DE102012101078A1 - Stimulation cell and method for in vitro stimulation of cells or tissues - Google Patents
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Abstract
Stimulationszelle und Verfahren zur in vitro Stimulation von Zellen oder Geweben in einer Stimulationszelle. In der Stimulationszelle sind in einem Innenraum (10) der Stimulationszelle ein Träger (36), der wenigstens über Bereiche seiner Oberfläche durch Zellen oder Gewebe besiedelbar ist und mindestens ein Aktor, der so ausgeführt ist, dass durch ihn topisch auf der Oberfläche des Trägers (36) ein dosierbarer Gradient mit einer das Wachstum der Zellen oder Gewebe stimulierenden Wirkung hervorrufbar ist, vorhanden. Zur Durchführung des Verfahrens werden die Schritte des Einbringens eines die Zellen oder Gewebe tragenden Zellsubstrats (20) in einen Innenraum (10) einer Stimulationszelle; des Einlegens eines Trägers (36), der mindestens über besiedelbare Bereiche seiner Oberfläche durch die Zellen oder Gewebe besiedelbar oder bereits besiedelt ist, in eine Aufnahmevorrichtung (30) in dem Innenraum (10) der Stimulationszelle; des Einbringens eines Mediums (M) zur physiologischen Versorgung der Zellen oder Gewebe und des Hervorrufens mindestens eines dosierbaren, topischen Gradienten mit einer das Wachstum der Zellen oder Gewebe stimulierenden Wirkung auf der Oberfläche des Trägers (36), durchgeführt.Stimulation cell and method for in vitro stimulation of cells or tissues in a stimulation cell. In the stimulation cell, an interior (10) of the stimulation cell has a carrier (36) which can be colonized by cells or tissue at least over areas of its surface and at least one actuator which is designed to be topically disposed on the surface of the carrier ( 36) a meterable gradient with a growth of the cells or tissue stimulating effect is evoked present. To carry out the method, the steps of introducing a cell substrate or tissue-carrying cell substrate (20) into an interior space (10) of a stimulation cell; inserting a carrier (36) which can be colonized or already populated by the cells or tissue over at least populated areas of its surface, into a receiving device (30) in the interior (10) of the stimulation cell; the introduction of a medium (M) for the physiological care of the cells or tissues and the elicitation of at least one dosable, topical gradient with a cell or tissue stimulating effect on the surface of the carrier (36).
Description
Die Erfindung betrifft eine Stimulationszelle und ein Verfahren zur in vitro Stimulation von Zellen oder Geweben.The invention relates to a stimulation cell and a method for in vitro stimulation of cells or tissues.
Im Rahmen des sogenannten Tissue-Managements wurden seit den neunziger Jahren des letzten Jahrhunderts Bioreaktoren entwickelt, modifiziert und auch patentiert. Diese zeichneten sich vor allem durch die Nutzung der Fluidik bzw. Mikrofluidik aus, die die sonst fehlenden Nähr-, Wirk- und Signalstoff-Versorgung quasi in vitro abzubilden versuchen und somit auch eine Signaltransduktion und Taxien implementierten. Die Fluidik wurde insbesondere für die zelluläre Besiedlung von Scaffolds bedeutsam. Exemplarisch seien hier die
In
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In zahlreichen wissenschaftlichen Arbeiten werden elektrische Anordnungen, z. T. in Gestalt von Kammern, mit Zellen und/oder Mikroorganismen beschrieben, die eine Analyse der entsprechenden Einflüsse von elektrischen Feldern und/oder Strömen zu Gegenstand haben. Ihnen gemeinsam sind in der Regel statische, unveränderliche Anordnungen von Elektroden, die nur durch in ihren elektrischen Parametern (Betrag, Stromrichtung und Frequenz) veränderlich betrieben werden können. Meist werden ein oder zwei parallele Elektrodenpaare, teilweise orthogonal zueinander stehend, verwendet, die entweder im bzw. zum Medium elektrisch leitend (Stromfluss) oder elektrisch isoliert (Spannung/elektrisches Feld) ausgebildet sind. Die Paare befinden sich dabei in der Regel in einer gemeinsamen Ebene und wirken in ihrer Vorzugsrichtung weitgehend planar. Deshalb dienen diese Vorrichtungen nicht einem räumlichen tissue engineering an dreidimensionalen Implantatkörpern, sondern vorrangig der Erforschung des Verhaltens von Zellen und Mikroorganismen unter dem Einfluss definierter Gradienten.In numerous scientific work electrical arrangements, eg. T. in the form of chambers, described with cells and / or microorganisms, which have an analysis of the corresponding influences of electric fields and / or currents to object. Common to them are usually static, invariable arrangements of electrodes, which can only be operated variably by their electrical parameters (magnitude, current direction and frequency). Usually one or two parallel pairs of electrodes, partially orthogonal to each other, are used, which are formed either in or to the medium electrically conductive (current flow) or electrically isolated (voltage / electric field). The pairs are usually in a common plane and act largely planar in their preferred direction. Therefore, these devices are not used for spatial tissue engineering on three-dimensional implant bodies, but primarily for research into the behavior of cells and microorganisms under the influence of defined gradients.
Beispielhaft seien die Arbeiten von
Ebenfalls bekannt sind Schriften zum stimulativen Einfluss von gepulsten elektromagnetischen bzw. magnetischen Feldern auf das Wachstum vorrangig von Knochen-, Knorpel- und Muskelgewebe. So wurde in zwei Übersichtspublikationen von
Leider wurden die Techniken der Stimulation (DC/AC elektrisch leitend, DC/AC elektrisch isoliert, magnetisch) in diesen Studien als gleichwertig angesehen. Eine Zusammenfassung in dieser Art ist unter Vorbehalt zu betrachten, obwohl eine gute Übersicht über die klinischen Studien gegeben wird. Abgesehen von der Vergleichbarkeit der oben genannten Verfahren, sind bereits die PEMF(PEMF = Pulsed Electro Magnetic Field)-Studien durch die Vielzahl der verschiedenen Stimulationsparameter und unterschiedlichen Behandlungszeiten kritisch zu werten. Vielen der angegebenen Literaturstellen mangelt es an der exakten Angabe von Stimulationsparametern. Es ist oft nicht nachvollziehbar, welche Flussdichten, Frequenzen und Amplituden verwendet wurden. Unfortunately, the techniques of stimulation (DC / AC electrically conductive, DC / AC electrically isolated, magnetic) were considered equivalent in these studies. A summary of this kind is to be considered with reservations, although a good overview of the clinical trials is given. Apart from the comparability of the above-mentioned methods, the PEMF (Pulsed Electro Magnetic Field) (PEMF) studies are already critical due to the large number of different stimulation parameters and different treatment times. Many of the cited references lack the exact indication of stimulation parameters. It is often incomprehensible which flux densities, frequencies and amplitudes were used.
In Tab. 1 sind kommerzielle Stimulationsgeräte mit den begleitenden technischen Parametern aufgelistet.
Aus Tabelle 1 geht hervor, dass sich die physikalischen Zielgrößen um mehrere Größenordnungen unterscheiden. Die Arbeiten beschäftigten sich mit dem Einfluss der Feldgrößen auf die Wirksamkeit von elektromagnetischen Verfahren und beschrieben vor allem die niederfrequenten kontinuierlich sinusförmigen Signale im Frequenzbereich von unter 120 Hz als wirksam, mit einem Maximum bei 15–30 Hz.Table 1 shows that the physical targets differ by several orders of magnitude. The work dealt with the influence of the field quantities on the effectiveness of electromagnetic methods and described above all the low frequency continuous sinusoidal signals in the frequency range below 120 Hz as effective, with a maximum at 15-30 Hz.
Studien mit einem EBM-Level 1 (EBM = Evidenzbasierte Medizin) und zahlreiche weitere Studien mit niedrigeren EBM-Level sind vorhanden.Studies with an EBM Level 1 (EBM = Evidence-based Medicine) and numerous other studies with lower EBM levels are available.
Obwohl die Literatur zahlreich ist und sich mit anderen additiven Therapiekonzepten messen kann, wie der Stoßwelle, Ultraschall oder Bone-Matrix-Proteinen, überrascht es nicht, dass die elektromagnetischen Therapieformen bislang keinen Durchbruch erzielt haben. Dem Anwender wird durch die Vielzahl kommerzieller Geräte mit sehr unterschiedlichen Parametern die Wahl des optimalen Geräts nahezu unmöglich gemacht. Zudem fehlen bisher standardisierte Therapieoptionen, da sich einerseits die von den Forscherteams angewandten Felder hinsichtlich ihrer physikalischen Kenngrößen erheblich unterscheiden, und andererseits ein allgemein anerkannter Wirkmechanismus noch nicht beschrieben wurde. Damit fehlen auch Studienprotokolle für die Behandlung.Although the literature is numerous and can compete with other additive therapy concepts, such as shockwaves, ultrasound or bone matrix proteins, it is not surprising that electromagnetic therapy has so far not achieved a breakthrough. Due to the large number of commercial devices with very different parameters, the choice of the optimal device is almost impossible for the user. In addition, standardized therapeutic options are lacking because, on the one hand, the fields used by the research teams differ significantly in terms of their physical parameters, and on the other hand, a generally recognized mechanism of action has not yet been described. This also lacks study protocols for the treatment.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass zahlreiche suppressive und stimulative Verfahren und Methoden in in vitro und zum Teil auch in in vivo Studien erforscht und mehr oder minder validiert worden sind. Deutlich weniger konnten diese Entwicklungen human in situ bzw. für in situ Anwendungen realisiert werden. Es gibt sehr viele experimentelle Untersuchungen mit zum Teil sehr signifikanten Ergebnissen, aber kaum randomisierte klinische Studien.In summary, it can be stated that numerous suppressive and stimulative methods and methods have been researched and more or less validated in in vitro and partly also in in vivo studies. Much less could these developments be realized in situ or for in situ applications. There are many experimental studies with very significant results, but hardly any randomized clinical trials.
Alle vorstehend genannten Erfindungen, publizierten in vitro Anordnungen, Stimulations- und Suppressionsverfahren sowie die in Anwendung befindlichen oder kommerziell vertriebenen Produkte bilden in vitro die in situ Situation von dreidimensionalen Implantatformkörpern nicht ab. Auch wird eine Spaltsituation jeweils zwei gegenüberliegender Grenzflächen mit einem mehr oder weniger großem Spalt nicht abgebildet. Die in situ ablaufende dreidimensionale Zell-/Gewebeentwicklung/-anpassung als Konduktion und/oder Induktion sowie spaltüberbrückende und gerüstausfüllende Integration durch An- bzw. Heranwachsen bzw. Volumenausfüllung findet so quasi nicht statt. Außerdem wird bei all diesen Anordnungen der gravitative Aspekt bei der Zell-/Gewebeentwicklung vernachlässigt bzw. durch Fluidanordnungen aufgehoben, obwohl das atypische „Abflachen” von kultivierten Zellen auf dem Boden von Kulturschalen bzw. auf nichtorganischen Membranen hinreichend bekannt ist. All of the abovementioned inventions, published in vitro arrangements, stimulation and suppression methods as well as the products in use or sold commercially do not depict the in situ situation of three-dimensional implant shaped bodies in vitro. Also, a gap situation of two opposing interfaces with a more or less large gap is not shown. The in-situ three-dimensional cell / tissue development / adaptation as conduction and / or induction as well as gap-bridging and scaffolding-filling integration through growth or filling in of volume virtually does not take place. In addition, in all these arrangements, the gravitational aspect in cell / tissue development is neglected or abolished by fluid arrangements, although the atypical "flattening" of cultured cells on the bottom of culture dishes or on non-organic membranes is well known.
Die räumliche Verteilung von Zellen/Geweben inklusive der extrazellulären Matrix (= EZM) auf dreidimensionalen Formkörpern, d. h. die Besiedelung von Implantaten mit vorzugsweise autologen Zellen, sowie deren zeitlichen Abfolgen bezüglich der Schichtbildung, Vernetzung und EZM erfordert im Unterschied zu den oben genannten Techniken, Anordnungen und Verfahren eine Transformation der planaren Stimulations-/Suppressionsmodelle/-anordnungen/-verfahren in den in vitro abgebildeten in situ dreidimensionalen Raum. Dafür muss die Gesamtbesiedlungsfläche daher sinnvollerweise erst topographisch in Teilflächen aufgelöst werden.The spatial distribution of cells / tissues including the extracellular matrix (= ECM) on three-dimensional shaped bodies, d. H. the colonization of implants with preferably autologous cells, and their temporal sequences with respect to the layer formation, crosslinking and ECM, in contrast to the above-mentioned techniques, arrangements and methods requires a transformation of the planar stimulation / Suppressionsmodelle / -anordnungen / -verfahren in the in vitro imaged three-dimensional space in situ. Therefore, the total settlement area has to be resolved topographically into subareas.
Im Unterschied zu den fluidischen Bioreaktoren, die chemotaktische Gradienten in Gestalt von Wachstumsfaktoren einbringen, sowie mittels der fluidikbasierten Mechanotransduktion der Zellen stimulativ wirken, ist eine in situ nahe Besiedlung von dreidimensional geformten Implantaten bzw. deren in vitro Simulation für eine in situ/in vivo Stimulation und/oder Suppression ohne eine echte, orts- und zeitaufgelöste, variierende Applikation von auch in in situ anwendbaren Gradienten, variabel in Art, Betrag, Richtung und zeitlichem Verlauf, notwendig.In contrast to the fluidic bioreactors, which introduce chemotactic gradients in the form of growth factors, as well as stimulating by the fluidic mechanotransduction of the cells, is an in situ close colonization of three-dimensionally shaped implants or their in vitro simulation for in situ / in vivo stimulation and / or suppression without a real, spatially and temporally resolved, varying application of also applicable in situ gradient, variable in nature, amount, direction and time course, necessary.
Das Verfahren einer in situ-nahen Besiedlung der Implantatoberfläche mit autologen Zellen senkt zugleich nicht nur das Risiko einer Entzündung (Inflammation) durch die Bildung von Biofilmen auf unbesiedelten, freien Oberflächen sondern beschleunigt auch die Sekundärverankerung der Implantate in situ.At the same time, the process of in situ-proximal colonization of the implant surface with autologous cells not only reduces the risk of inflammation (inflammation) through the formation of biofilms on unoccupied, free surfaces, but also accelerates the secondary anchoring of the implants in situ.
Die Relevanz der Verwendung von autologen Zellen zur Vorbesiedlung der Implantate hat sich in experimentellen Monitoringversuchen zur Evaluierung der Bioaktivität von Implantatoberflächen gezeigt. Die Varianz bzw. Standardabweichung der Adhäsions-, Proliferations-, Migrations- und Differenzierungseigenschaften von patientenspezifischen Zellen mit unterschiedlicher genetischer Prädisposition bzw. pathologisch bedingten Veränderungen (Stoffwechsel-/Kreislauferkrankungen, Diabetes, Alkohol-, Nikotin-, Drogenmissbrauch etc.) ist dabei gegenüber verschiedenen bioaktiven Implantatoberflächen teilweise dominanter als die Varianz bzw. Standardabweichung der Bioaktivität unterschiedlicher Implantatoberflächen gegenüber einer immortalisierten Zelllinie.The relevance of using autologous cells to precontain the implants has been demonstrated in experimental monitoring trials to evaluate the bioactivity of implant surfaces. The variance or standard deviation of the adhesion, proliferation, migration and differentiation properties of patient-specific cells with different genetic predisposition or pathologically induced changes (metabolic / circulatory diseases, diabetes, alcohol, nicotine, drug abuse, etc.) is different here bioactive implant surfaces partially more dominant than the variance or standard deviation of the bioactivity of different implant surfaces against an immortalized cell line.
In der Praxis bedeutet dies, dass es nicht unbedingt nur eine optimale bioaktive Oberfläche z. B. für die Adhäsion humaner Osteoblasten geben muss, sondern patientenindividuell verschiedene bioaktive Oberflächen jeweils optimal sein können. Die mit einer solchen Individualmedizin möglicherweise einhergehende Kostenexplosion der Implantationsmedizin aufgrund einer, zugespitzt formuliert, individuellen Implantatbereitstellung seitens der Industrie bzw. Implantatoberflächenmodifikation seitens der Industrie generell und/oder der Implantologen, lässt eine patientenspezifische bzw. individualmedizinisch indizierte, in vitro evaluierte und validierte Stimulation von autologen, humanen Zellen/Zelllinien in vitro bzw. in situ als kosten- und risikosenkende Alternative erscheinen. Dies trifft auch auf die Nutzung solcher Anordnungen und Verfahren für eine patientenspezifische bzw. individualisierte Stimulation/Suppression von Differenzierungs-/Dedifferenzierungs- sowie Migrations-/Metastaseverhalten/-potentialen von gesunden und karzinogenen Zellen und Geweben in der Onkologie zu.In practice, this means that it is not necessarily just an optimal bioactive surface z. B. for the adhesion of human osteoblasts must, but each individual patient different bioactive surfaces can be optimal. The cost explosion of implantation medicine, possibly accompanied by such an individual medicine due to an exaggerated, individual implant provision on the part of the industry or implant surface modification by the industry in general and / or implantologists, leaves a patient-specific or individual-medically indicated, in vitro evaluated and validated stimulation of autologous , human cells / cell lines appear in vitro or in situ as a cost and risk reducing alternative. This also applies to the use of such arrangements and methods for a patient-specific or individualized stimulation / suppression of differentiation / dedifferentiation and migration / metastasis behavior / potentials of healthy and carcinogenic cells and tissues in oncology.
Die aus der o. g. Patent- und Fachliteratur bekannten und teils auch bereits im praktischen Einsatz befindlichen suppressiven und stimulativen Methoden und Verfahren unterscheiden sich im jeweilig an den Oberflächen, den Grenzflächen oder in den Formkörpern wirkenden Gradienten:
- – akustische oder mechanische Stosswellen oder Ultraschall (Mechanotransduktion) inkl. Vibration und Fluidik,
- – positive wie negative Gravitation,
- – Spaltsituationen (Kohäsion, Adhäsion),
- – Oberflächenspannung/-energie an der Grenzfläche,
- – elektrische Felder DC/AC (DC = Gleichspannung/AC = Wechselspannung) – isoliert,
- – elektrische Felder DC/AC – leitend,
- – elektromagnetische und/oder magnetische Gleich- und Wechselfelder,
- – Chemotransduktion.
- - acoustic or mechanical shock waves or ultrasound (mechanotransduction) incl. Vibration and fluidics,
- Positive and negative gravitation,
- - gap situations (cohesion, adhesion),
- Surface tension / energy at the interface,
- - electric fields DC / AC (DC = DC / AC = AC voltage) - isolated,
- - electric fields DC / AC - conductive,
- - electromagnetic and / or magnetic DC and AC fields,
- - Chemotransduction.
Die stimulativen und suppressiven Gradienten beim Bone- und Soft-Tissue (Knochen- und Weichgewebe) Management sollten sich prinzipiell an den körpereigenen systemimmanenten Gradienten orientieren, welche auch im Organismus auftreten können.The stimulatory and suppressive gradients in bone and soft tissue (bone and soft tissue) management should, in principle, be based on the body's inherent systemic gradients, which can also occur in the organism.
Aus diesem Grund macht es wenig Sinn in vitro Signalarten, -formen und -stärken zu evaluieren und validieren, welche in situ systembiologisch nicht erzeugt werden und prinzipiell auch künstlich topisch nicht eingebracht werden können. Diese Entscheidung begründet sich dadurch, dass das Einbringen von stimulativen und/oder suppressiven Gradienten immer nur als Additive zu den körpereigenen Heilungs- und Wachstumsprozessen verstanden werden müssen. Dieser additive Charakter ist die Prämisse jeder Methode. Das additive Verfahren muss sich immer in den Grenzen des körpereigenen systembiologischen generativen Verfahrens bewegen. Des Weiteren sind im topischen Therapiebereich immer verschiedene Zellentitäten vorhanden, welche sich bei generativen oder regressiven Prozessen gegenseitig bedingen und chemotaktisch beeinflussen. Es macht wenig Sinn nur einen Zelltyp zu stimulieren, wenn andere Zelltypen supprimiert werden. Selbiges trifft auf die Nachbarschaft und die Wechselwirkung von Bone und Soft-Tissue zu.For this reason, it makes little sense to evaluate and validate in vitro signal types, forms and strengths, which are not generated system biologically in situ and, in principle, artificially topically can not be introduced. This decision is based on the fact that the introduction of stimulatory and / or suppressive gradients must always be understood as additives to the body's own healing and growth processes. This additive character is the premise of any method. The additive process must always be within the limits of the body's own system-biological generative process. Furthermore, there are always different cell types in the topical therapy area, which mutually condition and chemotactically influence each other during generative or regressive processes. There is little point in stimulating one cell type only if other cell types are suppressed. The same applies to the neighborhood and the interaction of bone and soft tissue.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit für eine topische in vitro Stimulation von Zellen oder Geweben vorzuschlagen.The invention has for its object to propose a possibility for topical in vitro stimulation of cells or tissues.
Die Aufgabe wird durch eine Stimulationszelle zur in vitro Stimulation von Zellen oder Geweben, mit einem einen Innenraum umschließenden Korpus umfassend je ein Oberteil und ein Unterteil sowie mindestens einen Aktor zum Hervorrufen einer stimulierenden Wirkung auf mindestens einen Anteil der Zellen oder Gewebe, gelöst. Die Stimulationszelle ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum ein Träger vorhanden ist, der wenigstens über Bereiche seiner Oberfläche durch Zellen oder Gewebe besiedelbar ist. Der Aktor ist so ausgeführt, dass durch ihn topisch auf der Oberfläche des Trägers ein dosierbarer Gradient mit einer das Wachstum der Zellen oder Gewebe stimulierende Wirkung hervorrufbar ist.The object is achieved by a stimulation cell for in vitro stimulation of cells or tissues, having a body enclosing an interior, each comprising an upper part and a lower part and at least one actuator for inducing a stimulating effect on at least a portion of the cells or tissue. The stimulation cell is characterized in that in the interior of a carrier is present, which is populated at least over areas of its surface by cells or tissue. The actuator is designed so that it is topically on the surface of the carrier, a dosable gradient with a growth of the cells or tissue stimulating effect is evoked.
Unter dem Begriff der Stimulation wird jede Einwirkung auf biologische Vorgänge wie das Wachstum, die Migration oder die Proliferation verstanden. Stimulationen können auch neutral oder negativ (Suppression) wirken. Die Stimulationszelle ist daher auch als Suppressionszelle verwendbar.The term stimulation is understood to mean any effect on biological processes such as growth, migration or proliferation. Stimulation can also be neutral or negative (suppression). The stimulation cell can therefore also be used as a suppression cell.
Anteile von Zellen oder Geweben können räumlich auf einem Zellsubstrat abgrenzbare Zellen oder Gewebe, z. B. Zellen oder Gewebe, die auf einer bestimmten Teilfläche eines Zellsubstrats getragen sind, sein. Es können auch bestimmte Zell- oder Gewebetypen sein, die stimuliert sind.Portions of cells or tissues may be spatially on a cell substrate delimable cells or tissue, eg. B. cells or tissues that are carried on a particular sub-area of a cell substrate may be. It may also be certain cell or tissue types that are stimulated.
Unter einem Aktor sind nachfolgend alle Mittel zu verstehen, durch die mindestens ein Gradient einer stimulierenden Wirkung auf die Zellen oder Gewebe hervorgerufen werden kann. Stimulierende Wirkungen können fördernd (positiv), suppressiv (negativ) oder neutral sein. Stimulierende Wirkungen können vorzugsweise durch elektrische, elektromagnetische, magnetische, chemische oder physikalische Stimuli hervorgerufen werden. Der Aktor ist vorzugsweise so ausgeführt, dass der Gradient der durch ihn hervorgerufene stimulierende Wirkung (Stimuli) räumlich definiert, gerichtet und intensitätsvariabel auf das Wachstum der Zellen und Gewebe einwirkt. Der Gradient kann in seinen Eigenschaften, wie z. B. seiner Signalform, Stärke, Betrag, Intensität, Richtung und Ausdehnung, hervorgerufen und veränderlich (dosierbar) sein.An actuator is to be understood below as meaning all means by which at least one gradient of a stimulating effect on the cells or tissue can be caused. Stimulatory effects may be beneficial (positive), suppressive (negative) or neutral. Stimulating effects may preferably be caused by electrical, electromagnetic, magnetic, chemical or physical stimuli. The actuator is preferably designed in such a way that the gradient of the stimulating effect (stimuli) caused by it is spatially defined, directed and has an intensity-variable effect on the growth of the cells and tissue. The gradient may be in its properties, such. As its waveform, strength, magnitude, intensity, direction and extent, and caused variable (metered).
Der Träger ist vorzugsweise ein Formkörper, z. B. ein Implantatformkörper (Scaffold). Der Träger kann grundsätzlich aus jedem Material bestehen. Vorzugsweise sind Träger aber Formkörper aus mindestens einem biodegradierbaren Material, aus mindestens einem nicht-biodegradierbaren Material oder aus einer Kombination dieser Materialien oder Gewebeersatzstoffe, wobei letzteren eine Form gegeben ist.The carrier is preferably a shaped body, for. B. an implant molding (Scaffold). The carrier can basically consist of any material. However, carriers are preferably shaped bodies of at least one biodegradable material, of at least one non-biodegradable material or of a combination of these materials or tissue substitutes, the latter being given a shape.
Unter der Oberfläche des Trägers ist sowohl eine äußere, einen Umriss des Formkörpers bestimmende, Oberfläche zu verstehen, als auch eine innere Oberfläche, wie sie insbesondere bei Formkörpern aus porösem Material oder bei Formkörpern, aufweisend Vertiefungen und Hohlformen, zu finden ist.Under the surface of the support is both an outer, an outline of the molding body defining surface to understand, as well as an inner surface, as it is found in particular in moldings of porous material or moldings, having depressions and molds.
Die Begriffe bio-degradierbar und degradierbar bedeuten, dass das betreffende Material durch biochemische Reaktionen des Gewebes (z. B. enzymatisch) sowie gegebenenfalls in Wechselwirkung mit biophysikalischen Prozessen abbaubar ist.The terms bio-degradable and degradable mean that the material in question can be degraded by biochemical reactions of the tissue (eg enzymatically) and optionally in interaction with biophysical processes.
Das Oberteil und das Unterteil des Korpus können in weiteren Ausführungen der erfindungsgemäßen Stimulationszelle auch gleichartig, z. B. zwei Halbschalen, oder miteinander fest verbunden sein und einen geschlossenen Korpus, z. B. einen Zylinder, bilden. Durch weitere Gestaltungsformen können Unter- und Oberteil anders gestaltet sein, so dass eine klassische Trennung in Unter- und Oberteil aufgelöst ist. The upper part and the lower part of the body can in other embodiments of the stimulation cell according to the invention also similar, z. B. two half-shells, or be firmly connected to each other and a closed body, z. As a cylinder form. By further design forms, the lower and upper part can be designed differently, so that a classic separation in lower and upper part is resolved.
In einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Stimulationszelle ist mindestens eine Medienzuführung und mindestens eine Medienabführung an mindestens einer Seite des Innenraums zur Zu- und Abführung eines Mediums vorhanden.In an advantageous embodiment of the stimulation cell according to the invention at least one media supply and at least one media removal on at least one side of the interior for the supply and discharge of a medium is present.
Durch die Medienzuführung und die Medienabführung ist es vorteilhaft möglich, chemische Stimulanzien, in definierter Weise dem Medium zuzugeben und so die Zellen oder Gewebe zu stimulieren. Solche Stimulanzien können chemische Substanzen sein, die eine stimulierende Wirkung auf das Wachstum haben, wie beispielsweise Wachstumsfaktoren, Nährstoffe, Hormone sowie Energieäquivalente. Auch ist eine Überwachung der Vorgänge in der Stimulationszelle durch z. B. eine Analyse des zugeführten und des abgeführten Mediums ermöglicht. Das Medium ist vorzugsweise elektrisch leitend und dient der physiologischen Versorgung der Zellen oder Gewebe.By the media supply and the removal of media, it is advantageously possible to add chemical stimulants in a defined manner to the medium and thus to stimulate the cells or tissue. Such stimulants can be chemical substances that have a stimulating effect on growth, such as growth factors, nutrients, hormones and energy equivalents. Also, a monitoring of the processes in the stimulation cell by z. B. allows an analysis of the supplied and the discharged medium. The medium is preferably electrically conductive and serves for the physiological supply of the cells or tissue.
Nachfolgend werden unter dem Begriff des Wachstums von Zellen oder Geweben alle mit einem Wachstum verbundenen Prozesse, wie z. B. Zellmigration, Differenzierung und Proliferation, verstanden. Mit der erfindungsgemäßen Stimulationszelle sind daneben auch Prozesse wie das Absterben und der Abbau von Zellen (Apoptose, Suppression) stimulierbar und, optional, auch analysierbar.Hereinafter, by the term of the growth of cells or tissues, all growth-related processes, such as. Cell migration, differentiation and proliferation. In addition, processes such as the death and degradation of cells (apoptosis, suppression) can be stimulated with the stimulation cell according to the invention and, optionally, can also be analyzed.
Die Zellen oder Gewebe können sowohl auf als auch in einem von dem Träger verschiedenen Zellsubstrat vorhanden sein und werden daher durch das Zellsubstrat getragen. Das Zellsubstrat ist in dem Innenraum der Stimulationszelle angeordnet.The cells or tissues may be present on as well as in a cell substrate other than the carrier and are therefore carried by the cell substrate. The cell substrate is arranged in the interior of the stimulation cell.
Ein Zellsubstrat kann jedes Material oder jedes Stoffgemisch sein, durch welches Zellen bereitgestellt sind, beispielsweise besiedelte oder beimpfte Nährmedien wie Agarose, Alginat, Mono- und Kokulturen.A cell substrate may be any material or mixture of substances through which cells are provided, for example colonized or inoculated nutrient media such as agarose, alginate, mono- and co-cultures.
Die erfindungsgemäße Stimulationszelle ist auch zur Stimulation von Biofilmen, die beispielsweise durch Bakterien, Pilze, Algen und Protozoen gebildet sind, verwendbar. Außerdem können Mittel vorgesehen sein, mittels derer die Auswirkungen der Stimulationen erfassbar und analysierbar sind.The stimulation cell of the invention is also useful for stimulating biofilms formed by, for example, bacteria, fungi, algae and protozoa. In addition, means may be provided by means of which the effects of the stimulations can be detected and analyzed.
Träger und Zellsubstrat können im Verlauf des Wachstums mit einer großen Zahl von Zellen überdeckt werden, zwischen denen sich auch EZM ausbilden oder sich Gewebe differenzieren kann. Nachfolgend ist vereinfachend von Zellen die Rede, wobei aber alle möglichen zellbiologischen Strukturen und Einheiten sowie ein- und mehrzellige Organismen umfasst sein sollen.In the course of growth, the carrier and cell substrate can be covered with a large number of cells, between which ECM can also be formed or tissue can differentiate. In the following, simplification of cells is mentioned, but all possible cell biological structures and units as well as single- and multicellular organisms should be included.
In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Stimulationszelle sind mindestens zwei Elektroden vorhanden. Diese sind zur Erzeugung räumlich und zeitlich definierter elektrischer und/oder elektromagnetischer Felder mit variabler Form, Betrag, Richtung und Intensität ausgestaltet. Die Elektroden sind ausgewählt aus einer Gruppe, umfassend gegen das Medium elektrisch leitende Elektroden, gegen das Medium elektrisch isolierte Elektroden und aus aus gegen das Medium elektrisch isolierten Elektroden und elektrisch leitenden Elektroden gebildeten Hybridelektroden. Hybridelektroden stellen eine Kombination elektrisch isolierter und elektrisch leitender Elektroden dar, entweder in dem Sinne, dass Teilbereiche der Hybridelektrode gegen das Medium isoliert und andere Teilbereiche nicht isoliert sind oder, dass beide Elektrodentypen separat vorhanden sind, allerdings im Gegensatz zur separaten Variante der beiden Elektrodentypen nur eine identische Ansteuermöglichkeit für beide Elektrodentypen besteht. Die Elektroden können segmentiert sein.In a preferred embodiment of the stimulation cell according to the invention, at least two electrodes are present. These are designed to generate spatially and temporally defined electrical and / or electromagnetic fields with variable shape, magnitude, direction and intensity. The electrodes are selected from a group comprising electrically conductive electrodes against the medium, electrically insulated electrodes against the medium and hybrid electrodes formed from electrodes and electrically conductive electrodes electrically insulated from the medium. Hybrid electrodes represent a combination of electrically isolated and electrically conductive electrodes, either in the sense that portions of the hybrid electrode are isolated against the medium and other portions are not isolated or that both types of electrodes are present separately, but only in contrast to the separate variant of the two types of electrodes an identical control possibility exists for both types of electrodes. The electrodes can be segmented.
Es können in weiteren Ausführungen der Stimulationszelle auch Clusterelektroden vorhanden sein, die aus zueinander rasterförmig angeordneten Elektroden und/oder signaltechnisch ansteuerbaren Elektroden gebildet sind.In further embodiments of the stimulation cell, cluster electrodes may also be present which are formed from electrodes which are arranged in grid form and / or electrodes which can be driven by signal technology.
Es ist ferner möglich, dass der Stimulationszelle mindestens ein Magnetfelderzeuger als einen Aktor zugeordnet ist, so dass die Stimulationszelle mindestens über Bereiche in einem durch den Magnetfelderzeuger erzeugten Magnetfeld angeordnet ist. Der Magnetfelderzeuger kann entlang oder um die Stimulationszelle beweglich sein. Der Magnetfelderzeuger kann beispielsweise eine Magnetspule sein.It is also possible that at least one magnetic field generator is assigned to the stimulation cell as an actuator, so that the stimulation cell is arranged at least over regions in a magnetic field generated by the magnetic field generator. The magnetic field generator may be movable along or around the stimulation cell. The magnetic field generator may be, for example, a magnetic coil.
Beispielsweise kann der Magnetfelderzeuger als Aktor, aber auch andere Aktoren, gegenüber der Stimulationszelle sowie gegenüber dem Träger beweglich sein, wodurch mittels eines Aktors Gradienten aus wechselnden Richtungen erzeugbar sind oder ein Gradient über die Oberfläche des Trägers führbar ist. For example, the magnetic field generator as an actuator, but also other actuators, with respect to the stimulation cell and against the carrier to be movable, whereby by means of an actuator gradient from changing directions can be generated or a gradient over the surface of the carrier can be guided.
Es ist ferner möglich, dass ein Hybridaktor vorhanden ist, durch den zeitgleich oder aufeinander folgend voneinander verschiedene Gradienten hervorrufbar sind. Beispielsweise können durch einen Piezo-Stack sowohl elektrische als auch mechanische Gradienten hervorgerufen sein. Die Gradienten können gleicher physikalischer oder chemischer Natur, z. B. zwei elektromagnetische Gradienten oder zwei Wachstumsfaktoren, sein. Die Gradienten können auch verschiedener Natur sein, z. B. kann ein elektrischer Gradient und ein mechanotransduktorischer Gradient durch einen Hybridaktor hervorgerufen sein.It is also possible that a hybrid actuator is present, through which different gradients can be produced simultaneously or consecutively from one another. For example, can be caused by a piezo stack both electrical and mechanical gradients. The gradients may be of the same physical or chemical nature, e.g. B. two electromagnetic gradient or two growth factors. The gradients can also be of different nature, e.g. For example, an electrical gradient and a mechanotransducing gradient may be caused by a hybrid actuator.
Der Aktor ist vorteilhaft so beschaffen, dass die von dem Aktor hervorgerufene stimulierende Wirkung bestimmten Teilbereichen des Zellsubstrats zugeordnet und auf diese begrenzt ist. Je nach Lage dieser Teilbereiche und Ausprägung der stimulierenden Wirkung, ist eine gerichtete Besiedlung des Trägers nur auf einer Teilfläche einer Oberfläche des Trägers stimuliert.The actuator is advantageously such that the stimulating effect produced by the actuator is assigned to certain subregions of the cell substrate and limited to these. Depending on the location of these subregions and the expression of the stimulating effect, a directed colonization of the carrier is stimulated only on a partial surface of a surface of the carrier.
Zu diesem Zweck können die Elektroden segmentiert ausgebildet sein. Durch eine Segmentierung ist eine Erzeugung von elektromagnetischen oder magnetischen Feldern mit räumlich bestimmter Ausprägung, z. B. des Verlaufs der Feldlinien sowie der Verteilung der Feldstärken, räumlich wesentlich aufgelöster möglich als mit unsegmentierten Elektroden.For this purpose, the electrodes may be formed segmented. By segmentation is a generation of electromagnetic or magnetic fields with spatially determined expression, z. B. the course of the field lines and the distribution of field strengths, spatially significantly resolved as possible with unsegmented electrodes.
In dem Innenraum kann mindestens eine Aufnahmeeinheit zur Aufnahme des Trägers oder eines Zellsubstrats angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Aufnahmeeinheit so ausgebildet, dass zwischen einer Oberfläche eines in der Aufnahmeeinheit befindlichen Trägers und einer Oberfläche eines in der Aufnahmeeinheit befindlichen Zellsubstrats ein Spalt einstellbar ist, durch den die Oberflächen des Trägers und des Zellsubstrats voneinander getrennt sind. In einer weiteren Ausführung können auch mindestens zwei Aufnahmeeinheiten so angeordnet sein, dass zwischen einer Oberfläche eines in einer Aufnahmeeinheit befindlichen Trägers und einer Oberfläche eines in einer anderen Aufnahmeeinheit befindlichen Zellsubstrats ein Spalt einstellbar ist, durch den die Oberflächen des Trägers und des Zellsubstrats voneinander getrennt sind. Der Träger und das Zellsubstrat können auch gemeinsam in einer entsprechend ausgebildeten Aufnahmevorrichtung gehalten sein. Vorzugsweise ist durch mindestens eine der Aufnahmevorrichtungen eine Positionierung des Trägers und/oder des Zellsubstrats in dem Innenraum ermöglicht.In the interior, at least one receiving unit for receiving the carrier or a cell substrate may be arranged. Preferably, the receiving unit is configured such that between a surface of a carrier located in the receiving unit and a surface of a cell substrate located in the receiving unit, a gap is adjustable by which the surfaces of the carrier and the cell substrate are separated from each other. In a further embodiment, at least two receiving units may also be arranged such that a gap is adjustable between a surface of a carrier located in a receiving unit and a surface of a cell substrate located in another receiving unit, by which the surfaces of the carrier and the cell substrate are separated from each other , The carrier and the cell substrate may also be held together in a correspondingly formed receiving device. Preferably, at least one of the receiving devices allows positioning of the carrier and / or the cell substrate in the interior space.
Eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Stimulationszelle ist dadurch gegeben, dass der Träger und mindestens ein Gradient relativ zueinander beweglich sind. Dies kann durch Relativbewegungen des Trägers, des Aktors oder als kombinierter Bewegungsablauf beider ermöglicht sein.A preferred embodiment of the stimulation cell according to the invention is given by the fact that the carrier and at least one gradient are movable relative to each other. This can be made possible by relative movements of the carrier, the actuator or as a combined movement of the two.
In einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Stimulationszelle ist der Träger temporär mit mindestens einem magnetischen Körper oder einem magnetisierbaren Körper in mittelbaren oder unmittelbaren Kontakt stehend angeordnet. Dieser magnetische Körper oder magnetisierbare Körper liegt mindestens teilweise im Bereich der Feldlinien eines primären magnetischen Feldes, so dass in dem magnetischen Körper oder dem magnetisierbaren Körper durch das primäre magnetische Feld ein sekundäres magnetisches Feld veränderbar ist. Unter einer Veränderung des sekundären magnetischen Felds wird auch dessen Erzeugung, z. B. bei einer Magnetisierung eines magnetisierbaren Körpers, verstanden. Das sekundäre magnetische Feld ist beispielsweise als Quelle einer Induktion nutzbar.In a further embodiment of the stimulation cell according to the invention, the carrier is temporarily arranged with at least one magnetic body or a magnetizable body in direct or indirect contact. This magnetic body or magnetizable body lies at least partially in the field lines of a primary magnetic field, so that in the magnetic body or the magnetizable body by the primary magnetic field, a secondary magnetic field is variable. Under a change of the secondary magnetic field and its generation, for. B. at a magnetization of a magnetizable body understood. The secondary magnetic field can be used, for example, as a source of induction.
Ein Spalt im Sinne dieser Beschreibung ist ein räumlicher Spalt. Dieser liegt vor, wenn Trägerobjekt und Zellsubstrat tatsächlich voneinander beabstandet angeordnet sind. Es ist bevorzugt, dass mindestens eine der Aufnahmevorrichtungen eine Positionierung des Trägers und/oder des Zellsubstrats in dem Innenraum ermöglicht. Der Spalt weist eine Spaltbreite auf, die vorzugsweise bis zu einer Spaltbreite von 3 mm einstellbar ist. Durch den Spalt ist eine in situ Situation zwischen einer Oberfläche eines Trägers, z. B. eines Implantatformkörpers, und einem Zellsubstrat, wie einem Gewebe, nachgebildet.A gap in the sense of this description is a spatial gap. This is when the carrier object and the cell substrate are actually arranged at a distance from one another. It is preferred that at least one of the receiving devices enables positioning of the carrier and / or the cell substrate in the interior space. The gap has a gap width, which is preferably adjustable up to a gap width of 3 mm. Through the gap is an in situ situation between a surface of a carrier, for. B. an implant molding, and a cell substrate, such as a tissue replicated.
Um eine Analyse der Vorgänge in der Stimulationszelle zu ermöglichen, können die Elektroden als Messmittel zur Messung elektrischer Größen ausgestaltet sein. Es ist ferner möglich, dass weitere Messmittel zur Messung physikalischer Größen angeordnet sind.In order to enable an analysis of the processes in the stimulation cell, the electrodes can be designed as measuring means for measuring electrical quantities. It is also possible that further measuring means for measuring physical quantities are arranged.
Sehr günstig ist es, wenn eine Auswerte-, Speicher- und Steuereinheit vorhanden ist, die mit den Elektroden und weiteren Messmitteln verbunden ist. Die Auswerte-, Speicher- und Steuereinheit kann mit einer Datenbank in Verbindung stehen.It is very advantageous if an evaluation, storage and control unit is present, which is connected to the electrodes and other measuring means. The evaluation, storage and control unit can be connected to a database.
Physikalische Stimuli wie Druck oder Beschleunigungen sind einkoppelbar, wenn in einer vorteilhaften Ausführung die Stimulationszelle mit einem gesteuerten Antrieb verbunden ist, mittels dem die Stimulationszelle gesteuert bewegbar ist. Physical stimuli such as pressure or accelerations can be coupled in, if, in an advantageous embodiment, the stimulation cell is connected to a controlled drive by means of which the stimulation cell can be moved in a controlled manner.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur in vitro Stimulation von Zellen oder Geweben gelöst. Die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind das Einbringen eines die Zellen oder Gewebe tragenden Zellsubstrats in einen Innenraum einer Stimulationszelle, gefolgt von dem Einlegen eines Trägers, der mindestens über besiedelbare Bereiche seiner Oberfläche durch die Zellen oder Gewebe besiedelbar oder bereits besiedelt ist, in eine Aufnahmevorrichtung in dem Innenraum der Stimulationszelle. Anschließend wird ein Medium zur physiologischen Versorgung der Zellen oder Gewebe in die Stimulationszelle eingebracht. Weiterhin wird mindestens ein dosierbarer, topischer Gradient mit einer das Wachstum der Zellen oder Gewebe stimulierenden Wirkung auf der Oberfläche des Trägers hervorgerufen.The object is further achieved by a method for in vitro stimulation of cells or tissues. The essential steps of the method according to the invention are the introduction of a cell substrate or tissue-carrying cell substrate into an interior of a stimulation cell, followed by the insertion of a carrier which is populated or already populated by at least settleable areas of its surface by the cells or tissue, in a receiving device in the interior of the stimulation cell. Subsequently, a medium for physiological supply of cells or tissue is introduced into the stimulation cell. Furthermore, at least one meterable topical gradient is produced with a cell or tissue stimulating effect on the surface of the carrier.
Die stimulierende Wirkung kann bestimmten Teilbereichen des Zellsubstrats zugeordnet und auf diese begrenzt hervorgerufen werden. Dabei ist es günstig, wenn eine räumlich gerichtete Besiedlung bestimmter Teilbereiche der besiedelbaren Bereiche, z. B. über einen Spalt hinweg, stimuliert ist.The stimulating effect can be assigned to certain subregions of the cell substrate and caused to be limited to these. It is advantageous if a spatially directed colonization of certain parts of the populated areas, z. B. across a gap, is stimulated.
Das Medium kann gesteuert zugeführt werden, um das Medium regelmäßig zu erneuern. Es können verschiedene Medien zugeführt werden.The medium can be fed under control to renew the medium regularly. Various media can be supplied.
Die stimulierende Wirkung ist ausgewählt aus der Erzeugung elektromagnetischer Felder, elektrischer Felder, magnetischer Felder, der Zugabe chemischer Verbindungen und der Einkopplung physikalischer Stimuli.The stimulating effect is selected from the generation of electromagnetic fields, electric fields, magnetic fields, the addition of chemical compounds and the coupling of physical stimuli.
In einer vorteilhaften Ausführung werden Messgrößen, deren Messwerte infolge von Reaktionen der Zellen und Gewebe auf die stimulierende Wirkung veränderlich sind, erfasst und gespeichert. Es können initiale Messwerte mindestens einer Messgröße zu einem initialen Messzeitpunkt erfasst und gespeichert werden und die initialen Messwerte als Referenzmesswerte für zu späteren Messzeitpunkten erfassten Messwerten verwendet werden.In an advantageous embodiment, measured variables whose measured values are variable as a result of reactions of the cells and tissue to the stimulating effect are recorded and stored. It is possible to record and store initial measured values of at least one measured variable at an initial measuring time and to use the initial measured values as reference measured values for measured values recorded at later measuring times.
Es ist ferner möglich, dass aus den Veränderungen der zu verschiedenen Messzeitpunkten erfassten und gespeicherten Messwerten Informationen über das Wachstum der Zellen oder Gewebe abgeleitet werden. Die Messwerte können zeit- oder ortsaufgelöst oder zeitlich-örtlich aufgelöst erfasst werden. Zudem können die erfassten Messwerte graphisch dargestellt werden und die Informationen über das Wachstum der Zellen oder Gewebe aus der graphischen Darstellung abgeleitet werden. Ein Abgleich der Informationen mit einer Datenbank ist möglich.It is also possible for information about the growth of the cells or tissue to be derived from the changes in the measured values acquired and stored at different measurement times. The measured values can be recorded time-resolved or spatially resolved or temporally-spatially resolved. In addition, the acquired measured values can be graphically displayed and the information about the growth of the cells or tissue can be derived from the graphical representation. A comparison of the information with a database is possible.
Vorteilhafterweise können auf Grund der Messwerte Steuersignale zur Ansteuerung des Aktors generiert werden, um den Gradienten zu verändern. Dadurch ist es möglich, gezielt auf das Wachstum der Zellen oder Gewebe zu reagieren.Advantageously, control signals for controlling the actuator can be generated on the basis of the measured values in order to change the gradient. This makes it possible to respond specifically to the growth of cells or tissues.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zwischen dem Zellsubstrat und dem Träger ein Spalt mit einer Spaltbreite eingestellt werden.In a further embodiment of the method according to the invention, a gap with a gap width can be set between the cell substrate and the carrier.
Mittels der Erfindung wird eine Testanordnung mit gegenüberliegenden Grenzschichten inklusive Spaltbereich geschaffen, in dem ein mehrdimensionales Verfahren zur Stimulation von in vitro Zell-/Gewebewachstum in einer definierbaren Grenzflächensituation zwischen einem gewebeähnlichen Bereich und einem Bereich in Gestalt von degradierbaren bzw. nicht degradierbaren Implantatoberflächen und/oder Gewebeersatzstoffen realisiert werden kann. Prinzipiell sollen damit medizinisch anzuwendende Verfahren auf ihre bioaktiven und/oder antiinflammatorischen Wirkungen bezüglich humaner Zellen (Osteoblasten, Endothelzellen, Plattenepithelzellen, Fibroblasten, etc.) sowie Bakterien, Pilze und anderer mikrobieller Organismen, die einen Biofilm bilden können, simulativ evaluiert und validiert, sowie stimulativ und/oder suppressiv zur biologischen in vitro analog zur in situ Situation und/oder in vivo in der aktuellen in situ Situation angewendet werden.By means of the invention, a test arrangement with opposing boundary layers including gap region is provided in which a multidimensional method for stimulating in vitro cell / tissue growth in a definable interface situation between a tissue-like region and a region in the form of degradable or non-degradable implant surfaces and / or Tissue replacement materials can be realized. In principle, it is intended to simulatively evaluate and validate medically applicable methods for their bioactive and / or antiinflammatory effects on human cells (osteoblasts, endothelial cells, squamous epithelial cells, fibroblasts, etc.) as well as bacteria, fungi and other microbial organisms capable of forming a biofilm, and stimulatively and / or suppressively applied to the biological in vitro analogous to the in situ situation and / or in vivo in the current situation in situ.
Um der zu simulierenden in situ Situation maximal nahe zu kommen, soll die Stimulationszelle:
- in allen räumlichen Dimensionen drehbar sein, um gravitative Aspekte des Zell- und Gewebewachstums auszuschließen,
- definiert wipp-, kipp-, taumel-, ping-pong- und kreisschüttelbar sein, um Zell- und Gewebewachstumsprozesse sowie auch die Biofilmentwicklung unter normalen, alltäglichen und/oder definierten Körperbewegungssituationen, wie beispielsweise bei der Physiotherapie simulieren zu können,
- definierten Gradienten (beispielsweise Druck, Kraft und Oberflächenspannung) aussetzbar sein, die körperlichen Belastungssituationen in situ vergleichbar sind,
- über Aufnahme- und Entnahmesysteme in Gestalt von Fassungen, Fixierungen und Aufnahmeräumen für jeweils unterschiedliche, austauschbare Träger, z. B. Implantatformkörper und Gewebeersatzstoffe, sowie für unterschiedliche Mono- und Kokulturen in Gestalt von beispielsweise Alginat- oder Agaroseblöcken besitzen,
- über mindestens eine Medienzuführung und eine Medienabführung für die generelle sowie chemotaktisch stimulative Versorgung der Zell- und Gewebewachstumsprozesse sowie auch die Biofilmentwicklung mit Nähr- und Sauerstoff für in vitro Langzeittest sowie für ein mikrobiologisches und/oder biochemisches Mikrotröpfchenmonitoring verfügen,
- einen Höhen-, Breiten- bzw. Abstandsverstellmechanismus für unterschiedlich dicke bzw. große, austauschbare Implantate und/oder Gewebeersatzstoffe (Träger) sowie für die Einstellung des definierten Abstands zu einem der Trägeroberfläche gegenüberliegenden Zellsubstrat sowie zu den Aktoren besitzen,
- über definierte fixe und/oder räumlich veränderliche, austauschbare Elektroden- und/oder Spulenanordnungen inklusive zu applizierender Stimulationsprofile (workflows) verfügen
- sowie, gegebenenfalls optional, mittels der erfindungsgemäßen Stimulationszelle ein biophysikalisches, nichttestabbrechendes Monitoring-/Controllingmessverfahren durchführbar sein, welches komplementär und komparativ zu den mikrobiologischen Standardtest- und Prüfverfahren benutzt werden kann, um Bibliotheken zu erstellen und den Verlauf zu dokumentieren, mit dem Ziel, auf zeit- und kostenaufwändige mikrobiologische Testverfahren verzichten zu können.
- be rotatable in all spatial dimensions to exclude gravitational aspects of cell and tissue growth,
- defined rocking, tilting, tumbling, ping-pong and kreisschüttelbar be able to simulate cell and tissue growth processes as well as the biofilm development under normal, everyday and / or defined body movement situations, such as in physiotherapy,
- defined gradients (eg pressure, force and surface tension), which are comparable to physical stress situations in situ,
- about receiving and removal systems in the form of sockets, fixations and receiving spaces for each different, interchangeable carrier, eg. B. implant shaped bodies and tissue substitutes, as well as for different mono- and co-cultures in the form of, for example alginate or Agaroseblöcken own
- have at least one media feed and a media removal for the general and chemotactically stimulative supply of the cell and tissue growth processes as well as the biofilm development with nutrient and oxygen for in vitro long-term test and for a microbiological and / or biochemical microdroplet monitoring
- have a height, width or distance adjustment mechanism for different thicknesses or large, replaceable implants and / or tissue substitutes (carrier) and for setting the defined distance to a cell substrate opposite the carrier surface and to the actuators,
- have defined fixed and / or spatially variable, exchangeable electrode and / or coil arrangements including stimulation profiles (workflows) to be applied
- and optionally optionally, by means of the stimulation cell according to the invention, a biophysical, non-test-abortive monitoring / controlling measurement method can be carried out, which can be used complementary and comparative to the standard microbiological test and test methods to create libraries and document the course, with the aim of to be able to do without time-consuming and costly microbiological test procedures.
Hintergrund der Erfindung ist dabei eine in vitro/in vivo/in situ Simulation, Evaluierung und Validierung von Stimulations- und Suppressionsverfahren für die in vitro bzw. beschleunigte in situ Besiedlung von Implantaten mit autologen, humanen Zellen und Geweben, z. B. für eine verbesserte und/oder beschleunigte Ossifikation, Osteogenese und/oder Osseointegration von Trägern unterschiedlicher Entwickler und Hersteller mit möglichst geringem in vivo Einsatz.Background of the invention is an in vitro / in vivo / in situ simulation, evaluation and validation of stimulation and suppression methods for the in vitro or accelerated in situ colonization of implants with autologous, human cells and tissues, eg. B. for improved and / or accelerated ossification, osteogenesis and / or osseointegration of carriers of different developers and manufacturers with the lowest possible in vivo use.
Ziel der Erfindung ist es, mittels einer Aktor- und optionalen Sensor-Verfahrensanordnung zur Erzeugung und gegebenenfalls Messung biophysikalischer/(bio-)elektrischer/(bio-)magnetischer Parameter eine mehrdimensionale, statische oder dynamische Stimulation mit optionalem Monitoring des Zell-/Gewebe-/mikrobiellen Wachstums bei in-vitro-Tissue-Management-Prozeduren an bzw. in funktionalen, bioaktiven Trägeroberflächen und/oder Gewebeersatzstoffen zu ermöglichen.The aim of the invention is to provide multidimensional, static or dynamic stimulation with optional monitoring of the cell / tissue by means of an actuator and optional sensor process arrangement for generating and optionally measuring biophysical / (bio) electrical / (bio) magnetic parameters. / microbial growth in in vitro tissue management procedures on or in functional, bioactive carrier surfaces and / or tissue substitutes.
Dazu erfolgt in vitro eine Applizierung topischer Gradienten an humanen, autologen, immortalisierten und/oder veränderten Zellen und Geweben, die in Art, Signalform, Richtung und Betrag sowie im räumlich-zeitlichen Verlauf variierbar sind, vorzugsweise an dreidimensionalen Trägern zur Stimulation des Zell- und Gewebewachstums- sowie von Biofilmbildungsprozessen durch mikrobielle Organismen. Die Zellen oder Gewebe sind dabei bereits auf dem Träger vorhanden oder gelangen in einen Wirkungsbereich eines auf der Oberfläche des Trägers hervorgerufenen Gradienten.For this purpose, topical gradients are applied in vitro to human, autologous, immortalized and / or altered cells and tissues, which can be varied in type, signal shape, direction and magnitude and in spatial-temporal progression, preferably on three-dimensional carriers for stimulation of the cell and tissue Tissue growth and biofilm formation processes by microbial organisms. The cells or tissue are already present on the carrier or reach an area of action of a gradient caused on the surface of the carrier.
Es erfolgt
- – eine in vitro Simulation von physiologischen oder additiv applizierten in vivo Stimulationsprozessen des Zell- und Gewebewachstums sowie der Biofilmbildung durch mikrobielle Organismen,
- – eine Evaluierung und Validierung von topischen Gradienten an Oberflächen und/oder in und an Scaffolds in vitro,
- – eine Optimierung des Verfahrens und Anpassung der Aktoranordnung in vitro an die in vivo bzw. in situ Situation,
- – eine Extrapolation der in vitro Simulation auf die in situ Situation mit, gegebenenfalls auch nachgelagerten, ex vivo und insbesondere nachgelagerten in vivo Verfahrenskomponenten,
- – eine definierte Besiedlung von Implantatkörpern beziehungsweise deren Oberflächen beziehungsweise von resorbierbaren und/oder nicht resorbierbaren Scaffolds mit autologen Zellen und Geweben zur individualmedizinischen Optimierung der Primär- und Sekundärverankerung von Implantaten und zur Vermeidung von Inflammationen durch mikrobielle Biofilmbildung auf unbesiedelten Trägerbereichen wie Implantatoberflächen oder Scaffoldinnenräumen,
- – eine gezielte Beeinflussung von Adhäsion, Proliferation, Migration oder Differenzierung/Dedifferenzierung von Zellen, Zellverbänden, Zellschichten sowie der Entwicklung der extrazellulären Matrix und
- – eine gezielte Beeinflussung der Gewebsstruktur/-geometrie im Sinne einer definierten Zellausrichtung mit anschließender Ausbildung eines gerichteten Gewebeverbunds.
- An in vitro simulation of physiologically or additively applied in vivo stimulation processes of cell and tissue growth as well as biofilm formation by microbial organisms,
- - evaluation and validation of topical gradients on surfaces and / or in and on scaffolds in vitro,
- An optimization of the method and adaptation of the actuator arrangement in vitro to the in vivo or in situ situation,
- An extrapolation of the in-vitro simulation to the in situ situation with, if appropriate also downstream, ex vivo and in particular downstream in vivo process components,
- A defined colonization of implant bodies or their surfaces or resorbable and / or non-resorbable scaffolds with autologous cells and tissues for individual medical optimization of the primary and secondary anchoring of implants and to avoid inflammation by microbial biofilm formation on uninhabited support areas such as implant surfaces or scaffold interiors,
- Targeted influencing of adhesion, proliferation, migration or differentiation / dedifferentiation of cells, cell aggregates, cell layers as well as the development of the extracellular matrix and
- - A targeted influencing of the tissue structure / geometry in the sense of a defined cell alignment with subsequent formation of a directed tissue composite.
Es ist möglich, eine mittels einer in vitro erfolgten Simulation gefundene Anordnung des Aktors oder mehrerer Aktoren sowie ein workflow auf Situationen und Anwendungen in vivo zu extrapolieren. Insbesondere können solche Anordnungen und workflows auf am Körper tragbare oder implantierbare Vorrichtungen übertragen und angewendet werden. It is possible to extrapolate an arrangement of the actuator or several actuators found by an in-vitro simulation as well as a workflow to situations and applications in vivo. In particular, such arrangements and workflows may be transferred and applied to wearable or implantable devices.
Anordnungsgemäß ist die äußere Gestalt der Stimulationszelle in ihren Dimensionen und ihre Form sowie deren Aktoranordnung so zu gestalten, dass der Träger in seinen in situ Dimension aufgenommen werden kann. In der Regel ist sie dafür als ein Quader mit Aufnahmevorrichtungen für den Träger ausgebildet. Bei rotationssymmetrischen oder sphärischen Trägern ist eine Zylinder-, Halbkugel- oder Kugelform sowie Kombinationen daraus vorteilhaft.According to the arrangement, the outer shape of the stimulation cell is to be designed in its dimensions and its shape as well as its actuator arrangement such that the carrier can be accommodated in its in-situ dimension. As a rule, it is designed as a cuboid with receiving devices for the carrier. In the case of rotationally symmetrical or spherical carriers, a cylindrical, hemispherical or spherical shape and combinations thereof are advantageous.
Anordnungsgemäß ist die äußere Stimulationszelle gegenüber dem innenliegenden Träger fix ausgestaltet. Der von den Wänden der Stimulationszelle umschlossene Träger kann fix oder beweglich gelagert sein. Für besondere Hohlkörper kann die Anordnung auch invers ausgebildet sein, d. h. es können Teile der Stimulationszelle in z. B. Hohlräume des Trägers ragen.According to the arrangement, the outer stimulation cell is designed to be fixed relative to the inner support. The enclosed by the walls of the stimulation cell carrier can be mounted fixed or movable. For special hollow body, the arrangement may also be formed inversely, d. H. it can parts of the stimulation cell in z. B. cavities of the carrier protrude.
Anordnungsgemäß ist der mindestens eine Aktor so angeordnet, dass er die Gesamtoberfläche des Trägers vorzugweise in Teilflächen zerlegend mit biostimulativen beziehungsweise suppressiven Gradienten definiert in Richtung, Betrag und Signalform erreichen kann, ohne dass auf einzelne, im Innenraum anders liegende Teilbereiche mit abweichenden, weniger biostimulativen beziehungsweise suppressiven oder gar dem erfindungsgemäßen Anwendungsnutzen entgegenwirkenden Gradienten eingewirkt wird. Bei planaren Oberflächen können die Teilbereiche maximal erweitert werden oder zusammenfallen.According to the arrangement, the at least one actuator is arranged such that it can reach the overall surface of the carrier, preferably dividing into sub-areas defined by biostimulatory or suppressive gradients in the direction, magnitude and signal shape, without affecting individual subareas with divergent, less biostimulatory or internal regions suppressive or even the application benefits according to the invention counteracting gradient is acted upon. For planar surfaces, the subregions can be maximally expanded or coincide.
Anordnungsgemäß erfolgt in vitro die Applizierung topischer elektrischer, elektromagnetischer und mechanotransduktiver Gradienten/Stimuli über Aktoren innerhalb wie außerhalb der Stimulationszelle, die mindestens in einer Dimension an den Wänden beziehungsweise im Zentrum der Stimulationszelle angeordnet sind. Elektrische Stimuli werden über räumlich und zeitlich Stimulationsbereichen zugeordneten Elektrodenanordnungen eingebracht. Chemotaktische Gradienten werden fluidisch, vorzugsweise über die Medienzuführung, eingebracht. Gravitative, mechanotransduktive sowie Beschleunigungsgradienten können über eine entsprechende, vorzugsweise dreh-, kipp- und/oder schwingbare, äußere Lagerung der Stimulationszelle in die Stimulationszelle eingebracht sein. Oberflächenspannungs- sowie Oberflächenenergiegradienten können mittels temporär an oder in dreidimensionalen Implantatformkörpern platzierbaren magnetisierbaren Elementen, z. B. Schichten, Hüllen oder Zylindern, über definiert zugeordnete magnetische Aktoren oder mechanische Belastungseinrichtungen appliziert werden.According to the arrangement, topical electrical, electromagnetic and mechanotransduktive gradient / stimuli are applied in vitro via actuators within and outside the stimulation cell, which are arranged at least in one dimension on the walls or in the center of the stimulation cell. Electrical stimuli are introduced via spatially and temporally stimulation regions associated electrode arrangements. Chemotactic gradients are introduced fluidically, preferably via the media supply. Gravitational, mechanotransduktive and acceleration gradients can be introduced into the stimulation cell via a corresponding, preferably rotary, tiltable and / or swingable, outer support of the stimulation cell. Surface tension and surface energy gradients can be achieved by means of magnetizable elements which can be placed temporarily on or in three-dimensional implant shaped bodies, for example As layers, sheaths or cylinders, via defined associated magnetic actuators or mechanical stress devices are applied.
In der Regel sind die elektrisch, beziehungsweise elektromagnetisch, wirksamen Aktoren in Gestalt von gegenüber dem leitfähigen Medium innerhalb der Stimulationszelle elektrisch leitenden und/oder elektrisch isolierten Elektroden sowie als Magnetfeldspulen, z. B. paarweise an den Innen- oder Außenwänden der Stimulationszelle sich gegenüberstehend, angeordnet. Die Spulenanordnung kann auch den Innenraum in mindestens einer Ebene umschließend ausgebildet sein. Die Feldgeometrie der von den Magnetfeldspulen hervorgerufenen Magnetfeldern ist variierbar.In general, the electrical or electromagnetic, effective actuators in the form of compared to the conductive medium within the stimulation cell electrically conductive and / or electrically insulated electrodes and magnetic field coils, for. B. in pairs on the inner or outer walls of the stimulation cell facing each other, arranged. The coil arrangement can also be designed to surround the interior in at least one plane. The field geometry of the magnetic fields caused by the magnetic field coils can be varied.
Elektroden können als elektrisch leitende, nicht-isolierte Elektroden ausgeführt sein, wodurch ein Stromfluss zwischen mindestens zwei Elektroden und durch das Medium ermöglicht ist. Mittels nicht-isolierter Elektroden sind auf Stromfluss beruhende Messungen durchführbar. Sind die Elektroden elektrisch isoliert gestaltet, können mit diesen elektrische und/oder elektromagnetische Felder in dem Innenraum erzeugt und zur Messung verwendet werden. Die Elektroden können in verschiedenartigen Formen ausgebildet, z. B. streifen-, platten- oder punktförmig oder zu sogenannten Clustern zusammengefasst, sein. Die Elektroden können fest angeordnet oder frei in dem Innenraum positionierbar sein. Dadurch ist vorteilhaft eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung der Messanordnungen gegeben. Es können mehrere nicht-isolierte Elektroden, mehrere isolierte Elektroden und Hybridelektroden angeordnet sein. Von Vorteil ist es, wenn die Form, Anordnung und die Art und Weise der Erzeugung der elektromagnetischen Felder eine ortsaufgelöste Erfassung der Messgrößen erlaubt. Die Elektroden können auch segmentiert sein. Dies kann beispielsweise durch eine räumlich definierte Anordnung einer Anzahl von Elektroden erreicht sein, wobei aus den Unterschieden der Messgrößen je Elektrode und der Kenntnis der Anordnung der jeweiligen Elektroden ein Ort der Erfassung der Messgrößen ableitbar ist.Electrodes can be designed as electrically conductive, non-insulated electrodes, whereby a flow of current between at least two electrodes and through the medium is made possible. By means of non-isolated electrodes measurements based on current flow can be carried out. If the electrodes are designed to be electrically insulated, these can be used to generate electrical and / or electromagnetic fields in the interior and to use them for the measurement. The electrodes may be formed in various shapes, e.g. B. stripe, plate or punctiform or combined to form so-called clusters. The electrodes may be fixed or freely positionable in the interior. This advantageously provides high flexibility in the design of the measuring arrangements. There may be a plurality of non-insulated electrodes, a plurality of insulated electrodes and hybrid electrodes. It is advantageous if the shape, arrangement and the manner of generating the electromagnetic fields allows a spatially resolved detection of the measured variables. The electrodes can also be segmented. This can be achieved, for example, by a spatially defined arrangement of a number of electrodes, wherein a location of the detection of the measured variables can be derived from the differences in the measured variables per electrode and the knowledge of the arrangement of the respective electrodes.
Anordnungsgemäß kann an jeder beliebigen Teilfläche des Zellsubstrats der biostimulative und/oder suppressive Gradient in Gestalt einzelner Gradienten, Gradientenüberlagerungen und/oder Gradientenumlenkung durch Hilfsgradienten/felder in Betrag, Richtung und Form topisch definiert und appliziert werden.According to the arrangement, the biostimulative and / or suppressive gradient in the form of individual gradients, gradient overlays and / or gradient deflection by auxiliary gradients / fields in amount, direction and shape can be topically defined and applied on any subarea of the cell substrate.
Anordnungsgemäß ermöglicht die, beispielsweise axial- und/oder planarsymmetrische, Verteilung und Platzierung der Aktoren in mindestens einer und vorzugsweise in allen drei Raumachsen verfahrensgemäß eine topisch definierte Applizierung der (bio-)stimulativen Gradienten an definierten Teilflächen des Trägers. So können bisher bekannte oder neue Stimulationsverfahren, die vorzugsweise in einer Dimension wirksam sind, mittels der Gesamtanordnung sowie einer räumlich-zeitlich topisch transformierenden Signal- und Aktorsteuerung auf dreidimensionale Träger angewendet werden. According to the arrangement, the distribution and placement of the actuators, for example axially and / or planar symmetrically, in at least one and preferably in all three spatial axes according to the method enables a topically defined application of the (bio) stimulatory gradients to defined partial areas of the support. Thus, hitherto known or new stimulation methods, which are preferably effective in one dimension, can be applied to three-dimensional carriers by means of the overall arrangement as well as a spatially-temporally topically transforming signal and actuator control.
Anordnungsgemäß ist über die Fixierung des dreidimensionalen Trägers innerhalb der Stimulationszelle auch über messtechnische Hilfsmittel, die Topographie bzw. deren Teilflächenauflösung des Formkörpers und deren räumliche Zuordnung zur Verteilung und Ausgestaltung der Aktoren zu gewährleisten, indem das Teilkoordinatensystem des Trägers in das Hauptkoordinatensystem der Stimulationszelle in der nachgelagerten Auswerte-, Speicher- und Steuereinheit integriert und als Dualoberflächensystem (Innenoberfläche der Zelle zur Außenoberfläche des Trägers) berechnet wird.According to the arrangement, the fixation of the three-dimensional support within the stimulation cell can also be ensured via metrological aids, the topography or its partial surface resolution of the shaped body and its spatial allocation to the distribution and design of the actuators, by placing the sub-coordinate system of the support in the main coordinate system of the stimulation cell in the downstream Evaluation, storage and control unit integrated and calculated as dual surface system (inner surface of the cell to the outer surface of the carrier).
Anordnungsgemäß kann es sinnvoll sein, dass die Aufnahmevorrichtung des Trägers so ausgestaltet ist, dass der Träger selbst als Teil der Stimulationsaktorik bzw. der optionalen Monitoringsensorik fungiert. Elektrische Stimuli können, beispielsweise unter Nutzung eines leitfähigen Trägers oder eines leitfähigen Teilbereichs des Trägers als Elektrode, eingebracht werden. Gleichermaßen kann der leitfähige Träger oder dessen Teilbereich auch als Messelektrode für das Monitoring dienen. Mechanische Stimuli können beispielsweise auch durch direkte örtliche Beeinflussung (z. B. durch Bewegungen, Drehungen oder Vibrationen) des Trägers eingebracht werden.According to the arrangement, it can be useful for the receiving device of the carrier to be configured such that the carrier itself acts as part of the stimulation actor or the optional monitoring sensor system. Electrical stimuli may be introduced as an electrode using, for example, a conductive carrier or a conductive portion of the carrier. Likewise, the conductive support or its portion may also serve as a measuring electrode for monitoring. Mechanical stimuli can also be introduced, for example, by direct local influence (for example, by movements, rotations or vibrations) of the wearer.
Anordnungsgemäß kann es sinnvoll sein, dass der Träger an seinen Fixationspunkten mit der Stimulationszelle beweglich angeordnet ist, so dass eine Rotation bzw. Verschiebung dessen Oberfläche gegenüber den stimulierenden Feldern möglich ist, mit dem Ziel, einen größeren Teil oder auch die gesamte Oberfläche des Trägers in die Richtung der stimulierenden Felder zu bringen bzw. zu verschiedenen Gradienten dieser Felder ausrichten zu können.According to the arrangement, it can be useful for the carrier to be movably arranged at its fixation points with the stimulation cell, so that a rotation or displacement of its surface is possible with respect to the stimulating fields, with the aim of covering a larger part or even the entire surface of the carrier to bring the direction of the stimulating fields or to align to different gradients of these fields.
Anordnungsgemäß kann es sinnvoll sein, dass durch den Aktor mehrere Stimuli-Typen gleichzeitig applizierbar sind. So könnten als Elektroden ausgebildete Piezo-Stacks gleichzeitig elektrische und mechanische Stimuli oder magnetisch bewegte Körper oder magnetisierbare Schichten gleichzeitig magnetische und mechanische Stimuli applizieren.According to the arrangement, it may be useful for the actuator to be able to apply several types of stimuli at the same time. Thus, piezoelectric stacks designed as electrodes could at the same time apply electrical and mechanical stimuli or magnetically moved bodies or magnetizable layers simultaneously with magnetic and mechanical stimuli.
Zur Anregung der Anordnung können sowohl definierte Einzelfrequenzen als auch ganze Bänder von Frequenzen im Sinne eines Frequenzdurchlaufs sowie Gleichsignale verwendet werden. Die anregenden Signale können außerdem in ihren Amplituden und ihrer Signalform variiert werden. Die in der Anordnung vorgesehenen Elektroden können in mehrerlei Hinsicht variiert und unterschieden werden. Zum einen hinsichtlich Ihrer Verbindung mit einer leitfähigen Nährlösung/einem Medium in leitende (nasse) und nichtleitende (trockene) Elektroden in Gestalt elektrisch isolierter Elektroden wie auch als elektrisch leitende, galvanische Elektroden, zum anderen hinsichtlich ihrer Geometrie, z. B. in Punkt-, Linien-, und Flächenelektroden, sowie ihrer Anordnung untereinander, z. B. in Einzelelektrodenanordnungen, Rasteranordnungen und freie Anordnungen. Weiterhin lassen sich theoretisch beliebige Kombinationen der vorgesehenen Elektroden zur Anregung verwenden. Vorteilhafterweise werden dazu die Aktoren untereinander oder mit unterschiedlichen Einzelelektroden eines Rasters über der Oberfläche bzw. unter einem besäten Träger (Gradientenerzeugen entlang des Trägers) oder einer Auswahl von Elektroden der Raster realisiert.To excite the arrangement, both defined individual frequencies and whole bands of frequencies in the sense of a frequency sweep and direct signals can be used. The exciting signals can also be varied in their amplitudes and their signal shape. The electrodes provided in the arrangement can be varied and distinguished in several respects. On the one hand with regard to their connection with a conductive nutrient solution / a medium in conductive (wet) and non-conductive (dry) electrodes in the form of electrically insulated electrodes as well as electrically conductive, galvanic electrodes, on the other hand with respect to their geometry, eg. B. in point, line, and surface electrodes, and their arrangement with each other, z. B. in single electrode arrangements, raster arrangements and free arrangements. Furthermore, theoretically, any combination of the intended electrodes can be used for excitation. For this purpose, the actuators are advantageously implemented with one another or with different individual electrodes of a grid above the surface or under a seeded carrier (gradient generation along the carrier) or a selection of electrodes of the grid.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and figures. Show it:
Eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Stimulationszelle gemäß
Aus
Die Stimulationszelle mit aufgesetztem Oberteil
In
Eine Hybridelektrode umfasst gemäß des in
Eine als Clusterelektrode ausgeführte Elektrode ist in
In weiteren Ausführungen der erfindungsgemäßen Stimulationszelle kann das Array auch von elektrisch isolierten Elektroden
Eine Gegenelektrode zu einer Clusterelektrode kann eine weitere Clusterelektrode, eine flächig ausgebildete elektrisch isolierte Elektrode
Die Elektroden
Durch die Auswerte-, Speicher- und Steuereinheit
In
Entsprechend ist die in
Eine die Stimulationszelle in einer Ebene vollständig umschließende Anordnung eines Magnetfelderzeugers
Die Stimulationszelle kann mit einem gesteuerten Antrieb (nicht gezeigt) in Verbindung stehen und mittels des gesteuerten Antriebs beweglich sein. Dadurch kann eine relative Bewegung des Trägers
Eine weiterführende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stimulationszelle ist in
Ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stimulationszelle weist gemäß
Der Träger
Die Geometrie und Position des Zellsubstrats
Die Geometrie der Stimulationszelle kann in der Gestaltung seines Oberteils
Die Träger
In
In weiteren Ausführungen der Stimulationszelle können beide Träger
Je eine Variation der in
In einer Ausführung gemäß der
Wie in den
In weiteren Ausführungen kann auch ein magnetischer Körper
In allen Ausführungen der Stimulationszelle können als Elektroden ausgebildete Piezo-Stacks gleichzeitig elektrische und mechanische Stimuli erzeugen.In all embodiments of the stimulation cell, piezo stacks formed as electrodes can simultaneously generate electrical and mechanical stimuli.
Wie in den
Gemäß
In
Erfindungsgemäß dient die Stimulationszelle einem nicht dynamischen, mehrdimensionalen Verfahren zur Stimulation von in vitro Zell- oder Gewebewachstum in einer definierbaren Grenzflächensituation zwischen einem gewebeähnlichen Bereich und einem Bereich in Gestalt von degradierbaren oder nicht degradierbaren Trägern
Die Stimulation von Zellwachstumsprozessen in einer in vivo/in situ ähnlichen Situation erfolgt über ortsbezogene Erzeugung und zeitlichen Veränderung elektrischer Parameter einer Anordnung von Aktoren.The stimulation of cell growth processes in an in vivo / in situ like situation is accomplished by location based generation and temporal variation of electrical parameters of an array of actuators.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Elektrodeelectrode
- 1a1a
- elektrisch isolierte Elektrodeelectrically insulated electrode
- 1b1b
- elektrisch leitende Elektrodeelectrically conductive electrode
- 1010
- Innenrauminner space
- 1111
- Unterteillower part
- 1212
- Medienzuführungmedia supply
- 1313
- Medienabführungmedia transfer
- 1414
- Oberteiltop
- 15.115.1
- Sackbohrung mit InnengewindeBlind bore with internal thread
- 15.215.2
- DurchgangsbohrungThrough Hole
- 1616
- äußere Elektrodeouter electrode
- 1717
- Umrandungborder
- 1818
- Anschlussconnection
- 1919
- Magnetfelderzeugermagnetic field generator
- 2020
- Zellsubstratcell substrate
- 2121
- Spalt für GastaustauschGap for guest exchange
- 3030
- Aufnahmevorrichtungcradle
- 3131
- Fixiereinrichtungfixing
- 32a32a
- elektrisch isolierte Mittelelektrodeelectrically insulated center electrode
- 32b32b
- elektrisch leitende Mittelelektrodeelectrically conductive center electrode
- 3333
- Isolationisolation
- 34.134.1
- magnetischer Körpermagnetic body
- 34.234.2
- magnetisierbarer Körpermagnetizable body
- 3636
- Trägercarrier
- 4141
- Aufnahmeeinheit für Träger mit Fixier-/KonvektionsbereichenSupport unit for carriers with fixation / convection areas
- 4242
- Träger mit Fixier-/KonvektionsbereichenCarrier with fixation / convection areas
- 4343
- Aufnahmeeinheit für Zellsubstrat mit Fixier-/KonvektionsbereichenAcquisition unit for cell substrate with fixation / convection areas
- 4444
-
Zellsubstrat (für Aufnahmeeinheit
43 )Cell substrate (for recording unit43 ) - 4545
- radiale Elektrodenradial electrodes
- 4646
- Konnektorconnector
- 4747
- Spacer und VerbinderSpacer and connector
- 4848
- Aufnahmeeinheitrecording unit
- 4949
- zusammengesetzte Stimulationszellecomposite stimulation cell
- 5050
- gekammertes Unterteilchambered lower part
- 5151
- StimulationszellenanordnungStimulating cell arrangement
- 5252
- Oberteiltop
- 55 55
- Spaltgap
- 6060
- Anschlussleitungconnecting cable
- 6565
- Auswerte-, Speicher- und SteuereinheitEvaluation, storage and control unit
- MM
- Mediummedium
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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