[發(fā)明專利]動(dòng)態(tài)載荷與循環(huán)灌流生物反應(yīng)器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010249985.3
• 申請(qǐng)日: 2010-08-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101899393A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張西正;侍才洪;陳學(xué)忠;寧波;郭勇;李瑞欣;關(guān)靜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所
• 主分類號(hào): C12M3/00
• 分類號(hào): C12M3/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 程毓英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于骨組織工程與細(xì)胞生物力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種用于組織工程骨的動(dòng)態(tài)培養(yǎng)和研究三維培養(yǎng)條件下動(dòng)態(tài)壓應(yīng)變對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等細(xì)胞生長(zhǎng)及分化影響的生物反應(yīng)器。

背景技術(shù)

近年來(lái)有關(guān)生物組織應(yīng)力-生長(zhǎng)關(guān)系的研究表明，從器官、組織到細(xì)胞、亞細(xì)胞等各個(gè)層次上的生命運(yùn)動(dòng)都是在一定力學(xué)環(huán)境中進(jìn)行的。應(yīng)力和生長(zhǎng)的關(guān)系在細(xì)胞水平上主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：?jiǎn)蝹€(gè)細(xì)胞的生物學(xué)行為，如增殖、形態(tài)和分泌功能等的影響；群體細(xì)胞組織的整體行為影響，如成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞功能的增強(qiáng)，骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞在對(duì)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程中的相互影響、力學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)以及基因的表達(dá)等。由于體內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，細(xì)胞的體外分離培養(yǎng)技術(shù)為研究細(xì)胞生理、病理現(xiàn)象提供了一種可行的研究方法，而利用組織工程原理，在體外三維培養(yǎng)條件下進(jìn)行應(yīng)力加載，也是目前細(xì)胞力學(xué)研究中的重要方法。

目前在組織工程研究中使用的有代表性的生物反應(yīng)器包括(1)攪拌式生物反應(yīng)器；(2)旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器；(3)中空纖維式生物反應(yīng)器；(4)直接灌流式生物反應(yīng)器；(5)應(yīng)力加載式生物反應(yīng)器等，模擬正常生理?xiàng)l件下的力學(xué)環(huán)境。但真正適合對(duì)組織工程骨在體外長(zhǎng)期培養(yǎng)的同時(shí)予以力學(xué)載荷的生物反應(yīng)器卻甚少，而且他們都與擬申請(qǐng)的專利有很大的不同。

關(guān)于用于骨組織和組織工程化培養(yǎng)物的應(yīng)力加載的生物反應(yīng)器，國(guó)內(nèi)外僅有少量文獻(xiàn)和專利報(bào)道；其動(dòng)態(tài)應(yīng)力或應(yīng)變加載的動(dòng)力系統(tǒng)也主要是采用步進(jìn)電機(jī)類，而且存在許多不足，如應(yīng)力或應(yīng)變加載及數(shù)據(jù)的跟蹤記錄不夠精確；無(wú)法同時(shí)對(duì)組織培養(yǎng)物進(jìn)行真正有效的長(zhǎng)期無(wú)菌條件下的灌流培養(yǎng)；實(shí)用性能差、實(shí)驗(yàn)效率低等。我們前期開(kāi)發(fā)的壓電陶瓷加載裝置與國(guó)外報(bào)道的同類研發(fā)產(chǎn)品也均存在上述的不足。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的力學(xué)刺激型生物反應(yīng)器的不足，該裝置可廣泛應(yīng)用于組織工程、細(xì)胞生物力學(xué)等方面的研究工作。

本發(fā)明的三維灌流培養(yǎng)與動(dòng)態(tài)壓應(yīng)變加載的生物反應(yīng)器，可通過(guò)三維循環(huán)灌流培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期的無(wú)菌培養(yǎng)，同時(shí)定期通過(guò)壓電陶瓷加載裝置對(duì)組織工程骨培養(yǎng)物施加一定頻率的動(dòng)態(tài)壓應(yīng)變。該壓電陶瓷加載裝置以配置有位移傳感器的智能封裝壓電陶瓷作為加載動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)或液晶面板在線修改輸出波形的類型、頻率、振幅和偏置等，通過(guò)內(nèi)置位移傳感器實(shí)現(xiàn)位移的閉環(huán)控制和精確定位控制。壓電陶瓷活動(dòng)端的位移變化通過(guò)加載棒傳輸?shù)浇M織工程培養(yǎng)物的支架材料上，產(chǎn)生相應(yīng)的微應(yīng)變。壓電陶瓷的頻率輸出范圍為0～1000Hz，其活動(dòng)端產(chǎn)生的伸長(zhǎng)位移范圍為0～105微米，精度達(dá)到滿行程的千分之一(如：以50微米為指定的位移，則其數(shù)值記錄的精度為0.05微米)。可對(duì)組織工程培養(yǎng)物產(chǎn)生的應(yīng)變范圍為：0～20000με(以厚度為5mm組織塊作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn))。

本發(fā)明采用具有位移反饋的壓電陶瓷動(dòng)態(tài)壓應(yīng)變加載系統(tǒng)，結(jié)合三維循環(huán)灌流培養(yǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建一種既可以用于三維培養(yǎng)條件下研究動(dòng)態(tài)壓應(yīng)變對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等細(xì)胞生長(zhǎng)、分化的影響，又可以用于組織工程骨長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)培養(yǎng)的生物反應(yīng)器。整個(gè)生物反應(yīng)器系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性高，無(wú)菌密封性能好，加載應(yīng)變輸出精度高，數(shù)據(jù)跟蹤記錄及時(shí)、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。技術(shù)效果具體如下：

(1)通過(guò)升降調(diào)節(jié)螺桿和緊固螺桿的雙向調(diào)節(jié)，既可將壓電陶瓷推進(jìn)到既定的位置，又可以將其鎖定，消除了因螺桿的回程而產(chǎn)生的松動(dòng)，避免壓電陶瓷工作時(shí)發(fā)生漂移；

(2)利用本發(fā)明的生物反應(yīng)器，可以構(gòu)成由三維立體培養(yǎng)艙模塊、培養(yǎng)液池、多通道雙向蠕動(dòng)泵和連接管組成的多通道三維循環(huán)灌流培養(yǎng)系統(tǒng)，使用流速可調(diào)的多通道蠕動(dòng)泵作為循環(huán)灌流的動(dòng)力單元，可同時(shí)對(duì)多個(gè)培養(yǎng)艙進(jìn)行灌流，既可用于組織培養(yǎng)物的長(zhǎng)期培養(yǎng)也可以安裝于壓電陶瓷加載裝置上進(jìn)行應(yīng)力加載；

(3)加載動(dòng)力系統(tǒng)采用配置位移傳感器的智能封裝壓電陶瓷作為加載動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的調(diào)控為組織工程培養(yǎng)物提供頻率、類型(方波、正弦波、三角波等)、振幅可調(diào)的波形，并可實(shí)時(shí)顯示頻率、位移的大小，位移精度達(dá)到滿行程的千分之一；

(4)限流柱有效地控制了培養(yǎng)液的流通途徑，限流柱與加載棒的配合使用，封堵了培養(yǎng)液在加載物上面流通的路徑，使培養(yǎng)液只能通過(guò)加載物處的空隙實(shí)現(xiàn)流通，這樣的設(shè)計(jì)有利于更新培養(yǎng)液及控制液面高度，使加載物內(nèi)部的細(xì)胞可以充分吸收到新鮮的培養(yǎng)液和排除新陳代謝的產(chǎn)物，并能夠大大節(jié)約培養(yǎng)液的用量；

(5)通過(guò)預(yù)緊彈簧可以使得加載棒與組織培養(yǎng)物緊密接觸，又可避免加載棒的重量施加在組織培養(yǎng)物上；