專利名稱：一種具有組織培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能的組織工程反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及細(xì)胞培養(yǎng)、組織工程領(lǐng)域，更具體地說是涉及一種能夠?qū)M織 培養(yǎng)物加載拉壓力學(xué)栽荷，并且具有灌注和使組織培養(yǎng)物旋轉(zhuǎn)功能的組織工 程反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
組織工程，是指用工程學(xué)和生命科學(xué)相結(jié)合的原理和方法，來制備組織和 器官替代物，以恢復(fù)、維持或改善人體組織、器官的功能，是一個(gè)發(fā)展迅速、 意義深遠(yuǎn)的生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用領(lǐng)域，是生物醫(yī)學(xué)工程中的一個(gè)新的分支，組織 工程技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為先天性疾病和獲得性疾病的治療創(chuàng)造了前所未有的機(jī) 會(huì)。
組織工程生物反應(yīng)器是組織工程模型系統(tǒng)的重要組成部分，它能夠模擬體 內(nèi)調(diào)控組織發(fā)育和維持的一些生物化學(xué)和物理信號(hào)，提供營(yíng)養(yǎng)、通氣、應(yīng)力等 多種可控的體外培養(yǎng)條件，為細(xì)胞-支架復(fù)合物構(gòu)建發(fā)育成為功能組織提供適宜 的體外環(huán)境。組織工程生物反應(yīng)器已經(jīng)成為研究和培養(yǎng)血管、心肌、軟骨、骨 等組織的重要手段。因此才莫擬細(xì)胞組織生長(zhǎng)的體內(nèi)條件下的力學(xué)、生化等 環(huán)境，通過研究體外環(huán)境下力學(xué)、生化因素如何影響細(xì)胞的三維培養(yǎng)和功能化， 研究組織工程生物反應(yīng)器如何改進(jìn)細(xì)胞的接種、傳質(zhì)、力學(xué)環(huán)境、以及組織工 程的工業(yè)化生產(chǎn)，有針對(duì)性地研發(fā)更先進(jìn)的組織工程用生物反應(yīng)器對(duì)于組織工 程的發(fā)展具有重大意義。
目前，組織工程用生物反應(yīng)器的研究?jī)?nèi)容主要包括
1. 實(shí)現(xiàn)和控制細(xì)胞在支架中的均勻、高密度接種近年的研究發(fā)現(xiàn)直接灌 注式生物反應(yīng)器在細(xì)胞接種密度和均勻性方面優(yōu)于靜態(tài)、旋轉(zhuǎn)攪拌式等非直接 灌注式生物反應(yīng)器，這一技術(shù)已應(yīng)用于心肌細(xì)胞、血管組織和肝細(xì)胞組織工程
2. 改善傳質(zhì)狀況壁面旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器通過動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)層流流動(dòng)為細(xì)胞提 供了一定的低剪切應(yīng)力，較好地改善了傳質(zhì)狀況，培養(yǎng)效果優(yōu)于旋轉(zhuǎn)-攪拌式生 物反應(yīng)器；壁面旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器的灌注率、對(duì)細(xì)胞施加的切應(yīng)力大小、細(xì)胞 營(yíng)養(yǎng)物和代謝物傳質(zhì)的平衡等問題都會(huì)對(duì)培養(yǎng)效果產(chǎn)生影響，因此需要針對(duì)特 定的組織控制、調(diào)節(jié)灌注率等參數(shù)，以獲得優(yōu)化的傳質(zhì)效果。
3. 在組織工程化培養(yǎng)中施加適當(dāng)?shù)臋C(jī)械力，控制工程化組織構(gòu)建大量的 研究表明周期性機(jī)械伸張可促進(jìn)心肌細(xì)胞的的增殖和骨架構(gòu)建，提高體外培養(yǎng) 的骨骼肌細(xì)胞組織力學(xué)特性，提高種植在聚合物支架材料上的平滑肌細(xì)胞構(gòu)建
的組織機(jī)構(gòu)性能和彈性蛋白的表達(dá)；動(dòng)態(tài)壓縮或剪切應(yīng)力有助于軟骨細(xì)胞GAG 的合成和軟骨組織力學(xué)特性的增強(qiáng)；對(duì)組織工程化培養(yǎng)過程中施加力學(xué)栽荷， 不僅能夠促進(jìn)工程化組織的構(gòu)建，而且能夠直接促進(jìn)細(xì)胞在特定的生長(zhǎng)期向多 功能分化。因此，在組織工程化培養(yǎng)過程中施加力學(xué)栽荷，能夠直接促進(jìn)細(xì)胞 在特定的生長(zhǎng)期向多功能分化，促進(jìn)工程化組織的構(gòu)建。
Powell, Courtney A.等設(shè)計(jì)了 一種能夠用于骨骼肌組織培養(yǎng)的生物反應(yīng)
器，將骨骼肌組織支架一段固定， 一段與步進(jìn)電機(jī)相連，通過步進(jìn)電機(jī)提供恒 定或周期性拉壓應(yīng)力，支架所受的拉應(yīng)力通過拉力傳感器檢測(cè)，組織培養(yǎng)腔不 肯fe旋轉(zhuǎn) (Mechanical stimulation improves tissue—engineered human skeletal muscle, Am J Physiol Cell Physiol, 2002; 282 ( 5 ): 1557-1565 )。
Bancroft, Gregory N.等用蠕動(dòng)泵對(duì)骨支架進(jìn)行灌注培養(yǎng)的反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn) 與靜態(tài)培養(yǎng)相比灌注培養(yǎng)提高了培養(yǎng)物的鈣含量，培養(yǎng)同時(shí)沒有加栽拉壓和扭 轉(zhuǎn)等力學(xué)栽荷(Technical Note: Design of a Flow Perfusion Bioreactor System for Bone Tissue-Engineering Applications, Tissue Engineering, 2003; 9 ( 3 ): 549-554 )。
Breen， Liam T.等設(shè)計(jì)了能夠?qū)螌蛹?xì)胞單獨(dú)或同時(shí)提供剪切和拉壓應(yīng)力 的組織工程反應(yīng)器。通過步進(jìn)電機(jī)與錐盤流變計(jì)相連對(duì)細(xì)胞施加剪切應(yīng)力，通 過步進(jìn)電機(jī)與彈性硅膠底盤的相連對(duì)細(xì)胞施加拉壓應(yīng)力，組織培養(yǎng)腔不能旋轉(zhuǎn) (Development of a novel bioreactor to apply shear stress and tensile strain simultaneously to cell monolayers , Review of Scientific Instruments, 2006; 77 ( 10 ): 104301-9 )。
Satish， C. Muluk等設(shè)計(jì)了一種能夠用拉壓電機(jī)加栽拉壓應(yīng)力和用微步進(jìn) 電機(jī)加載扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的血管反應(yīng)器，通過程控閥門提供脈動(dòng)流，釆用血管內(nèi)灌注 的方式,無(wú)壁面旋轉(zhuǎn)(Enhancement of tissue factor expression by vein segments exposed to coronary arterial hemodynamics. Journal of vascular surgery : official publication, the Society for Vascular Surgery [and] International Society for Cardiovascular Surgery, North American Chapter 1998; 27 (3): 521-527 )。
Bursac， Nenad等將心肌細(xì)胞及支架放在外壁旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)器內(nèi)懸浮培 養(yǎng)，提高了心肌細(xì)胞的電生理和分子生物學(xué)性能，培養(yǎng)過程中沒有施加拉壓等 力學(xué)載荷(Cultivation in Rotating Bioreactors Promotes Maintenance of Cardiac Myocyte Electrophysiology and Molecular Properties ， Tissue Engineering , 2003; 9 ( 6 ): 1243-1253 )。
綜上所述，現(xiàn)有的組織工程反應(yīng)器存在較大的缺陷 一是無(wú)法為組織同時(shí) 提供近似生理狀態(tài)的周期性軸向拉伸、壓縮、徑向牽張、扭曲等機(jī)械力載荷； 二是多數(shù)采用無(wú)壁面旋轉(zhuǎn)的方式，在細(xì)胞均勻、高密度接種和傳質(zhì)方面還有待 改進(jìn)。因此，迫切需要研制能夠同時(shí)加載組織培養(yǎng)所需的多種力學(xué)環(huán)境，有利
于細(xì)胞均勻、高密度接種，有利于傳質(zhì)，具有良好的可調(diào)控性的生物反應(yīng)器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)組織生長(zhǎng)的體內(nèi)力學(xué)環(huán)境，提供了一種具有組織培養(yǎng)物拉壓和 旋轉(zhuǎn)功能的組織工程反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有良好的傳質(zhì)性能，能夠?yàn)榻M織培養(yǎng) 提供近良好的傳質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種具有組織培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能的組
織工程反應(yīng)器，其包括 一個(gè)組織培養(yǎng)腔； 一個(gè)培養(yǎng)液灌注回路，它穿過所述 培養(yǎng)腔；設(shè)置在所述組織培養(yǎng)腔內(nèi)的第一保持裝置和第二保持裝置，用于在它 們之間以可拆卸方式連接并固定待培養(yǎng)的組織培養(yǎng)物； 一個(gè)組織培養(yǎng)物拉壓驅(qū) 動(dòng)裝置，它與所述第一保持裝置耦合，用于驅(qū)動(dòng)所述第一保持裝置作往復(fù)運(yùn)動(dòng) 從而對(duì)所述組織培養(yǎng)物進(jìn)行拉壓作用； 一個(gè)組織培養(yǎng)物旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，它與所 述第一保持裝置和第二保持裝置相耦合，用于驅(qū)動(dòng)設(shè)置于所述第一保持裝置和 第二保持裝置之間的所述組織培養(yǎng)物轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，所述保持裝置的一種實(shí)現(xiàn)方 式可以是夾具。
作為一個(gè)具體但非限定的實(shí)施例，所述的具有組織培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能 的組織工程反應(yīng)器中，所述組織培養(yǎng)物拉壓驅(qū)動(dòng)裝置通過一根拉壓傳動(dòng)拉桿與 所述第一保持裝置相耦合，以帶動(dòng)所述第一保持裝置沿著軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述 第二保持裝置通過一#^固定拉桿軸向固定在一固定支架上。
作為一個(gè)具體但非限定的實(shí)施例，所述的具有組織培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能 的組織工程反應(yīng)器中，所述組織培養(yǎng)腔的兩端設(shè)置有密封塞，所述拉壓傳動(dòng)拉 桿穿過所述密封塞而與所述第一保持裝置耦合，所述拉壓傳動(dòng)拉桿與所述密封 塞之間為可滑動(dòng)、可轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合，所述固定拉桿穿過所述密封塞而與所述第二 保持裝置耦合，所述固定拉桿與所述密封塞之間為可轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合。
作為一個(gè)具體但非限定的實(shí)施例，所述的具有組織培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能 的組織工程反應(yīng)器中，所述組織培養(yǎng)物旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置包括第一轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置 和第二轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置，所述兩轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置與動(dòng)力源的同一輸出軸相耦合而進(jìn) 行同步轉(zhuǎn)動(dòng)；所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置與所述拉壓傳動(dòng)拉桿相耦合，所述第二轉(zhuǎn) 動(dòng)傳動(dòng)裝置與所述固定拉桿相耦合，因而所述兩轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)分別驅(qū)動(dòng) 了所述拉壓傳動(dòng)拉桿和所述固定拉桿進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因而使設(shè)置在所述拉壓傳 動(dòng)拉桿和所述固定拉桿之間的組織培養(yǎng)物的兩端同步轉(zhuǎn)動(dòng)。
作為一個(gè)具體但非限定的實(shí)施例，所述的具有組織培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能 的組織工程反應(yīng)器中，所述拉壓傳動(dòng)拉桿和所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置中與其直接
耦合的部件是沿著軸向是相互固定的，而以所述第 一轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置中的部件之 間的軸向滑動(dòng)嚙合來吸收所述拉壓傳動(dòng)拉桿的往復(fù)軸向移動(dòng)。
作為一個(gè)具體但非限定的實(shí)施例，所述的具有組織培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能 的組織工程反應(yīng)器中，所述拉壓傳動(dòng)拉桿和所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置中與其直接 耦合的部件沿著軸向是可相互滑動(dòng)的，而用一個(gè)固定裝置來使該部件沿軸向固 定。
作為一個(gè)具體但非限定的實(shí)施例，所述的具有組織培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能 的組織工程反應(yīng)器中，所述笫一轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置和第二轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置分別采用齒 輪組、鏈條傳動(dòng)裝置、皮帶傳動(dòng)裝置或傳動(dòng)桿之一。
作為一個(gè)具體但非限定的實(shí)施例，所述的具有組織培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能
的組織工程反應(yīng)器還包括設(shè)置在所述組織培養(yǎng)腔上游進(jìn)口處的進(jìn)口壓力傳感 器，用于檢測(cè)所述灌注回路中組織培養(yǎng)腔的進(jìn)口處的壓強(qiáng)；設(shè)置在所述組織培 養(yǎng)腔下游出口處的出口壓力傳感器，用于檢測(cè)所述灌注回路中組織培養(yǎng)腔的出 口處的壓強(qiáng)；位移傳感器，用于檢測(cè)所述拉壓傳動(dòng)拉桿發(fā)生的位移；拉壓傳感 器，用于檢測(cè)作用在所述組織培養(yǎng)物上的拉力或壓力；信號(hào)處理電路，用于處 理由上述傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)。
作為具體但非限定的實(shí)施方式，組織培養(yǎng)腔的材質(zhì)為能夠耐受高溫消毒的、 沒有生物毒性的玻璃、不銹鋼、塑料、聚碳酸酯，形狀為圓柱體或?qū)ΨQ的多面 體，長(zhǎng)度為例如5-30cm，容量為例如20-500 ml;組織培養(yǎng)腔通過密封墊和螺栓 保持培養(yǎng)腔體密閉，密封墊和螺栓的材質(zhì)為可耐受高溫消毒的有機(jī)、無(wú)機(jī)材料。
作為具體但非限定的實(shí)施例，本發(fā)明的組織工程反應(yīng)器用于骨、肌肉、軟 骨、韌帶等工程化組織的培養(yǎng)，包括由膠原、蠶絲纖維、羊毛纖維、羥基磷灰 石等天然材料構(gòu)成的和\或由PLGA、 PLA、 PLG、海藻酸鈉、聚四氟乙烯等高聚物 構(gòu)成的支架材料，支架材料可以是圓柱狀、片狀、支架直徑\厚度在例如l-12mm 之間，支架長(zhǎng)度在例如5-30cm之間，支架材料上的細(xì)胞包括骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、 骨骼肌細(xì)胞和心肌細(xì)胞。
作為具體但非限定的實(shí)施例，本發(fā)明的組織工程反應(yīng)器的整個(gè)灌注管路通 iti欠入動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)箱維持37r, 5-15% C02, 95%相對(duì)濕度的培養(yǎng)條件。
本發(fā)明的組織工程反應(yīng)器，與現(xiàn)有反應(yīng)器相比有如下有益效果
1、 本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)安裝、拆卸方便；整個(gè)反應(yīng)器、包括灌注通道管路 和接頭可拆卸、可消毒，示例性的消毒條件為例如130"， 3個(gè)大氣壓，時(shí)間 1小時(shí)。
2、 本發(fā)明的組織工程反應(yīng)器的具體但非限定的實(shí)施例，克服了常用的組 織工程反應(yīng)器無(wú)法為組織同時(shí)提供近似生理狀態(tài)的周期性軸向拉壓、壓縮等機(jī)
械力載荷的缺點(diǎn)，能夠在培養(yǎng)的同時(shí)在組織培養(yǎng)物上同時(shí)或單獨(dú)加栽類似于生 理狀態(tài)下組織受到的周期性軸向拉壓等力學(xué)載荷，上述力學(xué)載荷具有良好的可
調(diào)控性；
3、 在本發(fā)明的組織工程反應(yīng)器的一個(gè)作為但非限定的實(shí)施例中，在培養(yǎng) 腔灌注的同時(shí)，組織培養(yǎng)物能夠以可調(diào)控的方向和轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)與灌注 液體更加充分地接觸，使反應(yīng)器具有良好的傳質(zhì)性能；
4、 本發(fā)明的組織工程反應(yīng)器的一種具體但非限定的實(shí)施例，既可用于培 養(yǎng)骨、軟骨、肌肉、韌帶等工程化組織，也可用作研究所述組織的生物學(xué)和 力學(xué)性能的儀器，具有較大的推廣應(yīng)用前景和較大的潛在社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。


圖1是本發(fā)明的組織工程反應(yīng)器的一個(gè)示例性實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2顯示了圖1的實(shí)施方式的一種變形。
具體實(shí)施方式
下文提供了實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明不僅限于 以下實(shí)施方式。在附圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示相同或?qū)?yīng)的部分，且為筒潔起見， 在以下的說明中對(duì)這些相同或?qū)?yīng)的部分不作重復(fù)的描述。
如圖1所示的，是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體但非限定的實(shí)施方式的組織工程 反應(yīng)器，現(xiàn)在描述該反應(yīng)器的細(xì)節(jié)。
儲(chǔ)液瓶101通過管路與液體驅(qū)動(dòng)裝置102相連。液體驅(qū)動(dòng)裝置102可以采 用蠕動(dòng)泵，也可以采用直線電機(jī)或其他適當(dāng)?shù)难b置，其不同的具體構(gòu)成會(huì)使其 具有相應(yīng)的功能和/或產(chǎn)生相應(yīng)的效果。
在本發(fā)明的一個(gè)具體但非限定的實(shí)施方式中，液體驅(qū)動(dòng)裝置102采用蠕動(dòng) 泵，其為灌注回^l:供定常流。
在另一個(gè)具體但非限定的實(shí)施方式中，液體驅(qū)動(dòng)裝置102為一種直線電機(jī)， 其為灌注回路提供脈動(dòng)流。
組織培養(yǎng)腔進(jìn)口管路107的下游端穿過上游密封塞106而進(jìn)入到組織培養(yǎng) 腔103中，上游端與液體驅(qū)動(dòng)裝置102通過管路相連。組織培養(yǎng)腔出口管路115 的上游端置于培養(yǎng)腔103內(nèi)，下游端穿過組織培養(yǎng)腔下游密封塞106伸出到培 養(yǎng)腔103之外，而與連接到儲(chǔ)液瓶101的管路相連，從而形成一個(gè)完整的灌注 液體回路。
上、下游密封塞106可以提供培養(yǎng)腔103與進(jìn)、出培養(yǎng)腔103的進(jìn)口管路 107和出口管路115之間的密封，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)腔103對(duì)外界的密封。
培養(yǎng)腔103優(yōu)選地是由材料(如玻璃、塑料、不銹鋼、聚碳酸酯)制成， 用于為待培養(yǎng)的組織109提供無(wú)菌的密閉環(huán)境。在組織培##作過程中，培養(yǎng) 腔103內(nèi)完全充滿液體。
待培養(yǎng)的組織培養(yǎng)物109的一端由包括一個(gè)夾具的第二保持裝置108所固 定，而第二保持裝置108被設(shè)置在固定拉桿104的一端上；組織培養(yǎng)物109的 另一端則由包括一個(gè)夾具的第一保持裝置108所固定，而第一保持裝置108被 設(shè)置在由拉壓電機(jī)114驅(qū)動(dòng)的拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111的一端上。固定拉桿104穿 過上游密封塞106，且其另一端固定在支架105上；拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111穿過下 游密封塞106,且其另一端與拉壓電機(jī)114連接。
圖l所示的實(shí)施方式中，還包括組織培養(yǎng)腔上游支架105，用于固定和/或 保持培養(yǎng)腔。
在圖1所示的實(shí)施方式中，拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111與組織培養(yǎng)腔下游的密封 塞106之間的結(jié)合是可滑動(dòng)的，拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111的往復(fù)拉壓驅(qū)動(dòng)作用在組 織培養(yǎng)腔下游的夾具108上，從而驅(qū)動(dòng)組織培養(yǎng)腔下游的夾具108沿著軸向作 往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)培養(yǎng)中的組織培養(yǎng)物109的往復(fù)拉壓。
應(yīng)當(dāng)理解的是，拉壓電機(jī)114不是實(shí)現(xiàn)組織培養(yǎng)物109的往復(fù)運(yùn)動(dòng)發(fā)生裝 置的唯一實(shí)施方式，它可以被其他形式的裝置所替代，如曲柄-連桿機(jī)構(gòu)、液 壓缸等。這些變形實(shí)施方式都屬于本發(fā)明的范圍。
應(yīng)該注意的是，拉壓機(jī)構(gòu)的設(shè)置，對(duì)于組織培養(yǎng)腔的上游和下游的夾具來 說是對(duì)等的，即，拉壓電機(jī)114的拉壓驅(qū)動(dòng)，既可以如圖1所示地那樣耦合到 組織培養(yǎng)腔的下游的夾具108上，也可以耦合到組織培養(yǎng)腔的上游的夾具108 上，也可以耦合到上游的夾具108和下游的夾具108上。這些替換方式，都屬 于本發(fā)明的范圍。
如圖1所示的非限定的具體實(shí)施方式
進(jìn)一步包括了實(shí)現(xiàn)組織培養(yǎng)物的獨(dú)立 轉(zhuǎn)動(dòng)的部分 一個(gè)組織培養(yǎng)物轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)203，電機(jī)203的轉(zhuǎn)動(dòng)軸204與齒輪 組201和齒輪組202相耦合，以驅(qū)動(dòng)齒輪組201和202作同步轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪組201 還與培養(yǎng)腔上游的固定拉桿104相耦合，而齒輪組202還與培養(yǎng)腔下游拉壓電 機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111相耦合，因而齒輪組201和202的轉(zhuǎn)動(dòng)分別驅(qū)動(dòng)了培養(yǎng)腔上游的 固定拉桿104和培養(yǎng)腔下游拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111的轉(zhuǎn)動(dòng)，且由于齒輪組201和 202的轉(zhuǎn)動(dòng)是同步的，在它們的帶動(dòng)下，培養(yǎng)腔上游的固定拉桿104和培養(yǎng)腔下 游拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111的轉(zhuǎn)動(dòng)也是彼此同步的，因而設(shè)置在培養(yǎng)腔上游的固定 拉桿104和培養(yǎng)腔下游拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111之間的待培養(yǎng)組織109兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)
是同步的，待培養(yǎng)組織109不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。
作為一種具體實(shí)施方式
，培養(yǎng)腔103不與任何固定裝置相連，從而使培養(yǎng) 腔103在培養(yǎng)腔上游的固定拉桿104和培養(yǎng)腔下游拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111以及它 們之間的待培養(yǎng)組織培養(yǎng)物109轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。上、下游密封塞106實(shí)現(xiàn) 培養(yǎng)腔103對(duì)外界的密封。
作為另一種具體實(shí)施方式
，可以用諸如支架的固定裝置(未顯示)固定住 培養(yǎng)腔103，從而使培養(yǎng)腔103在培養(yǎng)腔上游的固定拉桿104和培養(yǎng)腔下游拉壓 電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111以及它們之間的待培養(yǎng)組織培養(yǎng)物109轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持靜止。
在此，齒輪組202包容與其轉(zhuǎn)動(dòng)耦合的培養(yǎng)腔下游拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111的 往復(fù)軸向移動(dòng)的方式可以有多種。
其一是，培養(yǎng)腔下游拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111和齒輪組202中與其直接耦合的 齒輪是沿著軸向是相互固定的，而以齒輪組202的齒輪之間的軸向滑動(dòng)嚙合來 吸收培養(yǎng)腔下游拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿lll的往復(fù)軸向移動(dòng)。為此， 一種可選方案是， 齒輪組202中發(fā)生滑動(dòng)嚙合的兩個(gè)齒輪之一的厚度明顯大于另一個(gè)，從而避免 了由于齒輪之間的滑動(dòng)而造成嚙合脫離的可能性。
其二是，培養(yǎng)腔下游拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111和下游傳動(dòng)齒輪組202中與其直 接耦合的齒輪沿著軸向是可相互滑動(dòng)的，而用一個(gè)支架(未顯示)來使該齒輪 沿軸向固定。
應(yīng)該理解的是，上述的齒輪組201、 202,只是實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞的轉(zhuǎn)動(dòng) 傳動(dòng)裝置的例子；也可以用其他的傳動(dòng)裝置來代替齒輪組201和/或202，這些 其他的傳動(dòng)裝置可以是諸如鏈條傳動(dòng)裝置、皮帶傳動(dòng)裝置、傳動(dòng)桿等等。
借助圖1所示的實(shí)施方式，可以同時(shí)或單獨(dú)地實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)中的組織培養(yǎng)物 的旋轉(zhuǎn)、培養(yǎng)腔的培養(yǎng)液灌注、組織培養(yǎng)物的拉壓，以及這些功能/效果的任何 組合。
圖2顯示了圖l所示的實(shí)施方式的一種變形。與圖l所示的實(shí)施方式相比， 圖2所示的實(shí)施方式進(jìn)一步包括一個(gè)用于采集、處理、顯示和/或記錄數(shù)據(jù)的部 分。如圖2所示，該用于采集、處理、顯示和/或記錄數(shù)據(jù)的部分的一個(gè)具體但 非限定性的實(shí)施方式包括設(shè)在培養(yǎng)腔進(jìn)口處的壓力傳感器302,用于檢測(cè)灌注 管路中培養(yǎng)腔103的進(jìn)口處的壓強(qiáng)；設(shè)在培養(yǎng)腔出口處的壓力傳感器304,用于 檢測(cè)灌注管路中動(dòng)態(tài)培養(yǎng)腔103的出口處的壓強(qiáng)；可選的拉壓傳感器301，用于 檢測(cè)該具體實(shí)施方式
下作用在組織培養(yǎng)物109上的拉力或壓力；位移傳感器 303，用于檢測(cè)該實(shí)施方式下拉壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿111發(fā)生的位移。集線器305;小 信號(hào)放大器306;驅(qū)動(dòng)器307;處理器308，它可以是一個(gè)PC機(jī)或工控機(jī)；顯示器309。傳感器301、 302、 303和304的輸出被送到集線器305并被其后的部 分所處理、記錄、和/或顯示。
應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然在上文中分別提到了拉壓驅(qū)動(dòng)裝置、扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置等，但這些裝置并不一定是相互完全獨(dú)立的裝置，相反，它們可 以具有共同的部分，例如它們可以由同一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
實(shí)施例1內(nèi)旋轉(zhuǎn)拉壓灌注
1. 按照?qǐng)D1所示連接組織培養(yǎng)腔灌注回路，其中液體驅(qū)動(dòng)裝置為蠕動(dòng)泵 (Cole-Parmer公司，Masterflex系歹'J );
2. 對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行消毒，消毒條件為130*C， 3個(gè)大氣壓，時(shí)間l小時(shí)；
3. 在無(wú)菌狀態(tài)下將待培養(yǎng)的骨組織培養(yǎng)物安裝到組織培養(yǎng)腔中的夾具上， 其中骨組織培養(yǎng)物直徑4mm，長(zhǎng)度為5cm，支架材料為羥基磷灰石；
4. 按照?qǐng)D1所示連接組織培養(yǎng)物旋轉(zhuǎn)裝置，其中組織培養(yǎng)物旋轉(zhuǎn)電機(jī)選用 海頓57000系列步進(jìn)電才幾；
5. 按照?qǐng)D1所示連接骨組織拉壓裝置，其中骨組織拉壓電機(jī)選用海頓57000 系列直線步進(jìn)電機(jī)；
6. 按照培M求配制培養(yǎng)基，將無(wú)菌培養(yǎng)基注入儲(chǔ)液瓶；
7. 打開各設(shè)備的電源預(yù)熱；
8. 設(shè)定灌注流量為1.0ml/s;
9. 設(shè)定組織培養(yǎng)物旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，10rpm; l(U殳定骨組織受的周期性拉、壓應(yīng)力為15N,拉壓頻率為5次/min; ll.運(yùn)行反應(yīng)器；
實(shí)施例2內(nèi)旋轉(zhuǎn)拉壓灌注帶控制系統(tǒng)
1. 按照?qǐng)D2所示連接組織培養(yǎng)腔灌注回路，其中液體驅(qū)動(dòng)裝置為蠕動(dòng)泵 (Cole畫Parmer公司,Masterflex系列);
2. 對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行消毒，消毒條件為130"C, 3個(gè)大氣壓，時(shí)間l小時(shí)；
3. 在無(wú)菌狀態(tài)下將待培養(yǎng)的骨組織培養(yǎng)物安裝到組織培養(yǎng)腔中的夾具上， 其中骨組織培養(yǎng)物直徑4mm,長(zhǎng)度為5cm,支架材料為羥基磷灰石；
4. 按照?qǐng)D2所示連接組織培養(yǎng)物旋轉(zhuǎn)裝置，其中組織培養(yǎng)物旋轉(zhuǎn)電機(jī)選用 海頓57000系列步進(jìn)電機(jī)；
5. 按照?qǐng)D2所示連接組織培養(yǎng)腔進(jìn)出口的壓力傳感器，和信號(hào)檢測(cè)裝置；
6. 按照?qǐng)D2所示連接骨組織拉壓裝置，其中骨組織拉壓電機(jī)選用海頓57000 系列直線步進(jìn)電機(jī)；
7. 按照?qǐng)D2所示連接組織拉壓的拉壓傳感器和位移傳感器；8. 按照培M求配制培養(yǎng)基，將無(wú)菌培養(yǎng)基注入儲(chǔ)液瓶；
9. 打開各設(shè)備的電源預(yù)熱； l(U史定灌注流量為1.0ml/s;
ll.設(shè)定組織培養(yǎng)物旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，10rpm; 12.i丈定骨組織受的周期性拉、壓應(yīng)力為15N，拉壓頻率為5次/min; 13.運(yùn)行反應(yīng)器；
本申請(qǐng)人同時(shí)提交的其他申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)人與本申請(qǐng)同時(shí)提交的如下中國(guó)專利申請(qǐng)的內(nèi)容在此被全文引用:
1、 "一種具有扭轉(zhuǎn)和拉壓功能的組織工程反應(yīng)器"
2、 "一種具有拉壓和培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)功能的組織工程反應(yīng)器"
權(quán)利要求
1.一種具有組織培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能的組織工程反應(yīng)器，其特征在于包括:一個(gè)組織培養(yǎng)腔(103)；一個(gè)培養(yǎng)液灌注回路，它穿過所述培養(yǎng)腔(103)；設(shè)置在所述組織培養(yǎng)腔(103)內(nèi)的第一保持裝置(108)和第二保持裝置(108)，用于在它們之間設(shè)置待培養(yǎng)的組織培養(yǎng)物；一個(gè)組織培養(yǎng)物拉壓驅(qū)動(dòng)裝置，它與所述第一保持裝置(108)耦合，用于驅(qū)動(dòng)所述第一保持裝置(108)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而對(duì)所述組織培養(yǎng)物進(jìn)行拉壓作用；一個(gè)組織培養(yǎng)物旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，它與所述第一保持裝置(108)和第二保持裝置(108)相耦合，用于驅(qū)動(dòng)設(shè)置于所述第一保持裝置(108)和第二保持裝置(108)之間的所述組織培養(yǎng)物轉(zhuǎn)動(dòng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能的組織工程反應(yīng)器， 其特征在于所述組織培養(yǎng)物拉壓驅(qū)動(dòng)裝置通過一才艮拉壓傳動(dòng)拉桿(111)與所 述第一保持裝置(108)相耦合，以帶動(dòng)所述第一保持裝置(108)沿著軸向往 復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述第二保持裝置(108)通過一根固定拉桿(104)軸向固定在一固 定支架(105)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能的組織工程反應(yīng)器， 其特征在于所述組織培養(yǎng)腔(103)的兩端設(shè)置有密封塞(106)，所述拉壓傳 動(dòng)拉桿(111)穿過所述密封塞(106)而與所述第一保持裝置(108)耦合，所 述拉壓傳動(dòng)拉桿(111)與所述密封塞(106)之間為可滑動(dòng)、可轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合， 所述固定拉桿(104)穿過所述密封塞(106)而與所述第二保持裝置(108)耦 合，所述固定拉桿(104)與所述密封塞(106)之間為可轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能的組織工程反應(yīng)器， 其特征在于所述組織培養(yǎng)物旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置包括第一轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置(202)和第二轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置(201)，所述兩轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝 置(202、 201)與動(dòng)力源的同一輸出軸(204)相耦合而進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)；所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置(202)與所述拉壓傳動(dòng)拉桿(111)相耦合，所述 第二轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置(201)與所述固定拉桿(104)相耦合，因而所述兩轉(zhuǎn)動(dòng)傳 動(dòng)裝置(202、 201)的轉(zhuǎn)動(dòng)分別驅(qū)動(dòng)了所述拉壓傳動(dòng)拉桿(111)和所述固定拉 桿(104)進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因而使設(shè)置在所述拉壓傳動(dòng)拉桿(111)和所述固定 拉桿(104)之間的組織培養(yǎng)物的兩端同步轉(zhuǎn)動(dòng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能的組織工程反應(yīng)器， 其特征在于所述拉壓傳動(dòng)拉桿(111)和所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置(202)中與 其直接耦合的部件是沿著軸向是相互固定的，而以所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置(202 ) 中的部件之間的軸向滑動(dòng)嚙合來吸收所述拉壓傳動(dòng)拉桿(111 )的往復(fù)軸向移動(dòng)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能的組織工程反應(yīng)器， 其特征在于所述拉壓傳動(dòng)拉桿(111)和所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置(202)中與 其直接耦合的部件沿著軸向是可相互滑動(dòng)的，而用一個(gè)固定裝置來使該部件沿 軸向固定。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4、 5、 6中任意權(quán)利要求所述的具有培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn) 功能的組織工程反應(yīng)器，其特征在于所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置(202)和第二 轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置(201)分別釆用齒輪組、鏈條傳動(dòng)裝置、皮帶傳動(dòng)裝置或傳動(dòng)桿 之一
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能的組織工程反應(yīng)器， 其特征在于還包括設(shè)置在所述組織培養(yǎng)腔(103)上游進(jìn)口處的進(jìn)口壓力傳感器(302)，用于檢測(cè)所述灌注回路中組織培養(yǎng)腔(103)的進(jìn)口處的壓強(qiáng)；設(shè)置在所述組織培養(yǎng)腔(103 )下游出口處的出口壓力傳感器(304),用于檢測(cè)所述灌注回路中組織培養(yǎng)腔(103)的出口處的壓強(qiáng)；位移傳感器(303)，用于檢測(cè)所述拉壓傳動(dòng)拉桿(111)發(fā)生的位移； 拉壓傳感器(301)，用于檢測(cè)作用在所述組織培養(yǎng)物上的拉力或壓力； 信號(hào)處理電路，用于處理由上述傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有組織培養(yǎng)物拉壓和旋轉(zhuǎn)功能的組織工程反應(yīng)器，其包括一個(gè)組織培養(yǎng)腔；一個(gè)培養(yǎng)液灌注回路，它穿過所述培養(yǎng)腔；設(shè)置在所述組織培養(yǎng)腔內(nèi)的第一保持裝置和第二保持裝置，用于在它們之間設(shè)置待培養(yǎng)的組織培養(yǎng)物；一個(gè)組織培養(yǎng)物拉壓驅(qū)動(dòng)裝置，它與所述第一保持裝置耦合，用于驅(qū)動(dòng)所述第一保持裝置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而對(duì)所述組織培養(yǎng)物進(jìn)行拉壓作用；一個(gè)組織培養(yǎng)物旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，它與所述第一保持裝置和第二保持裝置相耦合，用于驅(qū)動(dòng)設(shè)置于所述第一保持裝置和第二保持裝置之間的所述組織培養(yǎng)物轉(zhuǎn)動(dòng)。所述組織工程反應(yīng)器在培養(yǎng)的同時(shí)能夠在組織培養(yǎng)物上加載周期性軸向拉壓并使組織培養(yǎng)物能夠旋轉(zhuǎn)，具有良好的可調(diào)控性和良好的傳質(zhì)性能。
文檔編號(hào)C12M1/34GK101372664SQ20081011178
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者李晉川, 樊瑜波, 貢向輝, 鄒遠(yuǎn)文, 黃學(xué)進(jìn) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué);四川大學(xué)