[實用新型]雙環路振蕩灌注式生物反應系統

有效

• 申請號: 201320199163.8
• 申請日: 2013-04-19
• 公開（公告）號: CN203222591U
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 金丹;夏立恒;余斌;郭小磊;王磊;周健;張永濤;梅剛
• 申請（專利權）人: 南方醫科大學南方醫院
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司 44202
• 代理人: 劉宇峰

技術領域

本實用新型屬于生物醫學工程領域，涉及一種使用組織工程技術構建人工組織或器官的生物反應器，尤其是涉及應用于種子細胞與生物材料共培養的雙環路振蕩灌注式生物反應系統。?

背景技術

?當前組織工程研究主要包括四個方面：種子細胞、生物材料、工程化組織或器官的體內、外構建以及組織工程的臨床應用。組織工程的核心是建立由細胞和生物材料構成的三維空間復合體，模擬細胞在體內的立體生存環境，更有助于細胞本質特性的發揮，這與傳統的二維培養（細胞培養）方式有著本質的區別。隨著三維細胞培養技術的興起，越來越多的研究著眼于如何提高生物材料內部種子細胞的增殖速率和功能發揮，以便更快、更好的獲得滿足科研和臨床需要的工程化組織或器官。生物反應器以其能夠對細胞進行動態三維培養、細胞增殖代謝快、可以模擬體內應力環境等特點得到了越來越多的關注。?

????目前市面上常見的生物反應器有攪拌式生物反應器、氣升式生物反應器、旋轉壁式生物反應器、膜式生物反應器、灌注式生物反應器等。

????攪拌式生物反應器的主要原理是通過葉輪或攪拌器轉動培養液，以此提高培養液內細胞的物質交換效率。它的優點在于確保了細胞培養的氧濃度和培養液內養分的均衡；其缺點是由于攪拌器轉動產生的剪切應力很大，在蛋白質含量較高的培養基中易產生大量氣泡，因此不適用于組織工程領域細胞和組織的培養。該反應器廣泛應用于發酵工業和酶工業。?

????氣升式生物反應器的主要原理是在反應器底部設置一個氣體噴嘴，外源性空氣或者氧氣以氣泡的形式從下部上升，通過氣體上升的過程促進氣體交換。它的優點是有較高的傳質效率，培養液的濃度較均勻，工作狀況柔和，操作簡單；其缺點是操作彈性小，尤其是在低流速，反應器高、直徑大，高密度微載體培養時，混合性能欠佳。盡管其剪切應力較機械攪拌小，但氣泡離開液面破裂瞬間所產生的剪切力仍會對細胞造成損傷。該反應器多應用于動植物細胞的培養研究和生產。

旋轉壁式生物反應器的原理是將培養液及培養物共置于2個同軸的內外圓筒之間，在步進電動機的帶動下，充滿培養液的圓柱形懸浮培養容器和其內的培養物會一起繞水平軸作旋轉運動，模擬微重力環境，具有低剪切力、傳質效率高，容積利用率高、可進行細胞或組織培養等優點；但缺點在于因為剪切力小，支架內部微孔道內的微環境不能有效得到改善,而且制約其實際操作的因素較多，例如：當需要加快轉速提高其傳質效果時，轉速同時受到抵抗細胞沉降不與內外壁碰撞以及動物細胞脆性的限制；當需要提高氧分壓增加液體內溶氧度時，過高的氧分壓又會抑制代謝物的排除和產生氣泡，影響細胞的正常生長。因此，該反應器很難得到推廣應用。?

膜式生物反應器的主要原理是通過一個起傳質作用的超濾膜進行氣體和物質交換。它的優點是避免了反應器內產生氣泡和流體剪切應力，作為一種溫和的培養方式，適用于容易受到剪應力破壞的細胞培養；其缺點在于膜的通透性會增加反應系統污染的可能性，而且在高濃度細胞培養時，如果不能及時更新系統內的培養液，僅通過膜交換的方式難以滿足大量細胞培養對營養物質的需求。?

????灌注式生物反應器的原理是通過蠕動泵的作用，不斷泵入新鮮培養基，泵出代謝廢產物，通過對灌流速率的調節可以使細胞之間的物質傳遞、種子細胞-生物材料復合體內細胞外基質的截留以及流體產生的剪切力之間達到平衡，組織培養性強。但是，如何最大限度地減少非灌流路徑和無效循環，提高灌注效率，一直是亟待突破的問題；灌注培養單一平面的應力刺激難以模仿細胞的在體力學環境也是近來的研究熱點，即便對生物材料的預處理可以提高工程化組織的構建效率，卻在無形中增加了生產成本，不具有普適性；而且，重復灌注同一培養液難免會造成代謝廢物的堆積，而不斷灌注新的培養液，丟棄含有代謝廢物的培養液又會大大提高生產成本，如何通過低成本便可獲得高效、質優的工程化組織是生物醫學工程領域需要解決的一個難題。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種適用于種子細胞和生物材料共培養的雙環路振蕩灌注式生物反應系統，該生物反應系統在組織或器官體外構建過程中實現了振蕩和灌注方法的結合，有效減少了無效循環，保證生物材料內部的種子細胞可以得到充分的物質交換和應力刺激，促進種子細胞增殖和功能發揮，縮短培養周期，提高工程化組織的生產效率；該生物反應系統內灌注換液通路和灌注培養通路兩個環路之間可自由切換，降低培養液消耗，節約生產成本；灌注培養裝置的圓盤內有多個灌注器，每個灌注器可分別容納不同種類的多個支架，能夠滿足大規模分類培養的需要，并且結構簡單，易于推廣。?