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應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器的制作方法

文檔序號:454136閱讀:203來源:國知局
專利名稱:應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器的制作方法
技術領域
本實用新型涉及生物醫(yī)學工程中組織醫(yī)學工程技術中的細胞/組織培養(yǎng)器,特別是涉及一種具有應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器。
細胞培養(yǎng)技術和裝置的發(fā)展已有百余年歷史,但是,90年代中期以前,醫(yī)學界未能培養(yǎng)出具有與在體組織功能相同或相似的生物細胞/組織來。其主要原因是不可避免的重力作用使得細胞(或微載體)沉降于培養(yǎng)器底部,這樣細胞在培養(yǎng)器器壁之間的接觸抑制使得所培養(yǎng)的細胞不能真正三維生長,從而限制了細胞功能分化,長不成所需要的組織。另外一般生物化學工程中使用的生物反應器,如借助于機械攪拌(包括實驗室用的搖瓶、搖床等)或吹入氣體引起強迫對流等方法避免培養(yǎng)物沉降,并改善x營養(yǎng)供應。這種方法在微生物培養(yǎng)(如抗生素生產(chǎn))中是成功的,但對于哺乳動物細胞培養(yǎng)來說是不適宜的。因為(1)哺乳動物細胞培養(yǎng)比微生物‘嬌嫩’得多,機械攪拌造成的流動剪切和直接作用很容易損傷乃至破壞細胞,造成壞死。
(2)機械攪拌造成的流動剪切使得細胞難以(甚至不能)聚集,而細胞聚集是從細胞培養(yǎng)成組織的第一步。
空間微重力環(huán)境為細胞三維生長創(chuàng)造了條件,美國宇航局(NASA)從80年代中期著手發(fā)展空間生物反應器,90年代初期發(fā)展了旋轉(zhuǎn)式生物反應器(RWV)。在文獻[1]Culturinga Future,F(xiàn)all,1998,Microgravity News中有介紹;應用旋轉(zhuǎn)式生物反應器在低剪應力條件下實現(xiàn)了細胞三維培養(yǎng),并在1995、1997年兩次航天飛機搭載實驗中成功地培養(yǎng)出結腸癌等組織。經(jīng)組織切片觀察表明它具有和在體組織相似的結構,而且其尺寸比用傳統(tǒng)方法培養(yǎng)的組織大的多,達厘米量級。但是,該裝置是在兩個同步旋轉(zhuǎn)的同心圓筒之間進行細胞培養(yǎng),可以利用流體動力學效應,使細胞或微載體懸浮,進行三維培養(yǎng),而且流動剪應力趨于零。
但從生物力學的觀點來看,過分強調(diào)零剪應力對于培養(yǎng)功能高度分化的組織來說違背了生物力學的應力—生長適應性原理,因為(1)生物體內(nèi)的器官和組織都是在一定力學環(huán)境里發(fā)揮其功能的,正常生物條件下,活體器官、組織內(nèi)的應力(應變)分布應符合該組織、器官功能,而合理的應力分布是誘導細胞分化,長成具有和在體組織相同(或相似)功能的組織的重要條件。
(2)國外和我們關于流體動力對血管內(nèi)皮細胞生長的影響的研究均表明,在培養(yǎng)細胞的過程中應力是調(diào)控細胞結構和功能(基因表達)的一個重要的因素。在細胞離體培養(yǎng)過程中,力學環(huán)境不僅影響細胞的聚集、粘附(細胞—細胞,細胞—基質(zhì)表面等),還影響其微結構和基因表達,進而影響細胞間通訊和功能分化。合理的力學環(huán)境將誘導、維持、促進并優(yōu)化細胞的分化,形成一定的結構,長成具有特定功能的組織。
(3)實驗表明(i)細胞生長過程中必然在周圍介質(zhì)里造成應力(即細胞生長本身將改變自身的力學微環(huán)境)。(ii)細胞生長引起的應力導致周圍生物大分子排列有序化,可見應力是細胞間通訊的重要內(nèi)容,也是細胞功能分化、進行組織構建的一個重要的信號系統(tǒng)。
另外,以1997年進行的軟骨培養(yǎng)實驗為例,如表1所示,盡管地面上用RWV培養(yǎng)的關節(jié)軟骨GAG的含量及集合強度與天然軟骨無統(tǒng)計差異,但細胞含量及動力學剛度與天然軟骨有顯著差異。前者和軟骨組織的活性密切相關,而后者則是關節(jié)軟骨的功能的重要表征。關節(jié)軟骨是承受動力學載荷的組織,故從生物力學觀點來看,造成RWV系統(tǒng)培養(yǎng)的關節(jié)軟骨和天然軟骨這種重大差異的主要原因在于RWV系統(tǒng)中的應力不能滿足誘導并節(jié)軟骨功能分化的需要。
表1 RWV系統(tǒng)在地基和空間培養(yǎng)的軟骨組織的若干性能參數(shù)與天然軟
<p>本實用新型的目的在于克服已有技術存在的原理性缺陷,按應力—生長適應性原理,提供一種既可滿足細胞三維生長條件,又可隨著培養(yǎng)過程中細胞生長,聚集、功能分化的需要來調(diào)控培養(yǎng)介質(zhì)應力水平(從零剪應力到所培養(yǎng)細胞/組織的生理應力)以創(chuàng)造一個合理的力學環(huán)境,來誘導細胞功能定向分化的,生長成一定結構的、具有特定功能的細胞/組織的可對應力分布進行有效調(diào)控的應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型提供的應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器,包括由氣室、細胞培養(yǎng)室、培養(yǎng)液流動室三層同心圓筒套裝構成的培養(yǎng)器主體、底座上固定的支架、由馬達和變速器組成的傳動機構,供液-排液及供氣-排氣系統(tǒng),其特征在于筒壁上設有簍孔的內(nèi)筒外表面上貼敷有液/液交換膜,其內(nèi)腔為培養(yǎng)液流動室,筒壁上設有簍孔的中筒外表面上貼敷有氣/液交換膜,其內(nèi)腔為細胞培養(yǎng)室,外室筒壁上設有進氣孔和出氣孔,其內(nèi)腔為氣室,作為氣室的外筒固定在支架上,不作軸向旋轉(zhuǎn),而作為培養(yǎng)液流動室的內(nèi)筒和作為細胞培養(yǎng)室的中筒分別由各自的由馬達和變速器組成的傳動機構驅(qū)動作軸向旋轉(zhuǎn),其軸向旋轉(zhuǎn)的角速度相同或不同,作為培養(yǎng)液流動室的內(nèi)筒中同心地設置一根端部超出培養(yǎng)液流動室筒壁上設置的液/液交換膜軸向邊緣的細長培養(yǎng)液流動管,其進口端的內(nèi)筒上安裝一與支架固定的隔離器,隔離器為一空心圓柱體,其內(nèi)部徑向設置與其中心線垂直的培養(yǎng)液進口和代謝物出口,培養(yǎng)液進口和代謝物出口中分別安裝進液管和代謝物出液管,進液管與內(nèi)筒中設置的培養(yǎng)液流動管相連通,代謝物出液管與內(nèi)筒中培養(yǎng)液流動管管外的空腔,即代謝物環(huán)形回流通道相連通,隔離器中培養(yǎng)液進口和代謝物出口之間設置將其密封隔開的密封圈;供氣-排氣系統(tǒng)包括氣源、氣泵及輸氣管道,與氣泵相連的輸氣管道與外筒上的進氣口相連通;供液-排液系統(tǒng)包括培養(yǎng)液儲液器、液泵及輸液管道,與液泵相連的輸液管道與隔離器上的培養(yǎng)液進液管相連通。所述的氣源與氣室相連的輸氣管道上設有穩(wěn)壓、調(diào)壓閥,氣室的出氣口通過輸氣管道連接余氣收集器;隔離器上的代謝物出液管通過輸液管道連通阻尼器,阻尼器出口連通培養(yǎng)液透析器,培養(yǎng)液透析器出口分別連通代謝物收集器和氣/液交換器,氣/液交換器連通培養(yǎng)液儲液器,儲液器出口通過輸液管道與隔離器上的進液管相連通。
使用上述應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器對細胞/組織進行三維培養(yǎng),可按常規(guī)培養(yǎng)工藝將培養(yǎng)物、新鮮培養(yǎng)液裝入本實用新型的應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器內(nèi),培養(yǎng)條件與常規(guī)工藝的培養(yǎng)條件相同,特點是培養(yǎng)器內(nèi)應力可調(diào)控,即在細胞培養(yǎng)之初,作為細胞培養(yǎng)室的中筒及作為培養(yǎng)液流動室的內(nèi)筒軸向同步旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為5-40轉(zhuǎn)/分,此時,細胞培養(yǎng)室內(nèi)剪應力分布趨于零,隨著細胞培養(yǎng)過程細胞聚集體的形成,調(diào)控細胞培養(yǎng)室內(nèi)的剪應力由零剪應力到所培養(yǎng)細胞/組織的生理應力,在培養(yǎng)過程中,其供氣-排氣系統(tǒng)的氣源對氣室的供氣流量為0.4-10ml/min,供液-排液系統(tǒng)對細胞培養(yǎng)室的供液流量為0.1-10ml/min。
所述的細胞培養(yǎng)器內(nèi)剪應力可調(diào)控是這樣實現(xiàn)的在細胞培養(yǎng)之初,內(nèi)筒和中筒同步旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為5-40轉(zhuǎn)/分決定于不同培養(yǎng)物的尺度在培養(yǎng)介質(zhì)中的懸浮,轉(zhuǎn)速大于或等于培養(yǎng)物懸浮的最小角速度,隨著細胞培養(yǎng)過程細胞聚集體的形成,內(nèi)筒和中筒的軸向旋轉(zhuǎn)由同步旋轉(zhuǎn)變?yōu)椴顒有D(zhuǎn),并且可調(diào)控,其差動范圍為
所述的細胞培養(yǎng)室內(nèi)剪應力可調(diào)控通過調(diào)節(jié)內(nèi)筒的轉(zhuǎn)速和/或通過供液-排液系統(tǒng)中阻尼器調(diào)節(jié)液泵的輸出壓力和/或調(diào)節(jié)液泵的輸出壓力改變培養(yǎng)液流動室內(nèi)的壓力分布,來改變細胞培養(yǎng)室內(nèi)的二次流。
所述的細胞培養(yǎng)器內(nèi)剪應力可調(diào)控通過供氣-排氣系統(tǒng)中的穩(wěn)壓、調(diào)壓閥改變氣室內(nèi)壓力,以調(diào)節(jié)細胞培養(yǎng)室內(nèi)的壓力。
所述的細胞培養(yǎng)器內(nèi)剪應力可調(diào)控在培養(yǎng)液中加入調(diào)節(jié)細胞培養(yǎng)室內(nèi)介質(zhì)粘度,改變剪應力的無毒、有利細胞生長的粘度與培養(yǎng)液不同的添加物,所加入的添加物包括高分子右旋糖酐。
本實用新型原理根據(jù)流體力學原理若兩個同軸圓筒以等角速度旋轉(zhuǎn),經(jīng)過一定的時間,充滿于其間的粘性流體就會象固體一樣以和圓筒相同的角速度旋轉(zhuǎn),各層流體之間沒有相對運動,因而整個流場中流動剪應力為零,這就不會損傷細胞,而且有利于細胞聚集。而且在一定的角速度下,細胞、微載體細胞聚集體等可以借助于流體動力的作用,克服重力沉降而懸浮于培養(yǎng)液中,避免了與容器壁接觸而導致接觸抑止,從而確保細胞能真正三維生長。
本實用新型提供的應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器,按常規(guī)培養(yǎng)工藝將培養(yǎng)物、新鮮培養(yǎng)液裝入本實用新型的培養(yǎng)器內(nèi),培養(yǎng)條件和常規(guī)培養(yǎng)條件相同,其區(qū)別在于培養(yǎng)器內(nèi)剪應力可調(diào)控。在細胞培養(yǎng)之初,內(nèi)筒和中筒同步旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速決定于不同培養(yǎng)物(細胞、微載體、細胞—材料構架種植體)的尺度在培養(yǎng)介質(zhì)中的懸浮(不沉降條件),如


圖1所示。此時,介質(zhì)內(nèi)剪應力水平趨于零,有利于細胞聚集、粘附;而隨著細胞聚集體的形成,再把內(nèi)筒和中筒的旋轉(zhuǎn)變?yōu)椴顒有D(zhuǎn),來調(diào)控細胞培養(yǎng)室內(nèi)的剪應力分布,以誘導細胞功能的定向分化。剪應力水平的控制,因培養(yǎng)目標、生長狀況而異。應力調(diào)控可通過以下途徑實現(xiàn)(1)內(nèi)筒和中筒的旋轉(zhuǎn)差動旋轉(zhuǎn),在穩(wěn)定性界限內(nèi),流動剪應力水平的改變可達3~4個量級;(2)調(diào)節(jié)內(nèi)筒轉(zhuǎn)速,和/或通過供液-排液系統(tǒng)中的阻尼器和/或液泵的輸出壓力改變培養(yǎng)液流動室內(nèi)的壓力分布,從而改變細胞培養(yǎng)室內(nèi)的二次流,一達到調(diào)控細胞培養(yǎng)室內(nèi)介質(zhì)應力分布的目的;(3)通過供氣排氣系統(tǒng)中穩(wěn)壓、調(diào)壓閥調(diào)控進入氣室的氣流來改變氣室內(nèi)壓力,調(diào)節(jié)細胞培養(yǎng)室內(nèi)的壓力水平;(4)通過培養(yǎng)液供液-排液系統(tǒng),在培養(yǎng)液中加入添加物,調(diào)節(jié)細胞培養(yǎng)室內(nèi)介質(zhì)的粘度,以改變其剪應力水平,而實現(xiàn)從細胞培養(yǎng)開始時細胞培養(yǎng)室內(nèi)剪應力為零到隨細胞聚集體形成剪應力為所培養(yǎng)的細胞/組織的生理應力,所加入的添加物的添加的量視培養(yǎng)目標來定。
本實用新型的既可用于細胞懸浮培養(yǎng)、微載體培養(yǎng),亦可用於細胞—材料構架件聚集體等培養(yǎng)。至于培養(yǎng)液的組分則因培養(yǎng)對象而異。PH值、溫度等條件和常規(guī)的細胞培養(yǎng)相同。只是在必要時,可加入添加物調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的粘度和密度,以利于培養(yǎng)物懸浮,并改變介質(zhì)剪應力水平。所述的添加物包括高分子右旋糖酐等。
為維持細胞生長化學微環(huán)境的穩(wěn)態(tài),必須保證足夠的氧和營養(yǎng)的供應,并能及時帶走代謝產(chǎn)物。單純靠擴散是不能滿足需要的,而傳統(tǒng)生物反應器的攪拌或氣升法也是不適用的(會損傷細胞或改變其結構、功能)。這是細胞/組織三維培養(yǎng)器的又一關鍵技術問題。本實用新型的培養(yǎng)器具有合理的流體力學設計,既可形成一定強度的對流擴散,又可將流體動力控制在一個合理的范圍內(nèi),不致?lián)p傷細胞或?qū)е录毎Y構—功能的質(zhì)的改變。
本實用新型的培養(yǎng)器借助流體動力避免重力沉降,確保培養(yǎng)物懸浮三維生長。
本實用新型的效果1.本實用新型提供的應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器按照不同的培養(yǎng)對象(細胞、組織等),在不同的細胞培養(yǎng)階段,有效地調(diào)控細胞培養(yǎng)室內(nèi)介質(zhì)的剪應力分布,改善生長環(huán)境以利于細胞生長、運動、聚集、粘附,并誘導其分化,以形成所需要的特定組織。
2.本實用新型中培養(yǎng)液流動室、細胞培養(yǎng)室和氣室是三層同心圓筒,內(nèi)筒為培養(yǎng)液流動室,新鮮培養(yǎng)液進入培養(yǎng)液流動室,經(jīng)液/液交換膜進入細胞培養(yǎng)室,代謝物由液/液交換膜流出后,由于離心力的作用,形成二次流。從擴散輸運變?yōu)閷α鳌獢U散輸運,營養(yǎng)供應效率提高且趨于均勻,不易形成“死區(qū)”。另一方面,氣室在細胞培養(yǎng)室外側(cè),氧氣通過氣/液交換膜進入培養(yǎng)場后,可借助細胞培養(yǎng)室流動徑向壓力梯度傳向深部,同樣,細胞培養(yǎng)室內(nèi)介質(zhì)的二次流亦有利于氧輸運且趨于均勻。
3.本實用新型可通過供液-排液系統(tǒng)和供氣-排氣系統(tǒng)中阻尼器和泵,改變流動參數(shù),并對氧和培養(yǎng)液輸運進行在線調(diào)節(jié),從而提高對氧和營養(yǎng)輸運效率,以利于細胞生長、運動、聚集、粘附,并誘導其分化,以形成所需要的組織。
4.該培養(yǎng)器有自動供氣-排氣、供液-排液系統(tǒng),實現(xiàn)了在線供氣、供液的連續(xù)運行;并通過氣路上的穩(wěn)壓、調(diào)壓閥可調(diào)節(jié)培養(yǎng)液流動室內(nèi)壓力分布,而改變液/液交換膜的交換效率,利用流體動力效應,提高氧和營養(yǎng)物的輸運效率。
5.當其轉(zhuǎn)速和培養(yǎng)物尺寸符合一定的匹配條件時,該培養(yǎng)器也可在地面重力環(huán)境里使用,利用流體動力克服重力沉降,確保細胞三維生長,實現(xiàn)真正的三維培養(yǎng)。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細說明;附
圖1為本實用新型的培養(yǎng)器中培養(yǎng)物尺寸d和懸浮培養(yǎng)所需最低轉(zhuǎn)速示意圖;附圖2為本實用新型的隔離器結構示意圖;附圖3為本實用新型的三維培養(yǎng)器結構示意圖;附圖4為內(nèi)筒、中筒和外筒的轉(zhuǎn)速及半徑示意圖;附圖5為本實用新型三維培養(yǎng)器的輸液-排液路徑方塊圖附圖6為本實用新型三維培養(yǎng)器的輸氣-排氣路徑方塊圖其中細胞培養(yǎng)室1 液/液交換膜2 培養(yǎng)液流動室3進液管4 代謝物出液管5 隔離器6氣室7 氣/液交換膜8 進氣口9出氣口10 變速器11、12 馬達13、14支架15底座16 培養(yǎng)器主體17內(nèi)筒18中筒19 外筒20
培養(yǎng)液流動管21培養(yǎng)液進口22 代謝物出口23代謝物環(huán)形回流通道24 密封圈25 儲液器26液泵27輸液管道28阻尼器29透析器30 氣/液交換器31 代謝物收集器32氣源33穩(wěn)壓、調(diào)壓閥34輸氣管道35、36余氣收集器37 內(nèi)筒半徑R1中筒半徑R2外筒半徑R3內(nèi)筒轉(zhuǎn)速ω1中筒轉(zhuǎn)速ω2外筒轉(zhuǎn)速ω3實施例1按圖3制作一臺應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器,包括由氣室7、細胞培養(yǎng)室1、培養(yǎng)液流動室3三層同心圓筒套裝構成的培養(yǎng)器主體17、底座16上固定的支架15、由馬達和變速器組成的傳動機構,供液-排液及供氣-排氣系統(tǒng),其特征在于筒壁上設有簍孔的內(nèi)筒18外表面貼敷有液/液交換膜2,其內(nèi)腔為培養(yǎng)液流動室3,半徑為R1,由馬達13驅(qū)動的變速器11帶動培養(yǎng)液流動室3的軸轉(zhuǎn)動,培養(yǎng)液流動室3隨軸一起以角速度ω1旋轉(zhuǎn),通過貼敷在培養(yǎng)液流動室3外表面上的液/液交換膜2與細胞培養(yǎng)室1進行物質(zhì)交換,細胞獲得營養(yǎng),排出代謝產(chǎn)物;筒壁上設有簍孔的中筒19外表面貼敷有氣/液交換膜8,其內(nèi)腔為細胞培養(yǎng)室1,半徑為R2,由另一套馬達14驅(qū)動的變速器12帶動細胞培養(yǎng)室1的軸轉(zhuǎn)動,細胞培養(yǎng)室1隨軸一起以角速度ω2旋轉(zhuǎn);外筒20筒壁上設有進氣孔9和出氣孔10,其內(nèi)腔為氣室7,由進氣口9進入的新鮮氣體,在氣室7中通過貼敷在細胞培養(yǎng)室1外表面上的氣/液交換膜8進行氣體交換,為細胞培養(yǎng)室1提供氧氣,交換的二氧化碳氣由出氣口10排出,作為氣室7的外筒20固定在支架15上,不作軸向旋轉(zhuǎn),而作為培養(yǎng)液流動室3的內(nèi)筒18和作為細胞培養(yǎng)室1的中筒19分別由各自的由馬達13、14和變速器11、12組成的傳動機構驅(qū)動作軸向旋轉(zhuǎn),其軸向旋轉(zhuǎn)的角速度ω1和ω2相同或不同,作為培養(yǎng)液流動室3的內(nèi)筒18中同心地設置一根培養(yǎng)液流動管21,其進口端的內(nèi)筒上安裝一與支架15固定的隔離器6,隔離器6為一空心圓柱體,其內(nèi)部徑向設置與其中心線垂直的培養(yǎng)液進口22和代謝物出口23,培養(yǎng)液進口22和代謝物出口23中分別安裝進液管4和出液管5,進液管4與內(nèi)筒中設置的培養(yǎng)液流動管21的相連通,出液管5與內(nèi)筒內(nèi)腔中的代謝物環(huán)形回流通道24相連通,液泵19將新鮮培養(yǎng)液從固定在隔離機構6培養(yǎng)液進口管4泵入,隔離器6中培養(yǎng)液進口22和代謝物出口23之間及代謝物出口2的另一側(cè)分別設置將其密封隔開的密封圈25,供氣-排氣系統(tǒng)包括氣源、氣泵及輸氣管道,與氣泵相連的輸氣管道上裝有調(diào)壓、穩(wěn)壓閥并與外筒20上的進氣口9相連通,進氣口9入口處設有進氣濾膜,外筒20上的出氣口10通過輸氣管道連通余氣收集器。供液-排液系統(tǒng)包括培養(yǎng)液儲液器、液泵及輸液管道,與液泵相連的輸液管道與隔離器6上的培養(yǎng)液進液管4相連通,隔離器6上的代謝物出液管5通過輸液管道連通阻尼器,阻尼器出口連通培養(yǎng)液透析器,培養(yǎng)液透析器出口分別連通代謝物收集器及氣/液交換器,氣/液交換器連通培養(yǎng)液儲液器,培養(yǎng)液儲液器出口通過輸液管道及隔離器6上的進液管4與位于內(nèi)筒18中的培養(yǎng)液流動管21相連通。
平行的兩支架15支撐培養(yǎng)器主體17,一個馬達14固定其上;16為底座,另一個馬達固連其上培養(yǎng)液供液-排液系統(tǒng)的路徑,如圖5所示,在圖中26為鮮培養(yǎng)液儲液器,27為流量、壓力可調(diào)的液泵,28為培養(yǎng)液輸液管道,它與培養(yǎng)液進口管4相連,進入培養(yǎng)液流動室3經(jīng)代謝物出口管5流出,29為阻尼器,可采用可調(diào)節(jié)軟管松緊的夾持在輸氣管道的氣管夾子,其作用是調(diào)節(jié)細胞培養(yǎng)室1內(nèi)的氣體壓力分布,30是培養(yǎng)液透析器,31是氣/液交換器,培養(yǎng)器主體用聚碳酸脂材料制作,交換膜用市售的半透膜,以上所用的其他部件均是普通市售的,32是代謝物收集器,供液-排液系統(tǒng)中液泵27將新鮮培養(yǎng)液從儲液器26通過輸液管道28經(jīng)進液管4輸入培養(yǎng)液流動室3,通過貼敷在培養(yǎng)液流動室3筒壁上的液/液交換膜2,為細胞培養(yǎng)室1提供養(yǎng)份,代謝物經(jīng)出口管5流出,流出培養(yǎng)器的液體中,由于含有新鮮培養(yǎng)液,為節(jié)約原料,降低成本,將流出的液體通過阻尼器29送入培養(yǎng)液透析器30進行透析,透析后,將分離出來的代謝產(chǎn)物流入代謝產(chǎn)物收集器32,經(jīng)透析的培養(yǎng)液流經(jīng)氣/液交換器31,調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的氧含量和PH值,并添加營養(yǎng)和生長因子后流回培養(yǎng)液存儲器26,以供循環(huán)使用。
供氣-排氣系統(tǒng)的路徑,如圖6所示,在圖中33為氣源,為一儲有氧氣的氣瓶,34為穩(wěn)壓、調(diào)壓閥,市售的氣體穩(wěn)壓、調(diào)壓閥,35為輸氣管道,36為輸氣管道,均為普通氣管,37為余氣收集器;氣源33中的新鮮氣體經(jīng)穩(wěn)壓、調(diào)壓閥34調(diào)壓后,由輸氣管道35經(jīng)進氣口9進入氣室7,在氣室7經(jīng)氣/液交換膜8進行氣體交換,為細胞培養(yǎng)室1提供氧氣,交換后的二氧化碳氣體由氣室7的出氣口10和輸氣管道36流至余氣收集器37。
實施例2使用實施例1的培養(yǎng)器進行人胃癌細胞懸浮培養(yǎng),微載體可用一般材料,溫度、pH值條件和常規(guī)的細胞培養(yǎng)相同。只是在必要時加入高分子右旋糖酐添加物來調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的粘度和密度,以利于培養(yǎng)物懸浮,并改變介質(zhì)剪應力水平。其次,為維持細胞生長化學微環(huán)境的穩(wěn)態(tài),必須保證足夠的氧和營養(yǎng)的供應,并能及時帶走代謝產(chǎn)物。本實施例中的供氣供液系統(tǒng)對氣室供氣的供氣流量為0.4-10ml/min,供液-排液系統(tǒng)對細胞培養(yǎng)室供液的供液流量為0.1-10ml/min,在培養(yǎng)的初期,其培養(yǎng)器同步旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為5-40轉(zhuǎn)/分。通過本實用新型的培養(yǎng)器合理的流體力學設計,既可形成一定強度的對流擴散,又可將流體動力控制在一個合理的范圍內(nèi),不致?lián)p傷細胞或?qū)е录毎Y構,功能的質(zhì)的改變。
本實施例的培養(yǎng)條件與常規(guī)工藝的培養(yǎng)條件相同,特點是培養(yǎng)器內(nèi)應力可調(diào)控,即在細胞培養(yǎng)之初,作為細胞培養(yǎng)室的中筒及作為培養(yǎng)液流動室的內(nèi)筒軸向同步旋轉(zhuǎn),此時,細胞培養(yǎng)室內(nèi)應力分布趨于零,隨著細胞培養(yǎng)過程細胞聚集體的形成,調(diào)控細胞培養(yǎng)室內(nèi)的剪應力由零剪應力到所培養(yǎng)細胞/組織的生理應力。
本實施例所述的細胞培養(yǎng)器內(nèi)剪應力的調(diào)控是這樣實現(xiàn)的在細胞培養(yǎng)之初,內(nèi)筒和中筒同步旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速ω1=ω2,其轉(zhuǎn)速決定于不同培養(yǎng)物的尺度在培養(yǎng)介質(zhì)中的懸浮,即為胃癌細胞懸浮的最小角速度;隨著細胞培養(yǎng)過程細胞聚集體的形成,內(nèi)筒和中筒的軸向旋轉(zhuǎn)由同步變?yōu)椴顒有D(zhuǎn),ω1≠ω2,并且可調(diào)控。
本實施例所述的細胞培養(yǎng)器內(nèi)剪應力的調(diào)控液液可這樣實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)內(nèi)筒的轉(zhuǎn)速和/或通過供液-排液系統(tǒng)中阻尼器調(diào)節(jié)液泵的輸出壓力和/或調(diào)節(jié)液泵的輸出壓力改變培養(yǎng)液流動室內(nèi)的壓力分布,來改變細胞培養(yǎng)室內(nèi)的二次流。
本實施例所述的細胞培養(yǎng)器內(nèi)剪應力的調(diào)控還可以這樣實現(xiàn)通過供氣-排氣系統(tǒng)改變氣室內(nèi)壓力,來調(diào)節(jié)細胞培養(yǎng)室內(nèi)的壓力。
本實施例所述的細胞培養(yǎng)器內(nèi)剪應力的調(diào)控又可以這樣實現(xiàn)通過在培養(yǎng)液中加入調(diào)節(jié)細胞培養(yǎng)室內(nèi)介質(zhì)粘度,改變剪應力的添加物,添加物為dextran2000T高分子右旋糖酐。
權利要求1.一種應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器,包括由氣室、細胞培養(yǎng)室、培養(yǎng)液流動室三層同心圓筒套裝構成的培養(yǎng)器主體、底座上固定的支架、由馬達和變速器組成的傳動機構,供液-排液及供氣-排氣系統(tǒng),其特征在于筒壁上設有簍孔的內(nèi)筒外表面上貼敷有液/液交換膜,其內(nèi)腔為培養(yǎng)液流動室,筒壁上設有簍孔的中筒外表面上貼敷有氣/液交換膜,其內(nèi)腔為細胞培養(yǎng)室,外室筒壁上設有進氣孔和出氣孔,其內(nèi)腔為氣室,作為氣室的外筒固定在支架上,不作軸向旋轉(zhuǎn),而作為培養(yǎng)液流動室的內(nèi)筒和作為細胞培養(yǎng)室的中筒分別由各自的由馬達和變速器組成的傳動機構驅(qū)動作軸向旋轉(zhuǎn),其軸向旋轉(zhuǎn)的角速度相同或不同,作為培養(yǎng)液流動室的內(nèi)筒中同心地設置一根伸至超出培養(yǎng)液流動室筒壁上設置的液/液交換膜的軸向邊緣的細長培養(yǎng)液流動管,其進口端的內(nèi)筒上安裝一與支架固定的隔離器,隔離器為一空心圓柱體,其內(nèi)部徑向設置與其中心線垂直的培養(yǎng)液進口和代謝物出口,培養(yǎng)液進口和代謝物出口中分別安裝進液管和代謝物出液管,進液管與內(nèi)筒中設置的培養(yǎng)液流動管相連通,代謝物出液管與內(nèi)筒中培養(yǎng)液流動管管外的空腔,即代謝物環(huán)形回流通道相連通,隔離器中培養(yǎng)液進口和代謝物出口之間設置將其密封隔開的密封圈;供氣-排氣系統(tǒng)包括氣源、氣泵及輸氣管道,與氣泵相連的輸氣管道與外筒上的進氣口相連通;供液-排液系統(tǒng)包括培養(yǎng)液儲液器、液泵及輸液管道,與液泵相連的輸液管道與隔離器上的培養(yǎng)液進液管相連通。
2.按權利要求1所述的所述的應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器,其特征在于氣源與氣室相連的輸氣管道上設有穩(wěn)壓、調(diào)壓閥,氣室的出氣口通過輸氣管道連接余氣收集器。
3.按權利要求1所述的所述的應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器,其特征在于隔離器上的代謝物出液管通過輸液管道連通阻尼器,阻尼器出口連通培養(yǎng)液透析器,培養(yǎng)液透析器出口分別連通代謝物收集器和氣/液交換器,氣/液交換器連通培養(yǎng)液儲液器,儲液器出口通過輸液管道與隔離器上的進液管相連通。
專利摘要本實用新型涉及應力可調(diào)控旋轉(zhuǎn)式細胞/組織三維培養(yǎng)器,由三層同心圓筒套裝的內(nèi)、中、外筒即培養(yǎng)液流動室、細胞培養(yǎng)室、氣室,內(nèi)、中筒筒壁上分別有液/液交換膜和氣/液交換膜,并分別作軸向旋轉(zhuǎn),角速度相同或不同,與液泵相連的輸液管道與內(nèi)筒內(nèi)的流動管進口相通,與氣泵相連的輸氣管道與氣室進氣口相通;將培養(yǎng)物、培養(yǎng)液裝入培養(yǎng)器內(nèi),培養(yǎng)器內(nèi)剪應力隨著細胞聚集體的形成,從零調(diào)控至培養(yǎng)細胞/組織的生理應力。
文檔編號C12M3/00GK2396058SQ99254070
公開日2000年9月13日 申請日期1999年11月16日 優(yōu)先權日1999年11月16日
發(fā)明者陶祖萊, 姚永龍, 張奕毅, 高宇欣 申請人:中國科學院力學研究所
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