專(zhuān)利名稱(chēng):一種旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于生物設(shè)備制造工程領(lǐng)域,涉及一種細(xì)胞培養(yǎng)的生物反應(yīng)器系統(tǒng),特別涉及一種應(yīng)用于生物醫(yī)療工程、組織工程細(xì)胞培養(yǎng)的旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)器系統(tǒng)。
背景技術(shù):
生物反應(yīng)器系統(tǒng)是一種三維動(dòng)態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng),它克服了靜態(tài)培養(yǎng)存在諸多缺點(diǎn),如氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分布不均,只能靠擴(kuò)散來(lái)給細(xì)胞提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),而且所培養(yǎng)的細(xì)胞數(shù)量有限。這種動(dòng)態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)地主要優(yōu)點(diǎn)在于(1)在三維支架中能夠產(chǎn)生有效的、均勻的細(xì)胞種植,而且細(xì)胞數(shù)量很大;(2)能夠促進(jìn)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向支架內(nèi)部輸送,保持支架內(nèi)部細(xì)胞的活性和功能的發(fā)揮(3)能夠促進(jìn)支架中黏附生長(zhǎng)細(xì)胞的增殖、分化,分泌更多的細(xì)胞外基質(zhì),促進(jìn)骨組織再生;(4)成骨性細(xì)胞能夠沿著三維支架內(nèi)部微管道生長(zhǎng),產(chǎn)生具有一定幾何形狀的骨組織;(5)能夠排出更多的CO2,維持生理性PH值,為細(xì)胞代謝和功能發(fā)揮提供更有利的微環(huán)境;(6)培養(yǎng)液的流動(dòng)能夠?qū)?xì)胞產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力刺激,調(diào)節(jié)成骨性細(xì)胞功能的發(fā)揮。
目前已開(kāi)發(fā)出的生物反應(yīng)器系統(tǒng)有許多種,主要有旋轉(zhuǎn)燒瓶式生物反應(yīng)器(Spinner-flask bioreactors)、旋轉(zhuǎn)容器式生物反應(yīng)器(Rotating-wallvessels bioreactors)、中空纖維式生物反應(yīng)器(Hollow-fiberbioreactors)、直接灌注式生物反應(yīng)器(Direct perfusion bioreactors)、力學(xué)控制式生物反應(yīng)器(Bioreactors that apply controlled mechanicalforces)等。其中以旋轉(zhuǎn)式和灌注式生物反應(yīng)器的應(yīng)用較為廣泛。
生物反應(yīng)器系統(tǒng)主要是通過(guò)旋轉(zhuǎn)或灌注的方式,使貼附在支架上的細(xì)胞受到一定的剪切力,同時(shí)改善培養(yǎng)環(huán)境,促進(jìn)細(xì)胞各種功能的發(fā)揮。旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器是通過(guò)旋轉(zhuǎn)容器或利用磁力榜的旋轉(zhuǎn)促使培養(yǎng)液流動(dòng),來(lái)實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)培養(yǎng)的目的。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠使反應(yīng)器中的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分混合,使細(xì)胞在支架上的分布更佳均勻,利于貼附在支架表面的細(xì)胞各種功能的發(fā)揮。其缺點(diǎn)是支架內(nèi)部微孔或微管道的培養(yǎng)環(huán)境沒(méi)有得到改善,從而使微孔或微管道里所貼附的細(xì)胞功能發(fā)揮受到限制,細(xì)胞數(shù)量必然有限。而灌注式生物反應(yīng)器則彌補(bǔ)了旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器的不足,利用蠕動(dòng)泵連續(xù)不斷的將培養(yǎng)液灌注到支架內(nèi)部微孔或微管道,使微孔或微管道內(nèi)的培養(yǎng)環(huán)境得到很好的改善,促進(jìn)細(xì)胞功能的發(fā)揮,但是支架表面的細(xì)胞就很難生長(zhǎng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于,提出了一種旋轉(zhuǎn)式和灌注式各自?xún)?yōu)點(diǎn)相結(jié)合的旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)器系統(tǒng),即,在旋轉(zhuǎn)的同時(shí),利用蠕動(dòng)泵將培養(yǎng)液連續(xù)不斷的輸送到支架內(nèi)部微孔或微管道,使支架表面和內(nèi)部的培養(yǎng)環(huán)境同時(shí)得到改善。
實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案是,一種旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)器系統(tǒng),其特征在于,該系統(tǒng)包括一種旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)器系統(tǒng),其特征在于,該系統(tǒng)包括一個(gè)生物反應(yīng)器,用于細(xì)胞培養(yǎng),該生物反應(yīng)器上有醫(yī)用三通,其兩端有與蠕動(dòng)泵連通的泵管,生物反應(yīng)器內(nèi)固定設(shè)置有人工骨和人工骨夾具構(gòu)成的三維支架,該三維支架內(nèi)部有微孔或微管道,通過(guò)一端的硅橡膠軟管和生物反應(yīng)器外的泵管連通;在生物反應(yīng)器兩端各開(kāi)有四個(gè)扇形槽,扇形槽粘貼有半透膜,該半透膜用于生物反應(yīng)器內(nèi)外的氣體交換;在該生物反應(yīng)器兩端外徑還上設(shè)置有軸承,其中一端的外徑上還鑲嵌有一齒輪;一電機(jī),該電機(jī)與生物反應(yīng)器的齒輪連接,帶動(dòng)并控制生物反應(yīng)器旋轉(zhuǎn);一蠕動(dòng)泵,該蠕動(dòng)泵與生物反應(yīng)器兩端的泵管連接,培養(yǎng)液通過(guò)蠕動(dòng)泵連續(xù)或間斷的輸送到生物反應(yīng)器內(nèi)的三維支架內(nèi)部微孔或微管道中。
本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)器系統(tǒng),通過(guò)旋轉(zhuǎn)和灌注的方法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)細(xì)胞培養(yǎng),保持培養(yǎng)液中氧氣和二氧化碳的含量基本穩(wěn)定。促使細(xì)胞在支架表面的分布更佳均勻,促進(jìn)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向支架內(nèi)部微孔或微管道輸送,保持支架內(nèi)部細(xì)胞的活性,通過(guò)培養(yǎng)液的流動(dòng)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力刺激,調(diào)節(jié)細(xì)胞功能的發(fā)揮,同時(shí)通過(guò)反應(yīng)器兩端的半透膜實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)外氣體的實(shí)時(shí)交換。為細(xì)胞種植以及細(xì)胞/支架結(jié)構(gòu)體的體外培養(yǎng)提供一個(gè)優(yōu)良的、可控的三維環(huán)境,實(shí)現(xiàn)真正意義上(包括三維空間結(jié)構(gòu)支架和三維動(dòng)力性體外培養(yǎng))的三維動(dòng)態(tài)培養(yǎng)。
圖1所示為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主視圖;也是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖;圖2是圖1的俯視圖;圖3是生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖;圖4是圖2中端蓋和襯套的扇形槽示意圖。
上述圖1、2中所示的符號(hào)表示為1、底座,2、支撐,3、旋轉(zhuǎn)接頭,4、動(dòng)態(tài)密封圈,5、軸承擋圈,6、軸承,7、鍵,8、齒輪,9、左端蓋,10、左襯套,11、固緊螺釘,12、反應(yīng)器容器,13、人工骨,14、人工骨夾具,15、襯套,16、右端蓋,17、半透膜;18、蠕動(dòng)泵;19、永磁直流齒輪減速電機(jī),20、醫(yī)用三通,21、培養(yǎng)液,22硅橡膠軟管,23泵管。
以下結(jié)合附圖和申請(qǐng)人所完成的實(shí)施例及其本發(fā)明的原理作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1,本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)器系統(tǒng)包括一永磁直流齒輪減速電機(jī)19,用于帶動(dòng)和控制生物反應(yīng)器的旋轉(zhuǎn);灌注系統(tǒng),用于給生物反應(yīng)器內(nèi)提供培養(yǎng)液,該灌注系統(tǒng)包括蠕動(dòng)泵18和蠕動(dòng)泵配合的各種內(nèi)徑的泵管23;
生物反應(yīng)器,該生物反應(yīng)器包括底座1和支撐2,反應(yīng)器容器12通過(guò)軸承6設(shè)置在支撐2上,反應(yīng)器容器上有醫(yī)用三通20;在反應(yīng)器容器12的兩端對(duì)稱(chēng)設(shè)有左襯套10、右襯套15、左端蓋9、右端蓋16、軸承擋圈5、動(dòng)態(tài)密封圈4、旋轉(zhuǎn)接頭3,在左、右襯套與左、右端蓋上各開(kāi)有四個(gè)扇形槽24,扇形槽粘貼有半透膜17;該半透膜用于生物反應(yīng)器內(nèi)外的氣體交換;反應(yīng)器容器12的一端還設(shè)置有一齒輪8,該齒輪8通過(guò)鍵7鑲嵌在外徑上;反應(yīng)器容器12內(nèi)有由有人工骨13和人工骨夾具14構(gòu)成的三維支架,三維支架內(nèi)部有微孔或微管道,三維支架通過(guò)一端的硅橡膠軟管和生物反應(yīng)器外的泵管23連通;生物反應(yīng)器的兩端通過(guò)泵管23和蠕動(dòng)泵18連通,由蠕動(dòng)泵18提供培養(yǎng)液21;生物反應(yīng)器通過(guò)齒輪8和永磁直流齒輪減速電機(jī)19連接,由永磁直流齒輪減速電機(jī)19帶動(dòng)并控制旋轉(zhuǎn)。
培養(yǎng)液21通過(guò)蠕動(dòng)泵18連續(xù)不斷的輸送到固定在生物反應(yīng)器中的三維支架內(nèi)部微孔或微管道,流量可根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整,反應(yīng)器內(nèi)外氣體通過(guò)半透膜17實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交換,每4天通過(guò)生物反應(yīng)器上設(shè)置的醫(yī)用三通20更換廢舊培養(yǎng)液。
當(dāng)然,采用伺服電機(jī)或交流減速電機(jī)同樣可以控制生物反應(yīng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)。
本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)器系統(tǒng),可以很好的改善細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境,促進(jìn)細(xì)胞在三維支架上的分布更佳均勻,能夠促進(jìn)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向支架內(nèi)部輸送,保持支架內(nèi)部細(xì)胞的活性和功能的發(fā)揮,實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)外氣體實(shí)時(shí)交換,保證培養(yǎng)液中氧氣和二氧化碳的含量基本穩(wěn)定,維持生理性PH值,為細(xì)胞代謝和功能發(fā)揮提供更有利的微環(huán)境,而且培養(yǎng)液的流動(dòng)能夠?qū)?xì)胞產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力刺激,調(diào)節(jié)成骨性細(xì)胞功能的發(fā)揮。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)器系統(tǒng),其特征在于,該系統(tǒng)包括一個(gè)生物反應(yīng)器,用于細(xì)胞培養(yǎng),該生物反應(yīng)器上有醫(yī)用三通,其兩端有與蠕動(dòng)泵連通的泵管,生物反應(yīng)器內(nèi)固定設(shè)置有人工骨和人工骨夾具構(gòu)成的三維支架,該三維支架內(nèi)部有微孔或微管道,通過(guò)一端的硅橡膠軟管和生物反應(yīng)器外的泵管連通;在生物反應(yīng)器兩端各開(kāi)有四個(gè)扇形槽,扇形槽粘貼有半透膜,該半透膜用于生物反應(yīng)器內(nèi)外的氣體交換;在該生物反應(yīng)器兩端外徑還上設(shè)置有軸承,其中一端的外徑上還鑲嵌有一齒輪;一電機(jī),該電機(jī)與生物反應(yīng)器的齒輪連接,帶動(dòng)并控制生物反應(yīng)器旋轉(zhuǎn);一蠕動(dòng)泵,該蠕動(dòng)泵與生物反應(yīng)器兩端的泵管連接,培養(yǎng)液通過(guò)蠕動(dòng)泵連續(xù)或間斷的輸送到生物反應(yīng)器內(nèi)的三維支架內(nèi)部微孔或微管道中。
2.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)器系統(tǒng),其特征在于,所述的微電機(jī)為永磁直流齒輪減速電機(jī)或伺服電機(jī)或交流減速電機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)器系統(tǒng),其特征在于,所述的旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)設(shè)有動(dòng)態(tài)密封圈。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種旋轉(zhuǎn)灌注式生物反應(yīng)器系統(tǒng),即通過(guò)旋轉(zhuǎn)和灌注的方法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)細(xì)胞培養(yǎng),促使細(xì)胞在支架表面的分布更佳均勻,促進(jìn)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向支架內(nèi)部微孔或微管道輸送,保持支架內(nèi)部細(xì)胞的活性,通過(guò)培養(yǎng)液的流動(dòng)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力刺激,調(diào)節(jié)細(xì)胞功能的發(fā)揮,同時(shí)通過(guò)反應(yīng)器兩端的半透膜實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)外氣體的實(shí)時(shí)交換。為細(xì)胞種植以及細(xì)胞/支架結(jié)構(gòu)體的體外培養(yǎng)提供一個(gè)優(yōu)良的、可控的三維環(huán)境,實(shí)現(xiàn)真正意義上(包括三維空間結(jié)構(gòu)支架和三維動(dòng)力性體外培養(yǎng))的三維動(dòng)態(tài)培養(yǎng)。
文檔編號(hào)C12M3/00GK1635108SQ20041007331
公開(kāi)日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2004年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月25日
發(fā)明者李滌塵, 李祥, 盧秉恒, 王臻, 王林 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)