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 DE 39 23 279 und die DE 10 2004 054 125 A1 genannt. Neben der Zuführung von unterschiedlichsten Wachstums- und Differenzierungsfaktoren (Genaktivierung/Genexpression) besteht das inhärente Stimulationsprinzip in vom fluidischen Prozess am Scaffold abgeleiteten mechanotransduktiven Effekten.Bioreactors have been developed, modified and patented since the nineties of the last century as part of the so-called tissue management. These were mainly characterized by the use of fluidics or microfluidics, which attempt to reproduce the otherwise lacking nutrient, active and signaling supply virtually in vitro and thus also implement signal transduction and taxies. The fluidics became particularly important for the cellular colonization of scaffolds. Exemplary here are the DE 39 23 279 and the DE 10 2004 054 125 A1 called. In addition to the delivery of various growth and differentiation factors (gene activation / gene expression), the inherent stimulation principle consists of mechanotransducing effects derived from the fluidic process at the scaffold.

In J Exp Zool. 1990 Feb; 253(2): 163–76 beschrieben Harris A. K., Pryer N. K. und Paydarfar D. in „Effects of electric fields an fibroblast contractility and cytoskeleton.” eine nichtfluidische elektrische Feldkammer zur Ausrichtung von Osteoblasten in elektrischen Gleichfeldern. Die Zellen richten sich dabei nach einer gewissen Zeit rechtwinklig zu den Feldlinien aus und elongieren ( S. T. Curtze (2006, „Zugkraftmikroskopie an Osteoblasten”, Diss. Humanmedizin, Uni Marburg: 8 ff. ). Diese Feldkammer wurde zur Analyse der Mechanotransduktion von Osteoblasten und nicht zum tissue engineering benutzt.In J Exp Zool. 1990 Feb; 253 (2): 163-76, Harris AK, Pryer NK and Paydarfar D. in "Effects of electric fields on fibroblast contractility and cytoskeleton." a non-fluidic electric field chamber for the alignment of osteoblasts in DC electric fields. The cells align themselves after a certain time at right angles to the field lines and elongate ( ST Curtze (2006, "Tensile Force Microscopy on Osteoblasts", Diss. Human Medicine, University of Marburg: 8 ff. ). This field chamber was used to analyze the mechanotransduction of osteoblasts rather than tissue engineering.

In DE 37 35 702 A1 wird ein Verfahren zur Beeinflussung von Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen in einem Kulturbehälter vorgestellt, bei dem über das Anlegen von elektrischen Gleichfeldern, veränderbar in Richtung und Stärke, elektrische Dipolmomente der Zellen im Sinne einer spontanen Polarisation genutzt werden. Neben der Veränderung des angelegten Gleichfeldes soll auch das elektrische Oberflächenpotential veränderbar sein. Die Vorrichtung dazu basiert auf zwei parallelen, planaren Plattenelektroden, die gegenüber dem Kulturmedium elektrisch isoliert oder elektrisch leitend sind. Die Fläche der Plattenelektroden entspricht der Grundfläche oder mindestens einer Wandinnenfläche des Kulturbehälters. Die Vorrichtung dient der Herstellung von biotechnologisch und biomedizinisch bedeutsamen Zellen, Geweben, Organen und Einzellern sowie von Biosensoren. Eine räumlich gerichtete Entwicklung von Zellen oder Geweben sowie eine Besiedelung von degradierbaren und nicht-degradierbaren Implantatoberflächen und Gewebeersatzstoffen ist nicht vorgesehen.In DE 37 35 702 A1 a method for influencing growth, division and differentiation of cells is presented in a culture container, in which the use of electrical DC fields, changeable in direction and strength, electrical dipole moments of the cells are used in the sense of a spontaneous polarization. In addition to the change in the applied DC field and the electrical surface potential should be changeable. The device for this purpose is based on two parallel, planar plate electrodes, which are electrically insulated from the culture medium or electrically conductive. The area of the plate electrodes corresponds to the base area or at least one inner wall surface of the culture container. The device is used to produce biotechnologically and biomedically important cells, tissues, organs and unicellular organisms as well as biosensors. A spatially directed development of cells or tissues and a colonization of degradable and non-degradable implant surfaces and tissue substitutes is not provided.

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 Caubet, R. et al (2004, A radio frequency electric current enhances antibiotic efficacy against bacterial biofilms, ANTIMICROBIAL AGENTS AND CHEMOTHERAPY: 4662–4664) und van der Borden, A. et al. (2007, Prevention of pin tract infection in external stainless steel fixator frames using electric current in a goat model, Biomaterials 28: 2122–2126) angeführt.Exemplary are the works of Caubet, R. et al (2004, A radio frequency electric current enhances antibiotic efficacy against bacterial biofilms, ANTIMICROBIAL AGENTS AND CHEMOTHERAPY: 4662-4664) and van der Borden, A. et al. (2007, Prevention of pin tract infection in external stainless steel fixator frames using electric current in a goat model, Biomaterials 28: 2122-2126) cited.

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 Hungerer, S. et al. (2008, Elektromagnetische Verfahren bei Knochenheilungsstörungen. Evidenz dieser additiven Maßnahme, Trauma Berufskrankheit 10 [suppl. 2]: 219–225) und Schmidt-Rohlfing, B. et al. (2010, Elektromagnetische Felder, elektrischer Strom und Knochenheilung: was ist gesichert? Electromagnetic Fields, Electric Current and Bone Healing – What is the Evidence?, Z Orthop Unfall: 1–6) versucht, Ergebnisse von Versuchen zur elektrischen und elektromagnetischen Stimulation in Form von Metaanalysen zusammenzufassen, um eine Aussage über deren Wirksamkeit zu erhalten. Zur Signifikanz und Evidenz der zu untersuchenden Verfahren wird die Evidenz von elektrischen und elektromagnetischen Verfahren zur Knochenheilung anhand vorhandener randomisierter klinischen Studien diskutiert und beurteilt.Also known are writings on the stimulatory influence of pulsed electromagnetic or magnetic fields on the growth primarily of bone, cartilage and muscle tissue. Thus was in two review publications of Hungerer, S. et al. (2008, Electromagnetic Procedures in Bone Healing Disorders. Evidence of this Additive Measure, Trauma Occupational Disease 10 [suppl. 2]: 219-225) and Schmidt-Rohlfing, B. et al. (2010, Electromagnetic Fields, Electricity and Bone Healing: What Is Secured? Electromagnetic Fields, Electric Current and Bone Healing - What is the Evidence ?, Z Orthop Accident: 1-6) attempts to summarize the results of experiments on electrical and electromagnetic stimulation in the form of meta-analyzes in order to obtain information about their effectiveness. For the significance and evidence of the procedures to be examined, the evidence of electrical and electromagnetic procedures for bone healing is discussed and assessed on the basis of existing randomized clinical studies.

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. Hersteller Frequenzbereich [Hz] Stromstärke [A] Maximale Magnetfelddichte [mT] 1 1–60 0–17 0,001–0,02 2 1–25 - 3–5 3 - - 0,5–5 4 0,5–300 0,001–1,2 4,5 5 0,1–40 0–3,5 0,001–10 6 0,5–20 - 2–20 7 0,001–38.000 - 15 8 1–10.000 0,00006–0,455 Bis 0,15 9 0,2–20 3–5 0,005–0,035 10 2–20 3–5 0–10 11 1–1000 - 100–180 Tabelle 1 Quelle ist eine Umfrage zu einem Gutachten von Prof. Gabriel zur magnetisch induzierten Elektrostimulation, Landessozialgericht NRW, Az LSKR 245/00Table 1 lists commercial stimulation devices with the accompanying technical parameters. Manufacturer Frequency range [Hz] Current [A] Maximum magnetic field density [mT] 1 1-60 0-17 0.001-0.02 2 1-25 - 3-5 3 - - 0.5-5 4 0.5-300 0.001 to 1.2 4.5 5 0.1-40 0-3,5 0.001-10 6 0.5-20 - 2-20 7 0.001 to 38,000 - 15 8th 1-10000 0.00006 to 0.455 To 0.15 9 0.2-20 3-5 0.005 to 0.035 10 2-20 3-5 0-10 11 1-1000 - 100-180 Table 1 Source is a survey on a report by Prof. Gabriel on magnetically induced electrostimulation, Landessozialgericht NRW, Az LSKR 245/00

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.
The suppressive and stimulatory methods and methods known from the abovementioned patent and technical literature, some of which are already in practical use, differ in the respective gradients acting on the surfaces, the interfaces or in the moldings:
  • - 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.
In order to come as close as possible to the in situ situation to be simulated, the stimulation cell should:
  • 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.
It takes place
  • 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:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stimulationszelle in einer seitlichen Schnittzeichnung; 1 a first embodiment of a stimulation cell according to the invention in a side sectional view;

2 das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stimulationszelle in der Draufsicht auf das Unterteil der Stimulationszelle; 2 the first embodiment of the stimulation cell according to the invention in the plan view of the lower part of the stimulation cell;

3 das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stimulationszelle in der Draufsicht auf die Stimulationszelle mit aufgesetztem Oberteil; 3 the first embodiment of the stimulation cell according to the invention in the plan view of the stimulation cell with attached upper part;

4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Aktors mit elektrisch isolierten und elektrisch leitenden Elektroden; 4 a first embodiment of an actuator with electrically insulated and electrically conductive electrodes;

5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Aktors mit elektrisch isolierten und elektrisch leitenden Elektroden als eine Hybridelektrode; 5 a second embodiment of an actuator with electrically insulated and electrically conductive electrodes as a hybrid electrode;

6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Aktors mit elektrisch isolierten und elektrisch leitenden Elektroden als eine Clusterelektrode; 6 a third embodiment of an actuator with electrically insulated and electrically conductive electrodes as a cluster electrode;

7 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stimulationszelle mit einer vertikal angeordneten Magnetfeldspule; 7 a second embodiment of the stimulation cell according to the invention with a vertically arranged magnetic field coil;

8 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stimulationszelle mit einer horizontal angeordneten Magnetfeldspule; 8th A third embodiment of the stimulation cell according to the invention with a horizontally arranged magnetic field coil;

9 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stimulationszelle mit einer horizontal angeordneten Magnetfeldspule; 9 A fourth embodiment of a stimulation cell according to the invention with a horizontally arranged magnetic field coil;

10 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stimulationszelle in einer seitlichen Schnittzeichnung mit Aufnahmevorrichtung; 10 a fifth embodiment of a stimulation cell according to the invention in a lateral sectional drawing with receiving device;

11 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stimulationszelle in einer seitlichen Schnittzeichnung mit Aufnahmevorrichtung; 11 a sixth embodiment of a stimulation cell according to the invention in a side sectional drawing with receiving device;

12 ein siebentes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stimulationszelle mit einem planaren magnetischem Körper in einer seitlichen Schnittzeichnung; 12 a seventh embodiment of a stimulation cell according to the invention with a planar magnetic body in a sectional side view;

13 ein achtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stimulationszelle mit einem planaren magnetisierbaren Körper und Spalt in einer seitlichen Schnittzeichnung; 13 an eighth embodiment of a stimulation cell according to the invention with a planar magnetizable body and gap in a side sectional view;

14 ein neuntes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stimulationszelle mit einem bogenförmigen magnetisierbaren Körper in einer seitlichen Schnittzeichnung; 14 a ninth embodiment of a stimulation cell according to the invention with an arcuate magnetizable body in a side sectional view;

15 ein zehntes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stimulationszelle mit einem bogenförmigen magnetisierbaren Körper und Spalt in einer seitlichen Schnittzeichnung; 15 A tenth embodiment of a stimulation cell according to the invention with an arcuate magnetizable body and gap in a side sectional view;

16 ein elftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stimulationszelle in Explosionsdarstellung und 16 an eleventh embodiment of a stimulation cell according to the invention in an exploded view and

17 ein Array von sechs erfindungsgemäßen Stimulationszellen in Explosionsdarstellung. 17 an array of six stimulation cells according to the invention in an exploded view.

Eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Stimulationszelle gemäß 1 weist als wesentliche Elemente einen aus einem Unterteil 11 und einem Oberteil 14 bestehenden und einen Innenraum 10 umschließenden Korpus, sowie als Aktoren fungierende Elektroden 1, die als elektrisch isolierte Elektroden 1a an Außenseiten der Wände des Unterteils 11 und des Oberteils 14, sowie elektrisch leitende Elektroden 1b an den Innenseiten der Wände des Unterteils 11 und des Oberteils 14 angeordnet sind. Ein als Träger 36 dienender Implantatformkörper (nicht gezeigt) aus einem biodegradierbaren Material ist in dem Innenraum 10 angeordnet. In einer seitlichen Wand des Unterteils 11 ist eine Medienzuführung 12 und in einer anderen Wand eine Medienabführung 13 zur Zu- und Abführung eines elektrisch leitenden Mediums M (nur angedeutet) in und aus dem Innenraum 10 vorhanden. Damit kann die Stimulationszelle an ein Pumpen- und Reservoir- sowie an ein Mikrotröpfchenentnahmesystem (alle nicht gezeigt) angeschlossen werden, um die Nährstoff-, Sauerstoff- und/oder Signalstoffversorgung der Zellen und Gewebe zu gewährleisten sowie andere biologische Organismen gezielt in den Spaltbereich einbringen zu können. Außerdem ist mit einer solchen Anordnung eine definierte Druck- und Strömungsbelastungssituation im Spaltbereich temporär oder periodisch oder dauerhaft, beispielsweise für mechanotransduktive Simulation von Belastungs- und/oder Bewegungssituationen, erzeugbar. Über das Medium M können definiert einbringbare biologische und/oder biochemische und/oder chemische Stoffe, Substanzen, Elemente, Isotope und/oder chemische Verbindungen genutzt werden.A first embodiment of a stimulation cell according to the invention 1 has as essential elements one from a lower part 11 and a top 14 existing and an interior 10 enclosing body, as well as actuators acting electrodes 1 acting as electrically isolated electrodes 1a on outsides of the walls of the base 11 and the shell 14 , as well as electrically conductive electrodes 1b on the insides of the walls of the base 11 and the shell 14 are arranged. One as a carrier 36 serving implant molding (not shown) of a biodegradable material is in the interior 10 arranged. In a side wall of the base 11 is a media feed 12 and in another wall a media drain 13 for the supply and removal of an electrically conductive medium M (only indicated) in and out of the interior 10 available. Thus, the stimulation cell can be connected to a pump and reservoir as well as to a microdroplet removal system (all not shown) to ensure the supply of nutrients, oxygen and / or signal to the cells and tissues and to target other biological organisms into the cleft area can. In addition, with such an arrangement, a defined pressure and flow load situation in the gap region can be generated temporarily or periodically or permanently, for example for mechanotransduktive simulation of stress and / or movement situations. Via the medium M, it is possible to use defined biologically and / or biochemical and / or chemical substances, substances, elements, isotopes and / or chemical compounds.

Aus 2 ist ersichtlich, dass alle Elektroden 1 rechteckig und planar ausgeführt sind und jeweils über Bereiche der Innen- beziehungsweise Außenwände des Unterteils 11 und des Oberteils 14 (siehe 3) reichen. In Stoßbereichen der seitlichen Wände des Unterteils 11 sind Sackbohrungen mit je einem Innengewinde 15.1 vorhanden, die eine lösbare Befestigung eines Oberteils 14 (siehe 3) mittels Schraubverbindungen erlauben. Der Träger 36 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt.Out 2 it can be seen that all the electrodes 1 are executed rectangular and planar and respectively over areas of the inner and outer walls of the lower part 11 and the shell 14 (please refer 3 ) pass. In abutting areas of the lateral walls of the lower part 11 are blind holes, each with an internal thread 15.1 present, which is a detachable attachment of a shell 14 (please refer 3 ) by means of screw connections. The carrier 36 is not shown for reasons of clarity.

Die Stimulationszelle mit aufgesetztem Oberteil 14 ist in 3 gezeigt. Korrespondierend zu den Sackbohrungen mit Innengewinde 15.1 (siehe 2) sind in dem Oberteil 14 Durchgangsbohrungen 15.2 vorhanden, durch die Schrauben (nicht gezeigt) steckbar und in die Sackbohrungen mit Innengewinde 15.1 eindrehbar sind. Dargestellt sind die elektrisch isolierten Elektroden 1a des Oberteils 14 und der seitlichen Wände des Unterteils 11, sowie Medienzuführung 12 und Medienabführung 13. The stimulation cell with attached upper part 14 is in 3 shown. Corresponding to the blind holes with internal thread 15.1 (please refer 2 ) are in the shell 14 Through holes 15.2 available, by the screws (not shown) pluggable and in the blind holes with internal thread 15.1 are rotatable. Shown are the electrically insulated electrodes 1a of the top 14 and the side walls of the base 11 , as well as media feeder 12 and media removal 13 ,

In 4 sind zwei Aktoren gezeigt, die je eine elektrisch isolierte Elektrode 1a und eine elektrisch leitende Elektrode 1b aufweisen. Die elektrisch leitende Elektrode 1b ist von der elektrisch isolierten Elektrode 1a umfangen und gegeneinander elektrisch isoliert. Beide Elektroden 1 sind unsegmentiert und können als globale Elektroden bezeichnet werden. Der quadratische gestaltete Aktor kann beispielsweise in Stimulationszellen gemäß 1 bis 3 an den Grundflächen des Unterteils 11 und/oder des Oberteils 14 angeordnet sein. Der rechteckig gestaltete Aktor kann an seitlichen Wänden des Unterteils 11 und/oder des Oberteils 14 angeordnet sein.In 4 Two actuators are shown, each with an electrically isolated electrode 1a and an electrically conductive electrode 1b exhibit. The electrically conductive electrode 1b is from the electrically isolated electrode 1a surrounded and electrically isolated from each other. Both electrodes 1 are unsegmented and can be called global electrodes. The square-shaped actuator can, for example, in stimulation cells according to 1 to 3 at the base of the lower part 11 and / or the top 14 be arranged. The rectangular shaped actuator can be attached to the side walls of the base 11 and / or the top 14 be arranged.

Eine Hybridelektrode umfasst gemäß des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels eine gegen das Medium M elektrisch isolierte Elektrode 1a und eine elektrisch leitende Elektrode 1b, die jeweils über Anschlüsse 18 ansteuerbar sind. Eine solche Hybridelektrode kann in dem Innenraum 10 einer Stimulationszelle angeordnet sein, wodurch an den Außenwänden der Stimulationszelle angeordnete Elektroden 1 (siehe z. B. 1) ersetzbar oder ergänzbar sind.A hybrid electrode comprises according to the in 5 shown embodiment, an electrically isolated against the medium M electrode 1a and an electrically conductive electrode 1b , each with connections 18 are controllable. Such a hybrid electrode may be in the interior 10 a stimulation cell, whereby arranged on the outer walls of the stimulation cell electrodes 1 (see eg 1 ) are replaceable or suppliable.

Eine als Clusterelektrode ausgeführte Elektrode ist in 6 schematisch dargestellt. Die Clusterelektrode besteht aus einer Anzahl von einzelnen elektrisch leitenden Elektroden 1b, die, jeweils voneinander beabstandet, in einem Array angeordnet sind. Das Array (Clusterelektrodenanordnung) ist von einer äußeren Elektrode 16 (globale Elektrode) umfangen. Zwischen der äußeren Elektrode 16 und dem Array liegt ein als Umrandung 17 bezeichneter Bereich. Die Umrandung 17 kann entweder als ein elektrisch isolierender Bereich oder als eine Massereferenzelektrode ausgebildet sein. Jede der Elektroden 1 des Arrays und die äußere Elektrode 16 weist je einen Anschluss 18 auf und ist über eine Anschlussleitung 60 mit einer Auswerte-, Speicher- und Steuereinheit 65 verbunden (vereinfacht dargestellt).An electrode designed as a cluster electrode is in 6 shown schematically. The cluster electrode consists of a number of individual electrically conductive electrodes 1b , which are spaced apart, arranged in an array. The array (cluster electrode assembly) is from an outer electrode 16 (global electrode). Between the outer electrode 16 and the array is a border 17 designated area. The border 17 may be formed either as an electrically insulating region or as a ground reference electrode. Each of the electrodes 1 of the array and the outer electrode 16 has one connection each 18 on and is over a connection line 60 with an evaluation, storage and control unit 65 connected (simplified).

In weiteren Ausführungen der erfindungsgemäßen Stimulationszelle kann das Array auch von elektrisch isolierten Elektroden 1a oder von Hybridelektroden gebildet sein.In further embodiments of the stimulation cell according to the invention, the array can also be of electrically insulated electrodes 1a or be formed by hybrid electrodes.

Eine Gegenelektrode zu einer Clusterelektrode kann eine weitere Clusterelektrode, eine flächig ausgebildete elektrisch isolierte Elektrode 1a, eine flächig ausgebildete elektrisch leitende Elektrode 1b (globale Elektroden) sowie eine Kombination der vorgenannten Elektroden 1 sein. Mehrere Elektroden einer Clusterelektrode können gemeinsam angesteuert sein.A counter electrode to a cluster electrode may be another cluster electrode, a flat electrically insulated electrode 1a , a flat electrically conductive electrode 1b (Global electrodes) and a combination of the aforementioned electrodes 1 be. Several electrodes of a cluster electrode can be driven together.

Die Elektroden 1 können auch in Gestalt von orthogonal isoliert sich kreuzenden Streifenelektroden sowie als Punkt-Ring-Elektrodencluster (nicht gezeigt) angeordnet werden.The electrodes 1 may also be arranged in the form of orthogonally isolated stripe stripe electrodes and as a dot-ring electrode cluster (not shown).

Durch die Auswerte-, Speicher- und Steuereinheit 65 sind die Elektroden 1 einzeln oder in Gruppen ansteuer- und frequenzbasiert anregbar, um die Migration, Adhäsion, Proliferation, Ausdifferenzierung und Ausbildung einer EZM, eine Bildung von Mono- und Multilayern von Zellen, eine Maturierung oder die Biofilmbildung, Suppression sowie weitere zelluläre Prozesse zu stimulieren.Through the evaluation, storage and control unit 65 are the electrodes 1 individually or in groups controllable and frequency-based to stimulate the migration, adhesion, proliferation, differentiation and development of ECM, formation of monolayers and multilayers of cells, maturation or biofilm formation, suppression and other cellular processes.

In 7 ist eine Stimulationszelle gezeigt, der in einer, in vertikaler Richtung der Stimulationszelle verlaufenden, Ebene auf vier Seiten je eine Magnetfeldspule als je ein Magnetfelderzeuger 19 zugeordnet ist. Die Stimulationszelle und die Magnetfelderzeuger 19 sind so zueinander beabstandet, dass die Stimulationszelle mindestens bereichsweise in jedem der durch die Magnetfelderzeuger 19 erzeugten magnetischen Felder liegt.In 7 a stimulation cell is shown, in a running in the vertical direction of the stimulation cell level on four sides each have a magnetic field coil as a respective magnetic field generator 19 assigned. The stimulation cell and the magnetic field generator 19 are spaced apart so that the stimulation cell at least partially in each of the by the magnetic field generator 19 generated magnetic fields.

Entsprechend ist die in 8 gezeigte Stimulationszelle gestaltet, der Magnetfelderzeuger 19 zugeordnet sind, die in einer, in horizontaler Richtung der Stimulationszelle verlaufenden, Ebene angeordnet sind. Die Magnetfelderzeuger 19 sind durch die Auswerte-, Speicher- und Steuereinheit 65 (nicht gezeigt) steuerbar. Die magnetischen Felder sind hinsichtlich ihrer Parameter wie Geometrie und/oder Feldstärken gesteuert variierbar.Accordingly, the in 8th designed stimulation cell, the magnetic field generator 19 are assigned, which are arranged in a plane extending in the horizontal direction of the stimulation cell. The magnetic field generator 19 are through the evaluation, storage and control unit 65 (not shown) controllable. The magnetic fields are controlled in terms of their parameters such as geometry and / or field strengths varied.

Eine die Stimulationszelle in einer Ebene vollständig umschließende Anordnung eines Magnetfelderzeugers 19 ist in 9 gezeigt. Kombinationen der vorgenannten Magnetfelderzeuger 19 sind in weiteren Ausführungen der Stimulationszelle möglich.An arrangement of a magnetic field generator completely enclosing the stimulation cell in a plane 19 is in 9 shown. Combinations of the aforementioned magnetic field generator 19 are possible in further versions of the stimulation cell.

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 36 zu dem Aktor und einem durch den Aktor erzeugten Gradienten bewirkt sein. The stimulation cell may be in communication with a controlled drive (not shown) and may be movable by the controlled drive. This can cause a relative movement of the wearer 36 be effected to the actuator and a gradient generated by the actuator.

Eine weiterführende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stimulationszelle ist in 10 schematisch gezeigt. In dem Innenraum 10 ist eine Aufnahmevorrichtung 30 zur Aufnahme und Fixierung eines Trägers 36 in dem Innenraum 10 vorhanden. Die Aufnahmevorrichtung 30 ist symmetrisch gestaltet und erlaubt die Aufnahme und Fixierung zweier Träger 36 in Form je eines planaren Formkörpers. Die Aufnahmevorrichtung 30 ist über je einen Verstellbereich entlang aller Raumachsen verstellbar, so dass die Träger 36 innerhalb eines durch die Verstellbereiche gegebenen Raums positionierbar sind. Der Innenraum 10 ist durch ein wannenförmiges, nach einer Seite offenes Unterteil 11, sowie ein die offene Seite des Unterteils 11 überdeckendes Oberteil 14 umschlossen. Aus Gründen der Darstellbarkeit ist die Stimulationszelle hochkant gestellt gezeigt. Zwischen dem Oberteil 14 und dem Unterteil 11 ist ein umlaufender Spalt zum Gasaustausch 21 vorhanden. An einer Wand des Unterteils 11 ist an der Außenseite der Wand eine elektrisch isolierte Elektrode 1a und an der Innenseite eine elektrisch leitende Elektrode 1b vorhanden. Die Aufnahmevorrichtung 30 ragt orthogonal von der Wand des Unterteils 11 in Richtung des Oberteils 14 und durchspannt den Innenraum 10. Entlang dieser Richtung werden nachfolgend die einzelnen Elemente der Stimulationszelle beschrieben. In einem Abstand und parallel zur Wand ist ein Träger 36 gehalten. Auf seiner der Wand abgewandten Seite ist parallel zu dem Träger 36 ein Zellsubstrat 20 vorhanden, das von dem Träger 36 durch einen gleichbleibenden Spalt 55 getrennt ist. Die dem Träger 36 abgewandte Seite des Zellsubstrats 20 ist einer flächig ausgebildeten elektrisch leitenden Mittelelektrode 32b zugewandt und von dieser beabstandet. Die elektrisch leitende Mittelelektrode 32b ist einer elektrisch isolierten Mittelelektrode 32a zugewandt und von dieser durch eine Isolation 33 getrennt. Der elektrisch isolierten Mittelelektrode 32a folgen eine Isolation 33, eine elektrisch leitende Mittelelektrode 32b, ein Zellsubstrat 20, ein Spalt 55, ein Träger 36, eine elektrisch leitende Elektrode 1b und eine elektrisch isolierte Elektrode 1a, wobei die elektrisch leitende Elektrode 1b und die elektrisch isolierte Elektrode 1a durch eine Isolation 33 getrennt sind. Der beschriebenen Anordnung von Elementen folgt das Oberteil 14. Die elektrisch isolierte Mittelelektrode 32a und die elektrisch leitende Mittelelektrode 32b sind über Anschlüsse 18 ansteuerbar. In den oben und unten dargestellten Wänden des Unterteils 11 sind jeweils eine elektrisch leitende Elektrode 1b und eine elektrisch isolierte Elektrode 1a angeordnet. In der oberen Wand ist außerdem eine Medienzuführung 12 und in der unteren Wand eine Medienabführung 13 vorhanden. Die Aufnahmevorrichtung 30 ist auch in sich verstellbar, so dass eine Spaltbreite des Spalts 55 einstellbar ist. Die Spaltbreite ist im Ausführungsbeispiel bis 350 μm einstellbar, sie kann in weiteren Ausführungen auch bis 3 mm einstellbar sein.A further embodiment of the stimulation cell according to the invention is in 10 shown schematically. In the interior 10 is a cradle 30 for receiving and fixing a carrier 36 in the interior 10 available. The cradle 30 is symmetrical and allows the recording and fixation of two carriers 36 each in the form of a planar shaped body. The cradle 30 is adjustable via each adjustment range along all spatial axes, so that the carrier 36 be positioned within a given by the adjustment space space. The interior 10 is by a trough-shaped, open to one side lower part 11 , as well as the open side of the base 11 covering top 14 enclosed. For reasons of representability, the stimulation cell is shown edgewise. Between the shell 14 and the lower part 11 is a circumferential gap for gas exchange 21 available. On a wall of the lower part 11 is on the outside of the wall an electrically insulated electrode 1a and on the inside an electrically conductive electrode 1b available. The cradle 30 protrudes orthogonally from the wall of the base 11 in the direction of the top 14 and spans the interior 10 , Along this direction, the individual elements of the stimulation cell will be described below. At a distance and parallel to the wall is a carrier 36 held. On its side facing away from the wall is parallel to the carrier 36 a cell substrate 20 present, that of the carrier 36 through a constant gap 55 is disconnected. The carrier 36 opposite side of the cell substrate 20 is a flat electrically conductive center electrode 32b facing and spaced from this. The electrically conductive center electrode 32b is an electrically isolated center electrode 32a facing and from this by an isolation 33 separated. The electrically isolated center electrode 32a follow an isolation 33 , an electrically conductive center electrode 32b , a cell substrate 20 , A gap 55 , A carrier 36 , an electrically conductive electrode 1b and an electrically insulated electrode 1a , wherein the electrically conductive electrode 1b and the electrically insulated electrode 1a through an isolation 33 are separated. The described arrangement of elements follows the upper part 14 , The electrically isolated center electrode 32a and the electrically conductive center electrode 32b are about connections 18 controllable. In the walls of the lower part shown above and below 11 are each an electrically conductive electrode 1b and an electrically insulated electrode 1a arranged. In the upper wall is also a media feeder 12 and in the bottom wall a media discharge 13 available. The cradle 30 is also adjustable in itself, so that a gap width of the gap 55 is adjustable. The gap width is adjustable in the embodiment up to 350 microns, it can be adjusted in other versions to 3 mm.

Ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stimulationszelle weist gemäß 11 ein nach oben offenes Unterteil 11 auf, an dessen unterer Wand und an den seitlichen Wänden jeweils eine elektrisch isolierte Elektrode 1a und eine elektrisch leitende Elektrode 1b angeordnet ist. Jede seitliche Wand weist eine Medienzuführung 12 und eine Medienabführung 13 auf. In weiteren Ausgestaltungen der Stimulationszelle können auch andere Anzahlen und/oder Anordnungen der Medienzuführung 12 und der Medienabführung 13 vorhanden sein. Der Innenraum 10 ist durch das Oberteil 14 abgeschlossen und über einen horizontal verlaufenden Spalt zum Gasaustausch 21 mit der Umgebung verbunden. Das Oberteil 14 ist ohne Elektroden 1 ausgeführt. Im Bereich der Isolation 33 ist eine als Massereferenzelektrode ausgebildete Umrandung 17 vorhanden. Die Ausgestaltung der Aufnahmevorrichtung 30 und der sonstigen Elemente der Stimulationszelle entspricht 10.A sixth embodiment of the stimulation cell according to the invention comprises according to 11 an upwardly open lower part 11 on, on its lower wall and on the side walls in each case an electrically insulated electrode 1a and an electrically conductive electrode 1b is arranged. Each side wall has a media feeder 12 and a media transfer 13 on. In further embodiments of the stimulation cell, other numbers and / or arrangements of the media supply can also be used 12 and the media removal 13 to be available. The interior 10 is through the shell 14 completed and over a horizontally extending gap for gas exchange 21 connected to the environment. The top 14 is without electrodes 1 executed. In the field of insulation 33 is a border formed as a ground reference electrode 17 available. The embodiment of the recording device 30 and the other elements of the stimulation cell corresponds 10 ,

Der Träger 36 kann in weiteren Ausführungen auch nicht-planar gestaltet sein. Die Spaltbreite des Spalts 55 kann auch über seine Ausdehnung veränderlich sein.The carrier 36 may also be designed non-planar in other embodiments. The gap width of the gap 55 may also be variable over its extent.

Die Geometrie und Position des Zellsubstrats 20 kann der Geometrie und der Position des Trägers 36 zur Gewährleistung eines definierten Spalts 55 angepasst werden.The geometry and position of the cell substrate 20 can the geometry and position of the carrier 36 to ensure a defined gap 55 be adjusted.

Die Geometrie der Stimulationszelle kann in der Gestaltung seines Oberteils 14 und Unterteils 11 der Geometrie und Position der Träger 36 angepasst werden. Die Ober- und Unterteile 14, 11 können eine Quader-, Zylinder-, Kugel- und/oder Halbkugelform sowie alle zusammengesetzten Formen und deren Kombinationen aufweisen.The geometry of the stimulation cell may be in the design of its upper part 14 and bottoms 11 the geometry and position of the beams 36 be adjusted. The upper and lower parts 14 . 11 may have a cuboid, cylindrical, spherical and / or hemispherical shape and all the composite shapes and their combinations.

Die Träger 36 können im Innenraum 10 bezüglich der Ober- und Unterteile 14, 11, beweglich angeordnet sein. Eine dem Träger 36 geometrisch anpassbare Anordnung des Zellsubstrats 20 kann ebenfalls vorteilhaft sein. In der Stimulationszelle können auch mehrere Träger 36 angeordnet sein.The carriers 36 can in the interior 10 concerning the upper and lower parts 14 . 11 be arranged to be movable. A the carrier 36 geometrically adaptable arrangement of the cell substrate 20 may also be advantageous. In the stimulation cell can also be several carriers 36 be arranged.

In 12 ist eine Stimulationszelle, wie sie in 1 beschrieben ist, mit einer Aufnahmevorrichtung 30 gezeigt, in der voneinander beabstandet zwei Träger 36 in je einer Fixiereinrichtung 31 gehalten sind. Der Innenraum 10 ist mit einem Medium M ausgefüllt, in dem Zellen suspendiert sind. Zwischen den Trägern 36 ist ein magnetischer Körper 34.1 in Form einer magnetischen Platte angeordnet. Der magnetische Körper 34.1 ist durch eine Isolation 33 umschlossen, die einen Kontakt des Mediums M mit dem magnetischen Körper 34.1 verhindert, um mögliche zytotoxische Wirkungen des Materials des magnetischen Körpers 34.1 zu unterbinden. Der oben angeordnet dargestellte Träger 36 dient als Gegenlager für den magnetischen Körper 34.1 und die Isolation 33 und wird nicht besiedelt (passiver Träger 36). Durch die gezeigte Anordnung ist neben einer Stimulation mittels eines magnetischen Feldes auch eine Kraft auf eine Seite der Träger 36 aufzubringen. In 12 is a stimulation cell, as in 1 is described with a recording device 30 shown in the spaced apart two carriers 36 in each case a fixing device 31 are held. The interior 10 is filled with a medium M in which cells are suspended. Between the carriers 36 is a magnetic body 34.1 arranged in the form of a magnetic plate. The magnetic body 34.1 is through an isolation 33 enclosed, the contact of the medium M with the magnetic body 34.1 prevents possible cytotoxic effects of the material of the magnetic body 34.1 to prevent. The carrier arranged above arranged 36 serves as an abutment for the magnetic body 34.1 and the isolation 33 and is not populated (passive carrier 36 ). The arrangement shown, in addition to a stimulation by means of a magnetic field and a force on one side of the carrier 36 applied.

In weiteren Ausführungen der Stimulationszelle können beide Träger 36 besiedelt werden oder bereits besät (aktive Träger 36) in den Innenraum 10 eingebracht sein.In further embodiments of the stimulation cell, both carriers 36 be colonized or already seeded (active carriers 36 ) in the interior 10 be introduced.

13 zeigt die Stimulationszelle, wie in 1, mit einer Aufnahmevorrichtung 30 mit Fixiereinrichtungen 31, in der zwischen zwei parallel zueinander ausgerichteten Trägern 36 ein magnetisierbarer Körper 34.2 angeordnet ist. Zwischen den Trägern 36 ist eine Isolation 33 zur elektrischen Isolation sowie zur Unterbindung zytotoxischer Wirkungen des magnetisierbaren Körpers 34.2 vorhanden. Jedem der Träger 36 ist auf der dem magnetisierbaren Körper 34.2 abgewandten Seite je ein, durch je einen Spalt 55 beabstandetes, Zellsubstrat 20 zugeordnet. 13 shows the stimulation cell as in 1 , with a cradle 30 with fixators 31 in which between two mutually parallel straps 36 a magnetizable body 34.2 is arranged. Between the carriers 36 is an isolation 33 for electrical insulation and to prevent cytotoxic effects of the magnetizable body 34.2 available. Each of the carriers 36 is on the magnetizable body 34.2 one side away, each with a gap 55 spaced, cell substrate 20 assigned.

Je eine Variation der in 12 gezeigten Stimulationszelle zeigen die 14 und 15. In 14 ist ein halbkreisförmig gewölbter Träger 36 der Aufnahmevorrichtung 30 gehalten. Der Träger 36 ist über seine distalen Bereiche in der Fixiereinrichtung 31 gehalten, während unter einem zentralen Bereich des Trägers 36 ein kalottenförmiger, nach oben gewölbter Aufbau mehrerer Schichten vorhanden ist. Unter dem Träger 36 sind ein ebenfalls entsprechend gewölbter magnetisierbarer Körper 34.2, eine elektrisch leitende Mittelelektrode 32b und eine Isolation 33 angeordnet.Depending on a variation of 12 show the stimulation cell shown 14 and 15 , In 14 is a semicircular arched beam 36 the cradle 30 held. The carrier 36 is over its distal areas in the fixator 31 held while under a central area of the carrier 36 a dome-shaped, upwardly arched structure of several layers is present. Under the carrier 36 are also a correspondingly curved magnetizable body 34.2 , an electrically conductive center electrode 32b and an isolation 33 arranged.

In einer Ausführung gemäß der 15 sind über dem gewölbten, zentralen Bereich des Trägers 36 zusätzlich ein ebenfalls gewölbter Spalt 55 und ein Zellsubstrat 20 vorhanden.In an embodiment according to the 15 are above the arched, central area of the vehicle 36 in addition a likewise arched gap 55 and a cell substrate 20 available.

Wie in den 14 und 15 dargestellt, kann ein magnetisierbarer Körper 34.2 angeordnet sein. Wird diese Anordnung mit Magnetfelderzeugern 19 kombiniert, so kann mittels magnetischer Felder mit einer definiert variierbaren Feldgeometrie ein magnetischer Gradient erzeugt werden, der, vermittelt über den magnetisierbaren Körper 34.2, auf den Träger 36 wirken kann. Damit können an der Oberfläche des Trägers 36 Spannungszustände bis hin zu Vibrationen erzeugt werden, wenn der magnetisierbare Körper 34.2 sich zumindest in einem partiell nichthomogenen Feldbereich befindet.As in the 14 and 15 shown, a magnetizable body 34.2 be arranged. Will this arrangement with magnetic field generators 19 combined, a magnetic gradient can be generated by means of magnetic fields with a defined variable field geometry, which, mediated via the magnetizable body 34.2 , on the carrier 36 can work. So that can be on the surface of the carrier 36 Voltage states are generated all the way to vibrations when the magnetizable body 34.2 is at least in a partially non-homogeneous field area.

In weiteren Ausführungen kann auch ein magnetischer Körper 34.1 oder eine Kombination von mindestens je einem magnetischen Körper 34.1 und einem magnetisierbaren Körper 34.2 angeordnet sein.In other embodiments may also be a magnetic body 34.1 or a combination of at least one magnetic body each 34.1 and a magnetizable body 34.2 be arranged.

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 16 und 17 dargestellt, kann die Stimulationszelle auch nichtfluidisch als statisches System ausgebildet sein, in dem aber ebenso eine definierte Spaltsituation mit gravitativ positiven wie negativen Gradienten erzeugt werden kann.As in the 16 and 17 illustrated, the stimulation cell may also be formed non-fluidically as a static system, but in which also a defined gap situation with gravitationally positive as well as negative gradient can be generated.

Gemäß 16 wird zwischen einer in einer unteren Aufnahmeeinheit für Träger mit Fixier-/Konvektionsbereichen 41 platzierten Träger 36 oder ein Träger mit Fixier-/Konvektionsbereichen 42 mit gravitativ positiven Gradienten ein Spalt 55 mit einer Spaltbreite von 350 μm zu einer Aufnahmeeinheit für Zellsubstrat mit Fixier-/Konvektionsbereichen 43, beinhaltend ein Zellsubstrat 44, hergestellt, auf die weiter aufbauend eine Aufnahmeeinheit 48 mit Fixier-/Konvektionsbereichen für horizontal zwei radiale Elektroden 45, die über einen isolierenden Spacer und Verbinder 47 verbunden sind, platziert werden können. Radiale Elektroden 45 sind über vertikale Bohrungen in Fixierbolzen einer Aufnahmeeinheit 48 mittels vertikaler Konnektoren 46 verbunden. Auf vorhandene obere Auflageflächen in der Aufnahmeeinheit 48 wird eine weitere Aufnahmeeinheit für ein Zellsubstrat mit Fixier-/Konvektionsbereichen 43 platziert, durch die über Distanzauflageflächen zu einer Aufnahmeeinheit für Träger mit Fixier-/Konvektionsbereichen 41 platzierten Träger mit Fixier-/Konvektionsbereichen 42 mit gravitativ negativen Gradienten einen Spalt 55 mit 350 μm hergestellt und eine zusammengesetzte Stimulationszelle 49 gebildet ist.According to 16 is between a in a lower receiving unit for carriers with fixing / Konvektionsbereichen 41 placed carrier 36 or a support with fixation / convection areas 42 with gravitationally positive gradients a gap 55 with a gap width of 350 μm to a receiving unit for cell substrate with fixation / convection areas 43 containing a cell substrate 44 , made on the further building a receiving unit 48 with fixing / convection areas for horizontally two radial electrodes 45 that has an insulating spacer and connector 47 are connected, can be placed. Radial electrodes 45 are via vertical holes in fixing bolts of a receiving unit 48 by means of vertical connectors 46 connected. On existing upper bearing surfaces in the receiving unit 48 becomes a further receiving unit for a cell substrate with fixing / convection areas 43 placed through the distance support surfaces to a receiving unit for carriers with Fixier- / Konvektionsbereichen 41 placed carrier with fixation / convection areas 42 with gravitationally negative gradient a gap 55 made with 350 μm and a composite stimulation cell 49 is formed.

In 17 ist dargestellt, dass in einem gekammerten Unterteil 50 eines Stimulationszellengehäuses (6-well Format) zur Aufnahme von zusammengesetzten Stimulationszellen 49 eine 6-well-formatige Stimulationszellenanordnung 51 realisiert werden kann, die mit einem Oberteil 52 des Stimulationszellengehäuses mit Distanzbereichen für Gasaustausch und Durchleitungsöffnungen für Konnektoren 46 abgeschlossen werden kann. Über die Konnektoren 46 kann jede einzelne der sechs zusammengesetzten Stimulationszellen 49 über Anschlußleitungen 60 mit der Auswerte-, Speicher- und Steuereinheit 65 (beide nicht gezeigt) in Reihe, parallel oder einzeln geschaltet sein. Die Flächen der planaren, oberen wie unteren Träger mit Fixier-/Konvektionsbereichen 42, die Distanzbereiche für den Gasaustausch im Oberteil 52 sowie die Medienvolumina pro well sind analog zu 6-well-Standardkultivierungssystemen parametrisierbar. Damit ist eine Vergleichbarkeit bei der Durchführung von Untersuchungen gewährleistet. In 17 is shown in a chambered lower part 50 a stimulation cell housing (6-well format) for receiving composite stimulation cells 49 a 6-well-format stimulation cell arrangement 51 can be realized with an upper part 52 the Stimulationszellengehäuses with distance ranges for gas exchange and passage openings for connectors 46 can be completed. About the connectors 46 can be any of the six composite stimulation cells 49 via connection lines 60 with the evaluation, storage and control unit 65 (both not shown) in series, in parallel or individually. The areas of the planar, upper and lower beams with fixing / convection areas 42 , the distance ranges for the gas exchange in the upper part 52 as well as the media volumes per well are parameterizable analogous to 6-well standard cultivation systems. This ensures comparability in the conduct of investigations.

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 36; mit anderen Worten für die Stimulation von Wachstumsprozessen in einem in situ ähnlichen dreidimensionalen Zell- oder Gewebebereich mit gegenüberliegenden Grenzschichten inklusive eines Spalts 55.According to the invention, the stimulation cell is a non-dynamic, multi-dimensional method for stimulating in vitro cell or tissue growth in a definable interface situation between a tissue-like region and a region in the form of degradable or non-degradable carriers 36 ; in other words, for the stimulation of growth processes in an in situ similar three-dimensional cell or tissue area with opposite boundary layers including a gap 55 ,

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 unit 43 )
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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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (24)

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, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem Innenraum (10) ein Träger (36) vorhanden ist, der wenigstens über Bereiche seiner Oberfläche durch Zellen oder Gewebe besiedelbar ist und – der Aktor 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.Stimulation cell for in vitro stimulation of cells or tissues, comprising a body enclosing an interior space, comprising an upper part and a lower part and at least one actuator for causing a stimulating effect on at least a portion of the cells or tissue, characterized in that - in the inner space ( 10 ) A carrier ( 36 ), which is colonizable by cells or tissue at least over areas of its surface, and - the actuator is designed so that it can be topically applied to the surface of the carrier ( 36 ) a dosable gradient with a growth of the cells or tissue stimulating effect is evoked. Stimulationszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (36) ein Formkörper aus mindestens einem biodegradierbaren Material, aus mindestens einem nicht-biodegradierbaren Material oder aus einer Kombination dieser Materialen ist.Stimulation cell according to claim 1, characterized in that the carrier ( 36 ) is a molded article of at least one biodegradable material, of at least one non-biodegradable material or of a combination of these materials. Stimulationszelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Medienzuführung (12) und mindestens eine Medienabführung (13) an mindestens einer Seite des Innenraums (10) zur Zu- und Abführung eines Mediums (M) vorhanden ist.Stimulation cell according to claim 1 or 2, characterized in that at least one media feed ( 12 ) and at least one media transfer ( 13 ) on at least one side of the interior ( 10 ) is present for the supply and discharge of a medium (M). Stimulationszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elektroden (1) als Aktor vorhanden sind, wobei die Elektroden (1) zur Erzeugung räumlich und zeitlich definierter elektrischer und/oder elektromagnetischer Felder mit variabler Form, Betrag, Richtung und Intensität ausgestaltet sind.Stimulation cell according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least two electrodes ( 1 ) are present as an actuator, wherein the electrodes ( 1 ) are designed to generate spatially and temporally defined electrical and / or electromagnetic fields with variable shape, magnitude, direction and intensity. Stimulationszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1) aus einer Gruppe, umfassend gegen das Medium (M) elektrisch isolierte Elektroden (1a), gegen das Medium (M) elektrisch leitende Elektroden (1b) und aus gegen das Medium (M) elektrisch isolierten Elektroden (1a) und elektrisch leitenden Elektroden (1b) gebildeten Hybridelektroden, ausgewählt sind.Stimulation cell according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes ( 1 ) from a group comprising electrodes electrically isolated against the medium (M) ( 1a ), against the medium (M) electrically conductive electrodes ( 1b ) and against the medium (M) electrically isolated electrodes ( 1a ) and electrically conductive electrodes ( 1b ) hybrid electrodes are selected. Stimulationszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1) segmentiert sind.Stimulation cell according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes ( 1 ) are segmented. Stimulationszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Clusterelektroden vorhanden sind, die aus zueinander rasterförmig angeordneten Elektroden (1) und/oder signaltechnisch ansteuerbaren Elektroden (1) gebildet sind.Stimulation cell according to one of the preceding claims, characterized in that cluster electrodes are present, which consist of mutually grid-shaped electrodes ( 1 ) and / or signal-controlled electrodes ( 1 ) are formed. Stimulationszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stimulationszelle mindestens ein außerhalb des Innenraums (10) angeordneter Magnetfelderzeuger (19) als ein Aktor zugeordnet ist, so dass die Stimulationszelle mindestens über Bereiche in einem durch den Magnetfelderzeuger (19) erzeugten Magnetfeld angeordnet ist.Stimulation cell according to one of the preceding claims, characterized in that the stimulation cell at least one outside the interior ( 10 ) arranged magnetic field generator ( 19 ) is assigned as an actuator, so that the stimulation cell at least over areas in one by the magnetic field generator ( 19 ) is arranged. Stimulationszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hybridaktor vorhanden ist, durch den zeitgleich oder aufeinander folgend voneinander verschiedene Gradienten hervorrufbar sind.Stimulation cell according to one of the preceding claims, characterized in that a hybrid actuator is present, can be caused by the same time or successively different gradients from each other. Stimulationszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum (10) mindestens eine Aufnahmevorrichtung (30) zur Aufnahme mindestens des Trägers (36) und/oder mindestens eines Zellsubstrats (20) angeordnet ist.Stimulation cell according to one of the preceding claims, characterized in that in the interior ( 10 ) at least one receiving device ( 30 ) for receiving at least the carrier ( 36 ) and / or at least one cell substrate ( 20 ) is arranged. Stimulationszelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung (30) so ausgebildet ist, dass zwischen einer Oberfläche des in der Aufnahmevorrichtung (30) befindlichen Trägers (36) und einer Oberfläche des in der Aufnahmevorrichtung (30) befindlichen Zellsubstrats (20) ein Spalt (55) einstellbar ist, durch den die Oberflächen des Trägers (36) und des Zellsubstrats (20) voneinander getrennt sind.Stimulation cell according to claim 10, characterized in that the receiving device ( 30 ) is formed so that between a surface of the in the receiving device ( 30 ) carrier ( 36 ) and a surface of the in the receiving device ( 30 ) cell substrate ( 20 ) A gap ( 55 ) is adjustable, through which the surfaces of the carrier ( 36 ) and the cell substrate ( 20 ) are separated from each other. Stimulationszelle nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Aufnahmevorrichtungen (30) eine Positionierung des Trägers (36) und/oder des Zellsubstrats (20) in dem Innenraum (10) ermöglicht, so dass neben einer Positionierung des Trägers (36) auch eine relative Bewegung zwischen Träger (36) und Aktor bewirkbar ist.Stimulation cell according to claim 10 or 11, characterized in that at least one of the receiving devices ( 30 ) a positioning of the carrier ( 36 ) and / or the cell substrate ( 20 ) in the interior ( 10 ), so that in addition to a positioning of the carrier ( 36 ) also a relative movement between carriers ( 36 ) and actuator is effected. Stimulationszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (36) temporär mit mindestens einem magnetischen Körper (34.1) oder einem magnetisierbaren Körper (34.2) in Kontakt steht und dieser mindestens teilweise im Bereich der Feldlinien eines primären magnetischen Feldes liegt, so dass in dem magnetischen Körper (34.1) oder dem magnetisierbaren Körper (34.2) durch das primäre magnetische Feld ein sekundäres magnetisches Feld veränderbar ist. Stimulation cell according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier ( 36 ) temporarily with at least one magnetic body ( 34.1 ) or a magnetizable body ( 34.2 ) is in contact and this is at least partially in the field lines of a primary magnetic field, so that in the magnetic body ( 34.1 ) or the magnetizable body ( 34.2 ) by the primary magnetic field, a secondary magnetic field is variable. Stimulationszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1) als Messmittel zur Messung elektrischer Größen ausgestaltet sind.Stimulation cell according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes ( 1 ) are designed as measuring means for measuring electrical quantities. Stimulationszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stimulationszelle mit einem gesteuerten Antrieb verbunden ist, mittels dem die Stimulationszelle gesteuert bewegbar ist.Stimulation cell according to one of the preceding claims, characterized in that the stimulation cell is connected to a controlled drive, by means of which the stimulation cell is controlled to be moved. Verfahren zur in vitro Stimulation von Zellen oder Geweben, mit den Schritten: – Einbringen eines die Zellen oder Gewebe tragenden Zellsubstrats (20) in einen Innenraum (10) einer Stimulationszelle; – Einlegen 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; – Einbringen eines Mediums (M) zur physiologischen Versorgung der Zellen oder Gewebe; – Hervorrufen mindestens eines dosierbaren, topischen Gradienten mit einer das Wachstum der Zellen oder Gewebe stimulierenden Wirkung auf der Oberfläche des Trägers (36).A method of in vitro stimulation of cells or tissues, comprising the steps of: - introducing a cell substrate carrying the cells or tissue ( 20 ) in an interior ( 10 ) of a stimulation cell; - inserting a carrier ( 36 ), which is settable or already populated at least over settable areas of its surface by the cells or tissue, into a receiving device ( 30 ) in the interior ( 10 ) of the stimulation cell; - introducing a medium (M) for physiological care of the cells or tissues; Producing at least one dosing topical gradient with a cell or tissue stimulating effect on the surface of the carrier ( 36 ). Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Messgrößen, die infolge von Reaktionen der Zellen und Gewebe auf die stimulierende Wirkung veränderlich sind, erfasst und gespeichert werden.A method according to claim 16, characterized in that measured variables, which are variable as a result of reactions of the cells and tissue to the stimulating effect, are detected and stored. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die stimulierende Wirkung bestimmten Teilbereichen des Zellsubstrats (20) zugeordnet und auf diese begrenzt erzeugt wird.A method according to claim 16 or 17, characterized in that the stimulating effect of certain subregions of the cell substrate ( 20 ) is assigned and limited to this is generated. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die stimulierende Wirkung ausgewählt ist aus der Erzeugung elektromagnetischer Felder, elektrischer Felder, magnetischer Felder, der Zugabe chemischer Verbindungen und der Einkopplung physikalischer Stimuli.Method according to one of claims 16 to 18, characterized in that 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. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass 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.Method according to one of Claims 16 to 19, characterized in that initial measured values of at least one measured variable are recorded and stored at an initial measuring time, and the initial measured values are used as reference measured values for measured values acquired at later measuring times. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Veränderungen der zu verschiedenen Messzeitpunkten erfassten und gespeicherten Messwerten Informationen über das Wachstum der Zellen oder Gewebe abgeleitet werden.Method according to one of Claims 16 to 20, characterized in that information about the growth of the cells or tissue is derived from the changes in the measured values recorded and stored at different measuring times. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte zeit- und ortsaufgelöst erfasst werden.Method according to one of Claims 16 to 21, characterized in that the measured values are recorded in a time-resolved and spatially resolved manner. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Messwerte Steuersignale zur Ansteuerung des Aktors generiert werden, um den Gradienten zu verändern.Method according to one of claims 20 to 22, characterized in that control signals for controlling the actuator are generated on the basis of the measured values in order to change the gradient. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zellsubstrat (20) und dem Träger (36) ein Spalt (55) mit einer Spaltbreite eingestellt werden kann.Method according to one of claims 16 to 23, characterized in that between the cell substrate ( 20 ) and the carrier ( 36 ) A gap ( 55 ) can be adjusted with a gap width.
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