏的問(wèn)題。此技術(shù)已經(jīng)成功構(gòu)建了軟骨、骨、肌腱、皮膚等各種組織。
但是，這種技術(shù)離臨床應(yīng)用仍有較大的距離，尤其是組織工程生物支架材料和體外培養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)間存在著諸多的問(wèn)題。目前，已經(jīng)有多種生物反應(yīng)器用來(lái)進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，主要方式是將細(xì)胞-生物支架復(fù)合體放置在一個(gè)器皿中進(jìn)行循環(huán)式培養(yǎng)。但它們存在著最主要問(wèn)題，是無(wú)法將細(xì)胞送入到生物支架材料的中央部位，并使其獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
目前，也出現(xiàn)了所謂的旋轉(zhuǎn)式細(xì)胞/組織培養(yǎng)器，如第99119640.6號(hào)和第99244872.7號(hào)中國(guó)專(zhuān)利即分別公開(kāi)一種旋轉(zhuǎn)管式細(xì)胞/組織培養(yǎng)器和一種雙軸旋轉(zhuǎn)式細(xì)胞/組織三維培養(yǎng)器，其實(shí)質(zhì)上是將裝有細(xì)胞-生物支架復(fù)合體的管狀容器固定在一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的支架體內(nèi)。中國(guó)專(zhuān)利第00132401.2號(hào)則揭露了另一種帶雙口培養(yǎng)瓶的細(xì)胞和組織工程培養(yǎng)裝置，它是采用在一個(gè)培養(yǎng)箱內(nèi)裝上一個(gè)滾動(dòng)機(jī)床、再將一個(gè)或若干個(gè)兩端開(kāi)口的滾動(dòng)培養(yǎng)瓶放置在該滾動(dòng)機(jī)床上的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)細(xì)胞和組織進(jìn)行三維培養(yǎng)的功用。
上述現(xiàn)有技術(shù)雖然可以給組織工程應(yīng)用中的細(xì)胞/組織提供三維培養(yǎng)的環(huán)境，但是仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)將細(xì)胞送入到生物支架材料的中央部位，并使其獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可將細(xì)胞送入到生物支架材料的中央部位、并使細(xì)胞-生物支架復(fù)合體內(nèi)的細(xì)胞/組織始終能獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)及氧份的動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案要點(diǎn)是提供一種動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，包括一個(gè)可供將細(xì)胞接種于具有中心通道的生物支架體上的培養(yǎng)箱；并進(jìn)一步包括至少一個(gè)與生物支架體的中心通道相配合、并伸入該中心通道的導(dǎo)管，和一個(gè)與該導(dǎo)管相連通的循環(huán)輸液裝置；該培養(yǎng)箱設(shè)有一個(gè)輸入口和一個(gè)輸出口，導(dǎo)管通過(guò)該輸入口與循環(huán)輸液裝置相連通。
所述導(dǎo)管伸入生物支架體的部分的四周均勻等距地分布著若干個(gè)小孔。
所述循環(huán)輸液裝置包括依次順序連接的輸入管、輸出管和微循環(huán)泵。該微循環(huán)泵通過(guò)偏心輪對(duì)輸出管的擠壓使液體形成循環(huán)。
所述循環(huán)輸液裝置還包括一個(gè)對(duì)自培養(yǎng)箱內(nèi)回收的培養(yǎng)液進(jìn)行過(guò)濾的過(guò)濾器，設(shè)于輸入管和微循環(huán)泵之間。在輸入管和過(guò)濾器之間還設(shè)有一個(gè)必要時(shí)可以進(jìn)行液體更換和補(bǔ)充的三通閥。
輸入管由聚乙烯和硅膠等制成，直徑與輸入口的直徑相匹配。輸出導(dǎo)管由聚乙烯和硅膠等制成，內(nèi)徑＞2mm，連接培養(yǎng)箱的輸出口與微循環(huán)泵。
培養(yǎng)箱具有一個(gè)與其密封配合的頂蓋，頂蓋上設(shè)有一個(gè)透氣窗，透氣窗由既能阻止外界微生物進(jìn)入、又能進(jìn)行培養(yǎng)箱內(nèi)外氣體交換的透氣膜所遮覆著。培養(yǎng)箱內(nèi)還設(shè)有一個(gè)用來(lái)固定生物支架材料的支架。
本發(fā)明通過(guò)一個(gè)封閉式的循環(huán)輸液裝置，將細(xì)胞混懸液直接輸入到生物支架材料的中心部位，待細(xì)胞貼附在生物支架孔壁表面后，利用微循環(huán)泵進(jìn)行持續(xù)性不間斷微量的細(xì)胞培養(yǎng)液輸入，使細(xì)胞能獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)，并有利于其進(jìn)行分裂增殖形成新生的組織。培養(yǎng)液通過(guò)生物支架材料的孔隙道流入培養(yǎng)箱內(nèi)，并有輸出口進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。
本發(fā)明提供一種組合式封閉環(huán)境，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)，而且本發(fā)明的操作過(guò)程可在一般的細(xì)胞培養(yǎng)室內(nèi)進(jìn)行，可以進(jìn)行單一或多個(gè)細(xì)胞支架復(fù)合體的復(fù)合和培養(yǎng)，因而具有使用簡(jiǎn)易、可控、有效，不易在操作過(guò)程中造成污染等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖，對(duì)本發(fā)明動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，包括一個(gè)可供將細(xì)胞接種于具有中心通道(未標(biāo)示)的生物支架體5上的培養(yǎng)箱1；并進(jìn)一步包括至少一個(gè)與生物支架體5的中心通道相配合、并伸入該中心通道內(nèi)的導(dǎo)管3，和一個(gè)與該導(dǎo)管3相連通的循環(huán)輸液裝置。該培養(yǎng)箱1設(shè)有一個(gè)輸入口12和一個(gè)輸出口13，導(dǎo)管3通過(guò)該輸入口12與循環(huán)輸液裝置相連通。輸入口12的直徑約2～10mm；輸出口13設(shè)于培養(yǎng)箱1的最低部位，用于回收細(xì)胞培養(yǎng)液。
培養(yǎng)箱1是使用聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯和玻璃等材料制成，形狀可為圓柱形、立方形、半球形等形狀。
導(dǎo)管3是采用聚乙烯和硅膠等制成，它的大小與生物支架5的中心通道的大小相匹配。在導(dǎo)管3進(jìn)入到生物支架體5的部分，其四周均勻等距分布著10～100個(gè)小孔(孔徑100～500微米)；導(dǎo)管3另一端直接與培養(yǎng)箱1的輸入口12相連。在一個(gè)生物支架體5上也可有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管3伸入其中，這可根據(jù)實(shí)際需要而定。
所述循環(huán)輸液裝置包括依次順序連接的輸入管40、輸出管44和微循環(huán)泵42。該微循環(huán)泵42通過(guò)偏心輪(未圖示)對(duì)輸出管44的擠壓使其內(nèi)液體形成循環(huán)，其流量控制在0.2～50ml/小時(shí)，或更大的量。一個(gè)該微量輸液泵42也可同時(shí)提供多個(gè)組織反應(yīng)裝置所需的液體循環(huán)。
所述循環(huán)輸液裝置還包括一個(gè)對(duì)自培養(yǎng)箱1內(nèi)回收的培養(yǎng)液進(jìn)行過(guò)濾的過(guò)濾器46，設(shè)于輸入管40和微循環(huán)泵42之間。過(guò)濾器46采用孔徑＜0.22微米的過(guò)濾膜對(duì)培養(yǎng)液的回收進(jìn)行過(guò)濾，其目的阻止散落的細(xì)胞和其他有形物質(zhì)輸入到生物支架體當(dāng)中去。
在輸入管40和過(guò)濾器46之間還設(shè)有一個(gè)必要時(shí)可以進(jìn)行液體更換和補(bǔ)充的三通閥47。三通閥47一側(cè)與輸入管40連接，另一側(cè)與過(guò)濾器46連接，還有一個(gè)入口可進(jìn)行必要的更換和補(bǔ)充液體。
輸入管40由聚乙烯和硅膠等制成，直徑與輸入口12的直徑相匹配，常被制作為內(nèi)徑＞2mm。輸出管44由聚乙烯和硅膠等制成，內(nèi)徑＞2mm，連接培養(yǎng)箱4的輸出口13與微循環(huán)泵42，其長(zhǎng)度可達(dá)到300～500mm。
培養(yǎng)箱1具有一個(gè)與其密封配合的頂蓋2，頂蓋上設(shè)有一個(gè)透氣窗20，透氣窗20由既能阻止外界微生物進(jìn)入、又能進(jìn)行培養(yǎng)箱內(nèi)外氣體交換的透氣膜(未標(biāo)示)所遮覆著。培養(yǎng)箱1內(nèi)還設(shè)有一個(gè)用來(lái)固定生物支架材料5的支架15。
頂蓋2可采用聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯和玻璃等材料制成，其大小與培養(yǎng)箱1相匹配，能達(dá)到良好的密封和固定效果。設(shè)在頂蓋2表面的透氣窗20的表面積超過(guò)100mm2，其既能阻止液體的流出和微生物的進(jìn)入，又可進(jìn)行氣體交換使培養(yǎng)箱1內(nèi)有足夠的氧氣和二氧化碳。
透氣窗20的透氣膜為聚苯乙烯、聚丙烯和聚乙烯等制成的微孔膜，孔徑＜0.22微米，厚度50～1000微米。該透氣膜覆蓋在透氣窗20的上面或下面，使其起到氣體交換時(shí)的過(guò)濾作用，且能阻止所有的微生物進(jìn)入到培養(yǎng)箱1之中。
本發(fā)明通過(guò)一個(gè)封閉式的循環(huán)輸液裝置，將細(xì)胞混懸液直接輸入到生物支架材料5的中心部位，待細(xì)胞貼附在生物支架5孔壁表面后，利用微循環(huán)泵42進(jìn)行持續(xù)性不間斷微量的細(xì)胞培養(yǎng)液輸入，使細(xì)胞能獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)，并有利于其進(jìn)行分裂增殖形成新生的組織。
細(xì)胞和組織的生物支架體5可采用有機(jī)和無(wú)機(jī)的多孔材料，但必須有足夠的孔隙率(＞60％)、足夠大小的孔徑(＞100微米)和內(nèi)連接徑(＞50微米)，并且孔隙溝通率達(dá)到95％以上。它的形狀是根據(jù)臨床所需要制作而成，常有圓柱體、立方體、球形、不規(guī)則形和特殊形等類(lèi)型，但必須在它的縱軸中心部位有一貫通的盲管或開(kāi)通管道(直徑＞1.5mm)，以便導(dǎo)管3能穿入。常使用的材料是羥基磷灰石、磷酸三鈣、或者二者的混合物。
下面結(jié)合具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1，選擇大小為100×70×60mm的立方形細(xì)胞/組織培養(yǎng)箱1。培養(yǎng)箱內(nèi)的多孔生物支架體5是用磷酸三鈣制成，具有氣孔率75％、孔徑500～600微米和內(nèi)連接徑80～120微米的微結(jié)構(gòu)，為直徑20mm和長(zhǎng)50mm的圓柱體，中心通道的直徑為2.2mm。本發(fā)明的其他組成及結(jié)構(gòu)如前所述，不再重復(fù)。
配制骨髓干細(xì)胞(106細(xì)胞/ml)混懸液16ml，通過(guò)三通閥47注入到生物支架體5內(nèi)；存放4小時(shí)后，再通過(guò)三通閥47注入340ml的加小牛血清的細(xì)胞培養(yǎng)液。同時(shí)連接微循環(huán)泵42，使其處于工作狀態(tài)，形成微循環(huán)，流量為每小時(shí)10ml。每周更換液體一次；經(jīng)兩周培養(yǎng)后，可見(jiàn)生物支架體5的孔隙內(nèi)有大量的細(xì)胞形成和堆積。
實(shí)施例2，選擇直徑為100mm的半球形細(xì)胞/組織培養(yǎng)箱(未圖示)。培養(yǎng)箱1內(nèi)的多孔生物支架體5是用磷酸三鈣制成，氣孔率75％、孔徑500～600微米和內(nèi)連接徑80～120微米的微結(jié)構(gòu)，大小為20×20×60mm的長(zhǎng)立方體，中心通道的直徑為2mm。本發(fā)明的其他組成及結(jié)構(gòu)如前所述，不再重復(fù)。
配制關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞(107細(xì)胞/ml)混懸液25ml，通過(guò)三通閥47注入到生物支架體5內(nèi)，存放4小時(shí)后，再通過(guò)三通閥47注入200ml的加小牛血清的細(xì)胞培養(yǎng)液。同時(shí)連接微循環(huán)泵42，使其處于工作狀態(tài)，形成微循環(huán)，流量為每小時(shí)10ml。每周更換液體一次；經(jīng)4周培養(yǎng)后，可見(jiàn)生物支架體5的孔隙內(nèi)有大量的細(xì)胞形成和堆積。
本發(fā)明的動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置是利用人體血液循環(huán)的機(jī)理，對(duì)所培養(yǎng)的細(xì)胞及經(jīng)細(xì)胞摻雜后的細(xì)胞-生物支架復(fù)合體采用動(dòng)態(tài)三維輸入法，使細(xì)胞-生物支架復(fù)合體內(nèi)的細(xì)胞始終能獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)及氧份，使其能更好地進(jìn)行分裂增殖，從而形成具有良好功能的組織和器官。
本發(fā)明所提供的反應(yīng)裝置，能在封閉環(huán)境中，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)，整個(gè)操作過(guò)程可在一般的細(xì)胞培養(yǎng)室內(nèi)進(jìn)行，可以進(jìn)行單一或多個(gè)細(xì)胞支架復(fù)合體培養(yǎng)，因而具有使用簡(jiǎn)易、可控、有效，不易在操作過(guò)程中造成污染等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，包括一個(gè)可供將細(xì)胞接種于具有中心通道的生物支架體上的培養(yǎng)箱；其特征在于還進(jìn)一步包括至少一個(gè)與生物支架體的中心通道相配合、并伸入該中心通道的導(dǎo)管，一個(gè)與該導(dǎo)管相連通的循環(huán)輸液裝置；該培養(yǎng)箱設(shè)有一個(gè)輸入口和一個(gè)輸出口，導(dǎo)管通過(guò)該輸入口與循環(huán)輸液裝置相連通。
2.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，其特征在于所述循環(huán)輸液裝置包括依次順序連接的輸入管、輸出管和微循環(huán)泵。
3.如權(quán)利要求2所述的動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，其特征在于該微循環(huán)泵通過(guò)偏心輪對(duì)輸出管的擠壓使液體形成循環(huán)。
4.如權(quán)利要求2所述的動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，其特征在于所述循環(huán)輸液裝置還包括一個(gè)對(duì)自培養(yǎng)箱內(nèi)回收的培養(yǎng)液進(jìn)行過(guò)濾的過(guò)濾器，該過(guò)濾器設(shè)于輸入管和微循環(huán)泵之間。
5.如權(quán)利要求4所述的動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，其特征在于在輸入管和過(guò)濾器之間還設(shè)有一個(gè)三通閥。
6.如權(quán)利要求2或3或4或5所述的動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，其特征在于輸入管由聚乙烯和硅膠等制成，直徑與輸入口的直徑相匹配。
7.如權(quán)利要求2或3或4或5所述的動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，其特征在于輸出導(dǎo)管由聚乙烯和硅膠等制成，導(dǎo)管內(nèi)徑＞2mm，連接培養(yǎng)箱的輸出口與微循環(huán)泵。
8.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，其特征在于培養(yǎng)箱具有一個(gè)與其密封配合的頂蓋，頂蓋上設(shè)有一個(gè)透氣窗，透氣窗由透氣膜所遮覆。
9.如權(quán)利要求1或2所述的動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，其特征在于所述導(dǎo)管伸入生物支架體的部分的四周分布著若干個(gè)小孔。
10.如權(quán)利要求1或2所述的動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，其特征在于培養(yǎng)箱內(nèi)設(shè)有一個(gè)用來(lái)固定生物支架材料的支架。
全文摘要
本發(fā)明關(guān)于一種動(dòng)態(tài)三維輸入式組織反應(yīng)裝置，包括一個(gè)可供將細(xì)胞接種于具有中心通道的生物支架體上的培養(yǎng)箱；并進(jìn)一步包括至少一個(gè)與生物支架體的中心通道相配合、并伸入該中心通道的導(dǎo)管，和一個(gè)與該導(dǎo)管相連通的循環(huán)輸液裝置；該培養(yǎng)箱設(shè)有一個(gè)輸入口和一個(gè)輸出口，導(dǎo)管通過(guò)該輸入口與循環(huán)輸液裝置相連通。本發(fā)明通過(guò)一個(gè)封閉式的循環(huán)輸液裝置，將細(xì)胞混懸液直接輸入到固定設(shè)在培養(yǎng)箱內(nèi)的生物支架材料的中心部位，待細(xì)胞貼附在生物支架孔壁表面后，利用微循環(huán)泵進(jìn)行持續(xù)性不間斷微量的細(xì)胞培養(yǎng)液輸入，使細(xì)胞能獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)，并有利于其進(jìn)行分裂增殖形成新生的組織。
文檔編號(hào)C12M3/00GK1542121SQ0311670
公開(kāi)日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2003年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月29日
發(fā)明者盧建熙, 戴克戎, M.戴斯凱帕斯, P.哈道恩, K.恩賽爾姆, 湯亭亭, 凱帕斯, 爾姆, 恩 申請(qǐng)人:盧建熙