CN101245313A - 三维细胞培养插入件、其制造方法、成套用具及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三维多孔的细胞培养插入件，由非生物降解性的聚合物形成，用于活细胞的贴附、增殖和分化。该插入件由聚合物支柱和/或纤维组成，该支柱和/或纤维按照一种设计好的三维图案结合在一起。该三维的细胞培养插入件将会在标准的细胞培养条件下，与细胞/组织培养平板、组织培养烧瓶、生物反应器及其类似物一起使用。本发明进一步提供制造该三维细胞培养插入件的方法。最后，本发明提供包括一种或更多种的三维多孔细胞培养插入件与其它细胞培养支持物如组织培养平板和烧瓶，共同在一个包装内的成套用具。

Description

三维细胞培养插入件、其制造方法、成套用具及用途
技术领域
本发明涉及一种用于活细胞贴附、增殖和分化的多孔三维细胞培养插入件。本发明还涉及形成和制造所述插入件的方法，以及使用该插入件在细胞培养平板(例如塑料培养皿和多孔组织/细胞培养平板)、细胞培养瓶和生物反应器中培养哺乳动物细胞的方法。本发明属于细胞、组织培养领域。
背景技术
现有技术中，常规使用的主要的细胞培养方式包括以下两种：
1)以单层二维方式培养细胞
细胞培养是一种在药物开发、细胞生物学、毒理学、生物工程以及组织工程领域中非常有用并且被广泛使用的技术。常规的细胞培养是在细胞培养平板如2、4、6、24、96孔细胞培养板中进行，上述细胞培养板由非降解性的聚合物例如聚苯乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯制成。这些平板往往用等离子体(plasma)处理其表面，这是组织培养平板的生产者通常采用的技术，用于改进其表面的亲水性，从而使得培养的细胞可以更好地粘附于所述培养平板的二维表面。在一种典型的细胞培养实验中，在该聚苯乙烯细胞培养平板中培养的细胞在细胞培养基中以一种二维方式单层生长。
2)以三维方式培养细胞
二维(2D)细胞培养是一种用于制备、观察和研究细胞以及它们与药物、生物因子和生物材料在体外相互作用的方便的方法。但这与所述细胞在体内的生长方式并不相仿。在真实的活体内，细胞往往是三维(3D)生长的并且其构建形成三维的活组织或器官。越来越多的证据表明体外的三维细胞培养体系可以促进对在正常和病理的组织条件下的结构-功能关系的了解。为了研究这种功能性和形态学上的相互作用，一些研究者已经探索使用三维的凝胶基质，例如胶原凝胶[Douglas WHJ，Moorman GW，和Teel RW，The formationof histotypic structures from monodisperse fetal rat lung cellscultured on a threedimensional substrate.In Vitro 1976；12：373-381]、明胶、血纤维蛋白、琼脂糖和藻酸盐[Gruber HE，Fisher EC Jr，Desai B，Stasky AA，Hoelscher G，Hanley EN，Human intervertebral disc cellsfrom the annulus：Three dimensional culture in agarose or alginateand responsiveness to TGF-β1.Exp.Cell Res.1997，235：13-21；GruberHE，Stasky AA，Hanley EN Jr，Characterization and phenotypic stabilityof human disc cells in vitro.Matrix Biol.1997；16：285-288]。在这些凝胶体系中，将细胞培养在凝胶基质内，它们在其中以三维的方式生长。近来的研究已经显示，与单层生长的细胞相比，培养在三维的藻酸盐或琼脂糖凝胶体系中的人椎间盘细胞(human annulus disc cells)显示出不同的形态，增加了含蛋白多糖的合成，并且形成带有沉积在细胞周围和之间的胞外基质的多细胞集落[Gruber HE，Fisher EC Jr，Desai B，Stasky AA，Hoelscher G，Hanley EN，Human intervertebral disc cells from theannulus：Three dimensional culture in agarose or alginate andresponsiveness to TGF-β1.Exp.Cell Res.1997，235：13-21；Gruber HE，Stasky AA，Hanley EN Jr，Characterization and phenotypic stabilityof human disc cells in vitro.Matrix Biol.1997；16：285-288]。此外，在所述三维藻酸盐凝胶体系中培养的人椎间盘细胞证实产生了I型和II型胶原，而该I型和II型胶原在单层细胞培养时未有发现[Gruber HE和HanleyEN，Jr，Human disc cells in monolayer vs 3D culture：cell shape，division and matrix formation，BMC Musculoskeletal Disorders，2000；1：1]。体外动物细胞的三维生长促进正常上皮细胞的极化和分化[RoskelleyCD，Bissell MJ，Dynamic reciprocity revisited：a continuous，bidirectional flow of information between cells and the extracellularmatrix regulates mammary epithelial cell function，Biochem Cell Biol1995；73(7-8)：391-7]。与活组织细胞相比较，三维培养的细胞地移动和分裂得更快并且具有一种特征性的不对称外形[Cukierman E，PankovR，Stevens DR，Yamada KM，Taking cell matrix adhesions to the thirddimension，Science，2001；294(5547)：1708-12]。
三维的细胞培养还被用于研究细胞与生长因子以及细胞和药物之间的相互作用。例如，癌细胞的三维细胞培养可用于探索许多与癌生物学有关的基础性问题，因为与标准的二维组织培养平板相比，癌细胞的肿瘤发展生长因子的受体在三维细胞培养时的表达方式是不同的[Wang F，Weaver VM，Petersen OW，Larabell CA，Dedhar S，Briand P，Lupu R，Bissell MJ.Reciprocal interactions between betal-integrin and epidermal growthfactor receptor in three dimensional basement membrane breastcultures：a different perspective in epithelial biology.Proc NatlAcad Sci USA 1998；95(25)：14821-6；Jacks T，Weinberg RA.Taking thestudy of cancer cell survival to a new dimension.Cell，2002；111(7)：923-5]。对于乳腺癌，三维细胞培养物提供一种用于了解癌细胞增殖的调控以及用于评价不同抗癌药物的模型体系[Bissell MJ，Rizki A，Mian IS，Tissue architecture：the ultimate regulator of breastepithelial function.Curr Opin Cell Biolm，2003；15(6)：753-62；PadronJM，van der Wilt CL，Smid K，Smitskamp-Wilms E，Backus HH，Pizao PE，Giaccone G，Peters GJ.The multilayered postconfluent cell cultureas a model for drug screening.Crit Rev OncolHematol，2000；36(2-3)：141-57]。大量的证据表明，与在单层或分散培养物中的细胞相比，三维培养中生长的细胞对细胞毒性试剂具有更高的耐受性。许多研究已经揭示，与单层细胞相比，球体细胞培养具有更高的耐药性[Hoffman RM.Three-dimensional histoculture：origins andapplications in cancer research.Cancer Cells 1991；3(3)：86-92]。起初，研究者们将细胞球体对药物的耐受性归因于药物向球体内部细胞的不良扩散，但是现在已经证实，耐药性是由三维细胞培养而引起的，而不是仅仅无法接触到营养物质[Lawler EM，Miller FR，Heppner GH，Significanceof three dimensional growth patterns of mammary tissues in collagengels.In Vitro 1983；19(8)：600-10；Miller BE，Miller FR，Heppner GH，Factors affecting growth and drug sensitivity of mouse mammary tumorlines in collagen gel cultures.Cancer Res，1985；45(9)：4200-5]。进一步的研究证实，三维细胞培养是一种用于评价抗癌药物的体外细胞毒性的更好的模型[Harpreet K.Dhiman，Alok R Ray，Amulya K Panda，Three-dimensional chitosan scaffoldbased MCF-7 cell culture for thedetermination of the cytotoxicity of tamoxifen，Biomaterials，2005；26 979-986]。
不断增加的证据表明，三维的(3D)环境也能揭示细胞功能的基本机制，而且体外的三维培养体系可以促进对在正常和病理条件中的结构-功能关系的了解[Abbott A.Cell culture：biology′s new dimension.Nature，2003；424(6951)：870-2；Hutmacher DW.Scaffold design and fabricationtechnologies for engineering tissues-state of the art and futureperspectives.J Biomater Sci Polym Ed，2001；12：107-24；Schmeichel KL，Bissell MJ.Modeling tissue-specific signaling and organ function inthree dimensions.J Cell Sci，2003；116(Pt12)：2377-88；Zahir N，WeaverVM，Death in the third dimension：apoptosis regulation and tissuearchitecture.Curr Opin Genet Dev 2004；14：71-80；Martin I，Wendt D，Heberer M，The role of bioreactors in tissue engineering，TrendsBiotechnol，2004；22：80-6]。现已被普遍接受的是，骨和软骨来源的细胞在三维(3D)与二维(2D)的环境中的行为不同，并且，所述三维(3D)体外培养体系比二维(2D)培养体系能更接近地模拟体内的情况[Kale S，Biermann S，Edwards C，Tarnowski C，Morris M，Long MW，Three-dimensional cellulardevelopment is essential for ex vivo formation of human bone.NatBiotechnol，2000；18：954-8；Ferrera D，Poggi S，Biassoni C，Dickson GR，Astigiano S，Barbieri O，Favre A，Franzi AT，Strangio A，Federici A，Manduca P，Three-dimensional cultures of normal human osteoblasts：proliferation and differentiation potential in vitro and upon ectopicimplantation in nude mice，Bone 2002；30：718-25；Tallheden T，KarlssonC，Brunner A，Van Der Lee J，Hagg R，Tommasini R，Lindahl A.Geneexpression during redifferentiation of human articular chondrocytes.Osteoarthritis Cartilage，2004；12：525-35；]。在近期的研究中，在一种羟丙基甲基纤维素水凝胶基质的内部，三维培养三种人成骨细胞系以及正常的人成骨(HOST)细胞。已经证实，骨肉瘤细胞以群落球体的方式而增殖，而且所述的HOST细胞集落存活至少3周。成骨细胞标记物和细胞因子的矿化试验和基因表达分析表明，在所述水凝胶基质中三维培养的所有细胞比在塑料细胞培养平板中单层培养的细胞表现出一种更加成熟的分化状况[Trojani C，Weiss P，Michiels JF，Vinatier C，Guicheux J，Daculsi G，Gaudray P，Carle GF，Rochet N.，Three-dimensional culture anddifferentiation of human osteogenic cells in an injectablehydroxypropylmethylcellulose hydrogel，Bioma terials，2005；26(27)：5509-17]。
迄今为止的证据已经清楚地表明，在三维环境下培养细胞具有二维细胞培养不可比拟的巨大优点。然而，使用目前的三维凝胶体系，所述培养的细胞被包埋在凝胶基质内部，由于物质在所述凝胶中的扩散受到一定的限制，因此该培养细胞的营养和代谢产物的交换是个问题。并且，由于所述培养的细胞包埋在所述凝胶内部，培养后回收或分离所述细胞非常困难。这与使用二维细胞培养平板不同，二维培养的细胞可以使用胰蛋白酶简单地将其从培养平板上脱离并通过离心加以分离。另外，在凝胶基质内培养细胞要求在每次培养细胞前制备所述的凝胶体系，这不仅会给研究者们造成不方便，尤其是在必须大量培养的时候；而且由于在不同的研究者和实验室之间凝胶的制备方式上存在着轻微的差异，从而会在不同批次的凝胶制备之间造成不一致。
尽管三维细胞培养有更多的优点，但由于上面提到的目前使用的三维凝胶培养体系所存在的种种问题，二维细胞培养仍然是主要的细胞培养方法。因此，一种兼具二维细胞培养体系的全部便捷之处的三维培养体系，对于医药、生命科学以及生物工程研究领域极具价值。这一理想的三维细胞培养体系将具有以下特征：
1.具有一种多孔的三维结构，从而所述细胞可以同时贴附于该三维结构的外表面和内表面。该多孔的结构能够允许营养物和代谢产物容易地进行交换。
2.该多孔的三维结构应该易于与目前的二维细胞培养平板一起使用。它可以是一种二维细胞培养平板孔内的三维插入件。
3.该多孔的三维结构应该由非细胞毒性的和非生物降解的材料来制造，比如目前的用于二维细胞培养体系中的材料(特别是聚苯乙烯)。
4.该多孔的三维结构应当足够结实从而能承受细胞培养过程中正常的机械操作，而在细胞培养期间该多孔的结构不发生变形和改变。
长期以来，聚苯乙烯已经成为一种成功地用于二维(2D)细胞培养的培养物基底材料。由聚苯乙烯制造的细胞培养平板被广泛地使用并且具有可从许多供应商处商购获得的多种尺寸规格。由于聚苯乙烯培养平板对做细胞或组织培养的研究者们来说相当熟悉，因此可以想像，一种由聚苯乙烯制造的三维细胞培养体系将不仅能提供三维培养环境的优点，而且能够提供聚苯乙烯二维细胞培养体系的许多其它优点，例如具有明确的表面性质且易于使用。然而，聚苯乙烯作为三维细胞培养体系的应用在以前却几乎从未被探索过。近来，Baker等人报导其使用电场纺丝技术加工出一种三维多孔的聚苯乙烯纤维基体[Baker SC，Atkin N，Gunning PA，Granville N，Wilson K，WilsonD and Southgate J，Characterisation of electrospun polystyrenescaffolds for three-dimensional in vitro biological studies，Biomaterials，2006；27，3136-46]。他们获得的三维聚苯乙烯纤维基体类似于一种无纺垫，其中有内部纤维间的空隙就是多孔的空隙。他们将该聚苯乙烯无纺垫切割成适当的可以放在6孔聚苯乙烯培养平板的孔中的尺寸。经在氩气中等离子体处理后，将这些纤维性基体接种细胞并且在常用的6孔聚苯乙烯细胞培养平板中进行细胞培养。结果表明，这些聚苯乙烯三维无纺垫具有适于细胞贴附的良好的表面性质。该数据揭示，这些聚苯乙烯三维纤维性支架可以是二维聚苯乙烯细胞培养平板体系的一种补充。然而，这些纤维性聚苯乙烯基体的缺点是：所述纤维的尺寸难以控制；所述基体的孔径尺寸和形状不易确定；其平均孔径较小(～15微米)，并且该纤维性基质在自然状态下是软的，从而令所述基质在不发生变形的情况下进行进一步的操作产生困难。
很显然，本领域中需要有一种在常规的细胞培养实验中与二维组织培养平板一起使用的、具有良好的确定孔径尺寸和孔隙率的、结实的三维非降解性聚合物制成的三维细胞培养插入件。本发明提供这样一种三维细胞培养插入件。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种非细胞毒性的和非降解性的多孔三维细胞培养插入件，该插入件用于细胞培养应用，与目前的二维组织培养体系例如组织培养平板一起使用。本发明的另一个目的在于提供一种制造所述的细胞培养插入件的方法。本发明的又一个目的在于提供一种制造所述的细胞培养插入件的设备。本发明的再一个目的在于提供一种包括所述细胞培养插入件的成套用具。本发明的又一个目的在于提供一种使用所述的细胞培养插入件培养细胞的方法。
针对上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一方面，本发明提供一种细胞培养插入件(细胞培养构建体)，该插入件由非降解性的聚合物材料制成，所述细胞培养插入件具有三维多孔结构，并且其仅由单个多孔片层构成或由多个多孔片层结构组装而成。优选地，本发明所述细胞培养插入件做成适合细胞培养平板孔、箱、烧瓶和/或生物反应器的尺寸。
优选地，所述细胞培养插入件由恒定或不同直径的聚合物支柱和/或纤维组成。优选地，所述细胞培养插入件的孔隙率可以通过改变所述插入件(构建体)中的支柱和/或纤维的数量和尺寸而改变。所述多孔结构优选可通过改变支柱和/或纤维的三维定位图案而改变。
优选地，所述支柱和/或纤维具有圆形、三角形、正方形和/或矩形的横截面。
所述非降解性的聚合物材料优选为聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯和/或聚酰胺，更优选为聚苯乙烯。所述细胞培养插入件通过表面改性技术处理，从而改善所述细胞插入件的细胞贴附作用。优选地，所述表面改性技术是物理化学方式，例如等离子体处理、辉光放电处理，和/或化学方式，例如使用H2SO4、HNO3等强酸处理。
优选地，所述的表面改性技术是一种表面涂覆技术，通过施加一种不同于用于制备本发明所述构建体的聚合物的涂层物质。优选地，所述涂层物质是天然存在的聚合物，例如蛋白、肽、糖胺聚糖、胶原、粘连蛋白；和/或合成聚合物，例如聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚赖氨酸；和/或无机物质，例如，磷酸钙、TiO2、SiO2、Al2O3；和/或两种或多种有机材料组成的复合涂层，例如，凝胶和脱乙酰壳多糖，聚丙烯酸和聚乙二醇，聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮；和/或一种无机/有机的复合物，例如，磷酸钙/胶原复合物、钙磷酸/聚乙二醇复合物、磷酸钙/胞外基质。
优选地，所述的表面涂层物质是以化学方式例如共价键、氢键、离子键或范德华力结合到所述细胞培养插入件的支柱和/或纤维上。
另一方面，本发明提供一种制造所述的细胞培养插入件的方法，所述方法包括：
(A)使用常规的聚合物加工方法，例如注塑、纤维织造和粘合技术制造所述插入件的单个片层，和
(B)根据结构设计，将步骤(A)所述的多个多孔片层结构切割或不经切割后，组装成所述的细胞培养插入件。
在本发明制造所述的细胞培养插入件的方法中，所述组装优选使用非细胞毒性的聚合物纤维或夹子等连接件。
优选地，本发明所述方法还包括：
(C)表面处理所述组装后的细胞培养插入件，所述表面处理是例如等离子体处理和表面涂覆等；和
(D)包装并利用辐射灭菌进行灭菌。
本发明所述表面涂覆处理优选是将所述涂层物质化学交联、加热交联、真空加热交联和/或辐射交联到所述细胞插入件上。优选地，所述交联是化学进行的。优选地，所述交联是使用加热进行的。优选地，所述交联是使用真空加热进行的。优选地，所述交联是使用辐射进行的。进一步优选地，所述辐射是电子束(e-beam)辐射、γ辐射和/或紫外线辐射。
本发明所述涂层优选是交联的。进一步优选地，所述交联是使用辐射进行的，所述辐射优选是电子束辐射、γ辐射和/或紫外线辐射。进一步优选地，所述交联是化学进行的。进一步优选地，所述交联是使用加热和真空进行的。
另一方面，本发明提供一种制造所述的细胞培养插入件的设备，所述设备包括：(A)注塑、纤维织造和/或粘合制造聚合物单个片层的机构；(B)引导和定向机构，为具有适宜横截面形状的管状物，优选为矩形、圆形，带有可调整旋转角度的旋转动力器件，使得各个片层结构能够按照预先确定的相对位置叠放和/或按照确定的方式排列。
优选地，本发明所述设备还包括：(C)切割机构，优选为冲模切割机或激光束切割机；(D)组装机构，将所述叠放好的各个片层装配在一起。
另一方面，本发明提供一种成套用具，包括所述的细胞培养插入件以及其它细胞培养支持物，例如组织培养平板、培养箱(chamber)、烧瓶和/或生物反应器。
另一方面，本发明提供一种使用本发明所述的细胞培养插入件培养细胞的方法，所述方法包括：
(A)使用动态接种或静态接种方法，将细胞接种于所述细胞培养插入件中；
(B)接种细胞以后，将所述细胞培养插入件保持在浸没于生长培养基之中的细胞培养支持物，例如组织培养平板、培养箱、烧瓶和/或生物反应器中进行培养。
根据本发明的一种实施方式，本发明提供一种三维多孔的细胞培养构建体(细胞培养插入件)，该构建体由非降解性的聚合物支柱和/或纤维制成，用于使哺乳动物细胞贴附在细胞培养基上，由于所述聚合物支柱或纤维按照一种确定的三维图案结合，所述多孔构建体具有一种确定的多孔结构。
优选地，本发明所述的三维多孔的构建体由恒定直径的聚合物支柱和/或纤维组成。
优选地，本发明所述的三维多孔的构建体由不同直径的聚合物支柱和/或纤维组成。
优选地，本发明所述的三维多孔的构建体由支柱和/或纤维组成，所述支柱和/或纤维具有非圆形的横截面，例如，但不限于，三角形、正方形、矩形等。
优选地，本发明所述的三维多孔的构建体的孔隙率可以通过改变所述构建体中的支柱和/或纤维的数量和尺寸而改变。
优选地，本发明所述的三维多孔的构建体的多孔结构可通过改变支柱和/或纤维的三维定位图案而改变。
优选地，本发明所述的三维多孔的构建体通过表面改性技术处理，从而改善所述构建体中的支柱和/或纤维的细胞贴附作用。
进一步优选地，本发明所述表面改性技术是物理化学方式，例如等离子体处理、辉光放电等。
进一步优选地，本发明所述表面改性技术是化学方式，例如使用像H2SO4、HNO3等强酸处理。
进一步优选地，本发明所述表面改性技术是一种表面涂覆技术，通过施加一种不同于用于制备本发明所述构建体的聚合物的涂层物质。
进一步优选地，本发明所述表面涂层物质是蛋白、肽、或糖胺聚糖，或者其它天然存在的聚合物，例如胶原、粘连蛋白等。
进一步优选地，本发明所述表面涂层物质是合成聚合物，例如聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚赖氨酸等。
进一步优选地，本发明所述表面涂层物质是以共价键结合到本发明所述构建体的支柱和/或纤维的表面。
进一步优选地，本发明所述表面涂层物质是通过氢键、离子键或范德华力结合到本发明所述构建体的支柱和/或纤维。
进一步优选地，本发明所述表面涂层物质是无机物质，例如，但不限于，磷酸钙、TiO2、SiO2、Al2O3等。
更进一步优选地，本发明所述无机涂层物质是化学地结合到本发明所述多孔构建体的支柱和/或纤维。
更进一步优选地，本发明所述无机涂层物质是通过氢键、离子键或范德华力结合到本发明所述多孔构建体的支柱和/或纤维。
进一步优选地，本发明所述表面涂层物质是两种或多种有机材料组成的复合涂层，该复合涂层是例如，但不限于，凝胶和脱乙酰壳多糖，聚丙烯酸和聚乙二醇，聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮等。
进一步优选地，本发明所述表面涂层物质是一种无机/有机的复合物，例如，但不限于，磷酸钙/胶原复合物、钙磷酸/聚乙二醇复合物、磷酸钙/胞外基质。
更进一步优选地，本发明所述有机复合涂层是通过化学共价键结合到本发明所述多孔构建体的支柱和/或纤维。
更进一步优选地，本发明所述有机复合涂层是通过非共价键，例如离子键、氢键或范德华力，或上述所有方式，结合到本发明所述多孔构建体的支柱和/或纤维。
更进一步优选地，本发明所述无机/有机复合涂层是通过化学共价键结合到本发明所述多孔构建体的支柱和/或纤维。
更进一步优选地，本发明所述无机/有机复合涂层是通过非共价键，例如离子键、氢键或范德华力，或上述所有方式，结合到本发明所述多孔构建体的支柱和/或纤维。
根据本发明的一种实施方式，本发明提供一种制造本发明所述的细胞培养插入件的方法，所述方法包括：
(A)使用常规的聚合物加工方法，例如注塑、纤维织造和粘合技术制造所述插入件的单独层，
(B)根据结构设计，使用一种预制部件来组装所述细胞培养插入件，
(C)表面处理所述组装后的细胞培养插入件，所述表面处理是例如等离子体处理和表面涂覆等，
(D)包装并利用辐射灭菌进行灭菌。
根据本发明的一种实施方式，本发明提供一种成套用具，包括本发明所述的三维细胞培养构建体及其它细胞培养供应物，例如组织培养平板。
本发明所述细胞培养插入件优选由一种非降解性的聚合物材料制成。该聚合物材料优选聚苯乙烯，该材料目前用于制造二维多孔细胞/组织培养平板和烧瓶。
通过所述插入件的设计来确定表面积、孔隙率和孔径尺寸，包括支柱的尺寸和几何结构，每单位体积支柱/纤维的数目，以及该三维插入件结构中支柱/纤维的构建图案。
在一种实施方式中，本发明提供一种由支柱和/或结实的纤维在连接处相互垂直结合而组成的三维细胞培养插入件(图1-3、5)。
在一种实施方式中，本发明提供一种由支柱和/或结实的纤维在连接处按角度结合在一起而组成的三维细胞培养插入件(图2和4)。
在一种实施方式中，本发明提供一种由支柱和/或纤维组成的三维细胞培养插入件。所述支柱和纤维按照一种预先设计的方式或图案结合在一起。在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件包括由非细胞毒性的和非降解性的聚合物制造的支柱和纤维。在一种更加具体的实施方式中，所述非降解性的聚合物是聚苯乙烯。在一种更加具体的实施方式中，所述细胞培养插入件通过等离子体或辉光放电技术进一步表面处理来修饰其表面性质，从而获得更好的细胞贴附效果。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件是一种三维圆盘状的多孔结构。在另一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件是一种三维立方形多孔结构。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件进一步用生物分子涂覆其表面，从而增强其细胞贴附性。所述生物分子是胶原(I、II、III、IV、VII型，等等)、纤连蛋白、层粘连蛋白，以及其它的胞外基质。所述生物分子或者以共价键结合于所述细胞培养插入件表面，或者物理吸附于插入件表面。为了提高所述生物分子涂层的稳定性，该涂层可以使用各种交联技术如化学交联、辐射或热处理进行交联。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件使用一种天然聚合物如藻酸盐、脱乙酰壳多糖来涂覆。所述天然聚合物或者以共价键结合于所述细胞培养插入件表面，或者物理吸附于插入件表面。为了提高所述天然聚合物涂层的稳定性，该涂层可以使用各种交联技术如化学交联、辐射或热处理等进行交联。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件使用一种合成聚合物涂覆，该合成聚合物是例如，但不限于，聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮(polypyropirilidone)、聚(L-乳酸)等。所述合成聚合物或者以共价键结合于所述细胞培养插入件表面，或者物理吸附于插入件表面。为了提高所述合成聚合物涂层的稳定性，该涂层可以使用各种交联技术如化学交联、辐射或热处理等进行交联。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件使用一种由两种或多种有机材料组成的复合涂料涂覆，该涂料是例如但不限于，明胶和脱乙酰壳多糖，聚丙烯酸和聚乙二醇，聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，等等。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件用一种无机材料涂覆，该无机材料是例如磷酸钙、TiO2、Al2O3等。该无机涂层或者化学地键合到该细胞培养物插入件表面，或者物理吸附于插入件表面。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件用一种复合的无机材料涂覆，该复合无机材料是例如磷酸钙和TiO2，磷酸钙和Al2O3等，该无机复合物涂层或者化学地键合到该细胞培养物插入件表面，或者物理吸附于插入件表面。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件用一种无机和有机材料组成的复合涂料涂覆，该复合涂料是例如，但不限于，磷酸钙/胶原，磷酸钙/明胶，磷酸钙/聚乙二醇等。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件的涂层用一种或多种生物分子浸渍，该生物分子是例如治疗剂，包括但不限于，抗生素、激素、生长因子、抗肿瘤剂、抗真菌剂、抗病毒剂、止痛药、抗组胺药、消炎药、抗感染药、创伤愈合剂、伤口密封剂、细胞引诱剂、细胞因子及其类似物。
下面对于本发明的上述各技术方案进行进一步的详细描述和说明。
本发明提供一种三维多孔的培养物插入件，所述插入件由一种非降解性的聚合物材料制造，所述材料优选为聚苯乙烯或其它聚合物，该材料已用于制造组织培养平板和烧瓶。所述细胞培养插入件由多层互相连接的支柱和/或结实的纤维组成，该支柱或纤维按照一种预先设计的方式或图案而结合在一起。这种构型允许所述细胞培养插入件具有100％的孔联通性。除了所述细胞培养插入件之外，本发明还提供所述细胞培养插入件的制造方法，以及在一种细胞培养研究装置中使用所述细胞培养插入件的方法。
构形
本发明的细胞培养插入件可以形成用于实现具体的应用目的的任何大小和形状，所述应用目的是例如，适合细胞/组织培养平板、烧瓶和生物反应器的大小和形状。
在一种实施方式中，本发明提供一种由支柱和/或纤维组成的三维细胞培养插入件。所述支柱和纤维按照一种预先设计的方式或图案结合在一起。
通过所述插入件的设计来确定细胞培养插入件的表面积、孔隙率和孔径尺寸，所述插入件的设计包括支柱的尺寸和几何结构，每单位体积内支柱的数目，以及该三维插入结构中支柱的结构图案。
在一种实施方式中，本发明提供一种由支柱和/或结实的纤维在连接处相互垂直结合而组成的三维细胞培养插入件。
在一种实施方式中，本发明提供一种由支柱和/或纤维组成的三维细胞培养插入件，在该插入件中，所述支柱和/或纤维在连接处并不都是彼此垂直的，而是以不同的角度结合。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件是一种三维的圆盘形多孔结构。在另一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件是一种三维的立方体形多孔结构。
尺寸
本发明所述的细胞培养插入件可以预先加工成标准尺寸，或者可以定做成适合具体的细胞培养平板孔、箱、烧瓶、生物反应器的尺寸。在一种实施方式中，本发明提供一种具有一种尺寸(直径和高度)的细胞培养插入件，其适合一种可商购的组织培养平板的圆形孔。在另一种实施方式中，本发明提供一种具有一种立方形尺寸(长×宽×高)的细胞培养插入件，其适合一种组织培养平板的矩形孔。在另一种实施方式中，该细胞培养插入件具有适合一种生物反应器的腔室的尺寸和形状。在一种具体实施方式中，该细胞培养插入件的尺寸适合一种组织培养烧瓶的立方空间。
该三维细胞培养插入件的支柱/纤维的直径可以为50nm-1mm。
细胞培养插入件的平均孔径可以为50nm-1mm。
材料
本发明的细胞培养插入件主要或专门地由一种非降解性的聚合物来制造。这种非降解性的聚合物包括，举例来说，非降解性的合成聚合物，例如，但不限于，聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺等。
细胞培养插入件的表面可以用本领域已知的表面改性技术进一步处理，例如，但不限于，通过等离子体或辉光放电技术进一步表面处理来改善其表面性质，从而实现更好的细胞贴附效果。
所述细胞培养插入件的表面可以进一步用生物分子表面涂覆，所述生物分子是，例如，但不限于，胶原(I、II、III、IV、V、VI型，等等)、纤连蛋白、层粘连蛋白或其它的胞外基质分子。所述生物分子或者以共价键结合于所述细胞培养插入件表面，或者物理吸附于插入件表面。为了提高所述生物分子涂层的稳定性，该涂层可以使用各种交联技术如化学交联、辐射或热处理等进行交联。
所述细胞培养插入件的表面可以进一步地表面涂覆一种合成聚合物，该合成聚合物是例如，但不限于，聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮(polyvinylpyropirilidone)、聚(L-乳酸)、聚赖氨酸等。所述合成聚合物或者以共价键结合于所述细胞培养插入件表面，或者物理吸附于插入件表面。为了提高所述合成聚合物涂层的稳定性，该涂层可以使用各种交联技术如化学交联、辐射或热处理等进行交联。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件用一种由两种或多种有机材料组成的复合涂料涂覆，该涂料是例如但不限于，明胶和脱乙酰壳多糖，聚丙烯酸和聚乙二醇，聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，等等。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件用一种无机材料涂覆，该无机材料是例如磷酸钙、TiO2、Al2O3等。该无机涂层或者化学地键合到该细胞培养物插入件表面，或者物理吸附于插入件表面。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件用一种复合的无机材料涂覆，该复合无机材料是例如磷酸钙和TiO2，磷酸钙和Al2O3等。该无机复合物涂层或者化学地键合到该细胞培养物插入件表面，或者物理吸附于插入件表面。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件用一种无机和有机材料组成的复合涂料涂覆，该复合涂料是例如，但不限于，磷酸钙/胶原、磷酸钙/凝胶、磷酸钙/聚乙二醇，等等。该复合物涂层或者化学地键合到该细胞培养物插入件表面，或者物理吸附于插入件表面。
在一种具体的实施方式中，所述细胞培养插入件的涂层用一种或多种生物分子浸渍，该生物分子是例如治疗剂，包括但不限于，抗生素、激素、生长因子、抗肿瘤剂、抗真菌剂、抗病毒剂、止痛药、抗组胺药、消炎药、抗感染药、创伤愈合剂、伤口密封剂、细胞引诱剂、细胞因子和类似物。
制造细胞培养插入件的方法
该细胞培养插入件必需是便宜的，从而其制造方法必需是非常经济合算并且适合于批量生产。
该方法是一种我们称为支架组装技术的方法。一个示范性的制造本发明细胞培养插入件的方法包括下列步骤。
步骤I、根据其结构设计，支架的每一层通过一种适宜的聚合物加工技术预先加工成预制件。所述聚合物加工技术可以是，但不限于，注塑法以及纤维织造和粘合，上述聚合物加工技术为制造聚合物部件和聚合物筛网的最有效与经济的方式。
步骤II、然后，通过将支架的若干层的预制件相互叠放于彼此之上，将支架的各层组装到一起。支架的每一层可以具有不同的结构，并且可以在尺寸上比最终的产品更大。在其尺寸比最终产品更大的情况下，通过使用例如冲模切割机的机械装置(mechanical device)，或激光束进行切割，最终的产品可以从组装的更大尺寸的构建体被切割成合适的尺寸和形状。一种或多种最终的细胞培养插入件可以由单独组装而成的更大构建体切割而得到。在支架的每一层以正确的尺寸预先加工的情况下，该细胞培养构建体可以在一种机械装置的辅助下组装在一起，所述机械装置在装配过程中起着引导和定向各层预制件的作用。例如，在制造一种椎间盘细胞培养插入件时，该机械装置是一种具有适当直径的中空管状物，其可容纳若干预先加工的圆形支架部件。该管状导向装置也可具有一种机械结构，其将预先加工的部件按照确定的方式排列，从而在组装后得到预先确定的构造。在一种机械组装装置的帮助下，将支架各部件在适当的位置上组装，然后将所述各部件用非细胞毒性的聚合物纤维或夹子等连接固定在一起，该聚合物纤维或夹子等优选是用与细胞培养插入件相同类型的材料制造的。在制造一种正方形或矩形截面的细胞培养插入件时也可使用一种机械组装导向装置，该装置具有一种正方形或矩形的横截面，相同的组装方法可以用来组装立方形的细胞培养插入件。
所述组装导向装置也可以是预先对准的聚合物纤维。这些预先对准的纤维将穿过预制的支架部件的一些洞或孔，并且最后将这些部件连接在一起，从而在组装以后获得预先确定的构型。
所述部件经组装后也可使用塑料超声焊接或熔融焊接的方式连接固定在一起。
通过将若干预制的具有若干不同结构设计的部件组装在一起，该支架组装技术还提供组装一种不均匀结构的细胞培养物插入件的可能性。还可以通过改变一个部件相对于其它部件的相对位置，例如旋转一些部件到确定的角度，从而改变该细胞培养插入件的结构。
使用上述组装技术制造的细胞培养插入件的好处在于，通过简单去除将单独层部件固定在一起的组装夹或组装纤维，该插入件可以在用于细胞培养后被容易地拆开。该拆开的部件可以容易地通过常规显微技术来评价，所述常规显微技术例如是光学显微镜法、扫描电子显微镜法等。
该组装的细胞培养插入件可以通过各种表面改性技术进行进一步的表面处理，所述的表面改性技术是例如所属领域技术人员已知的等离子体和辉光放电技术。该细胞培养插入件还可以用无机、有机和无机/有机材料通过浸涂、化学接枝和/或本领域技术人员已知的其它技术涂覆。最后，可以对所述最后表面处理过的细胞培养插入件进行包装和灭菌。
成套用具(kit)
本发明进一步包括提供在一个包装容器内具有一个或多个所述细胞培养插入件和组织培养平板的成套用具。本发明的成套用具包括一个或多个细胞培养插入件，并且可以包括其它组件，例如一种用于将所述细胞培养插入件从所述组织培养平板取出和插入的机械装置、无菌包装泡沫或其他一次性材料，及其类似物。
本发明的成套用具可以包括单独的细胞培养插入件，无菌包装，并且能开包即用。在一种实施方式中，本发明的成套用具可以包括两个或多个相同尺寸的细胞培养插入件。在另一种实施方式中，本发明的成套用具可以包括两个或多个不同尺寸的细胞培养插入件。
本发明的成套用具可以包括一个细胞培养插入件或多个细胞培养插入件，其插入在一个或多个细胞/组织培养平板的孔中，以及无菌包装，并且能开包即用。
使用所述细胞培养插入件培养细胞
与聚苯乙烯组织培养平板一起使用
本发明还提供使用所述细胞培养插入件在一种聚苯乙烯组织培养平板内培养活细胞的方法。该细胞培养插入件可以是一种圆盘或立方体的形状，以适合组织培养平板的孔。可以使用动态接种或静态接种方法，将细胞接种于所述细胞培养插入件中。
在一个实施例中，使用静态接种方法，将一定体积的细胞悬浮液用吸量管从所述细胞培养插入件的上表面加入，并让细胞有一定的时间贴附到其上，然后再用培养液灌洗。接种细胞以后，将所述细胞培养插入件放入含有细胞培养液的孔板中，在37℃下，相对湿度90％、二氧化碳含量5-10％的气氛中于培养箱内培养。
在另一个实施例中，使用动态接种方法，所述接种是通过在一种旋转烧瓶中，将所述细胞培养插入件浸入细胞悬浮液中来进行的。在接种后，将细胞培养插入件放置到带有培养基的组织培养平板的孔内，在37℃下、5％二氧化碳的培养箱内进行进一步的培养。定期替换细胞培养基。
当在某一确定的时间点完成细胞培养以后，将所述细胞培养插入件从该细胞培养平板中取出，并进行常规的试验。将细胞培养插入件拆开，以便在显微镜下观察在所述细胞培养插入件的不同层或者不同位置上的细胞贴附和细胞活性。
在所述细胞需要回收的情形下，使用胰蛋白酶-EDTA溶液对所述细胞进行胰酶消化。当细胞从所述细胞培养插入件上分离后，将细胞再次悬浮在小体积的新鲜的包含血清的培养基中，从而使胰蛋白酶失活。然后可以将这些细胞清洗回收后用于其它目的。
与生物反应器一起使用
本发明还提供使用所述细胞培养插入件在生物反应器内培养活细胞的方法。该细胞培养插入件可以是一种圆盘形或立方形，其尺寸和形状适合放置于所述生物反应器。
在使用静态接种方法的一个实施例中，将一定体积的细胞悬浮液用吸量管从所述细胞培养插入件的上表面加入，并且在用培养基灌洗前允许细胞贴附一定的时间。在使用静态接种方法接种以后，将这些接种了细胞的细胞培养物插入件放入充满细胞培养基的生物反应器中，在37℃下、90％湿度、5-10％二氧化碳的气氛中培养。在整个细胞培养过程中，细胞培养液持续地流通过细胞培养插入件的孔洞，并被定期更换。
当在某一确定的时间点完成细胞培养以后，将所述细胞培养插入件从该生物反应器中取出，并进行常规的试验。将细胞培养插入件拆开，以便在显微镜下观察在所述细胞插入件的不同层或者不同位置上的细胞贴附和细胞活性。
在所述细胞需要回收的情形下，使用胰蛋白酶-EDTA溶液对所述细胞进行胰酶消化。当细胞从所述细胞培养插入件上分离后，将细胞再次悬浮在小体积的新鲜的包含血清的培养基中，从而使胰蛋白酶失活。然后可以将这些细胞清洗回收后用于其它目的。
与现有技术相比，本发明的细胞培养插入件具有以下优点：
所述细胞培养插入件具有良好明确的结构，包括孔隙率、孔径尺寸、表面积和表面化学性质。
所述细胞培养插入件能够方便地与常规二维细胞培养容器配合使用，共同形成一种能提供目前的二维细胞培养体系的全部便捷之处的三维培养体系，对于医药、生命科学以及生物工程研究领域极具价值。
具体地，该理想的三维培养体系具有以下特征：
1.其具有一种多孔的三维结构，从而所述细胞可以同时贴附于该三维结构的外表面和内表面。该100％联通的多孔的结构能够允许营养物和代谢产物容易地进行交换。
2.该多孔的三维结构易于与目前的二维细胞培养容器一起使用。它可以很方便地以一种二维细胞培养平板孔内放置三维插入件的方式使用。
3.该多孔的结构足够结实从而能承受细胞培养过程中正常的机械操作，并且在细胞培养期间该多孔的结构不发生变形和改变。
附图说明
以下，结合附图来进一步详细地说明本发明的具体实施方式，其中：
图1表示本发明细胞培养插入件的一种实施方式，其包括结合并组装在一起的多层排列的聚合物纤维。
图2表示所述细胞培养插入件的一种实施方式的横截面，显示所述纤维的取向和所述纤维结合在一起的方式。
图3表示制造图1实施方式的预制层组装方式。
图4表示细胞培养插入件的另一种实施方式，其包括结合并组装在一起的多层排列的聚合物纤维。
图5表示制造不同构型的三维细胞培养插入件的预制层组装方式。
图6表示制造不同构型的三维细胞培养插入件的预制层组装方式。
图7表示用于组装预制层并确保其在所述三维细胞培养插入件的适当位置的纤维连接件(Fiber clap)。
图8表示制造所述的三维细胞培养插入件的引导和定向机构。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。但这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。所属领域技术人员应当理解，对于下列实施例中未注明具体实验条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照厂商所建议的条件。
实施例1：细胞培养插入件的制造方法
使用聚苯乙烯材料制造细胞培养插入件。将图5所示的细胞培养插入件的各部件，用于组装在细胞培养插入件中。根据设计将这些部件注射成型。在这些部件制得后，首先将第一层放置到组装导向装置中，然后依次在导向装置中放入第二、第三和第四层部件。这样，各部件的总数为4。然后使用一种如图7所示的聚苯乙烯纤维连接件，将这4个部件连接在一起。通过两端成结或者两端变形，将该连接件的两端进一步固定，从而所述两端不会从插入件的洞孔中跑出。组装后，使用一种Polaron PT7300 RF等离子体桶状刻蚀器(Quorum Technology，East Sussex，UK)，在氩气气氛中将所述细胞培养插入件进行等离子体处理。其射频功率、压力和处理时间分别固定为296瓦特、1×10-1毫巴和5分钟。
分别地包装该等离子体处理过的细胞培养插入件，并且最终用2 0KGy剂量的γ射线辐射进行灭菌。
实施例2：使用细胞培养插入件来培养细胞
本发明还提供在组织培养聚苯乙烯平板中使用该细胞培养插入件培养活细胞的方法。用于该研究的细胞培养插入件具有10mm宽×10mm长×0.3mm厚的尺寸，具有200μm的正方形孔和400μm的纤维直径。使用静态接种方法接种平滑肌细胞：用移液管将500μl平滑肌细胞悬浮液(1×105个细胞/毫升)从所述插入件的上表面加入，使细胞在37℃下贴附2小时后再灌入更多细胞培养基。接种了细胞后，将所述细胞培养插入件放入含有细胞培养基的多孔平板中，并且在37℃下，于一种90％湿度的含5-10％CO2的空气气氛内于培养箱中进行培养。所述生长培养基由包含5％(v/v)胎牛血清的Dulbecco氏改进的Eagle′s培养基(Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium，DMEM)组成。在使用动态接种方法的情形下，接种是通过将所述细胞培养插入件浸没于装在旋转烧瓶内的细胞悬浮液中，于60rpm下搅拌进行的，并且将该旋转烧瓶在37℃下放在湿润的5％CO2培养箱中。接种以后，将所述细胞培养插入件放置到带有细胞培养基的组织培养平板的孔中，于37℃下湿润的5％CO2培养箱中进一步培养。并定期更换培养基。
当于某一确定的时间点完成细胞培养后，将所述细胞培养插入件从细胞培养平板中取出，并进行常规的分析。将所述细胞培养插入件拆开，从而在显微镜下观察在所述细胞培养插入件的不同层或位置上的细胞贴附和细胞活性。
在所述细胞需要回收的情形下，使用胰蛋白酶-EDTA溶液(Sigma T4049)对所述细胞进行胰酶消化。当细胞从所述细胞培养插入件上脱离后，将细胞再次悬浮在小体积的新鲜的包含血清的培养基中，从而使胰蛋白酶失活。然后可以将这些细胞用于其它目的。
实施例3：使用细胞培养插入件在生物反应器中培养细胞
本发明还提供一种使用所述细胞培养插入件在生物反应器内培养活细胞的方法。这里使用的细胞培养插入件是圆盘状的(10mm直径的圆盘，厚度为0.8mm、孔隙率80％，并且纤维直径为200μm)，且适合所述的生物反应器。
首先将大鼠骨髓基质细胞(MSCs)静态地接种于所述细胞培养物插入件上。将含有250,000只大鼠的MSC的500μL的MSC悬浮液用吸量管从所述细胞培养插入件的上表面加入，使细胞于37℃下贴附2小时，然后再用细胞培养基冲灌。接种细胞以后，将这些接种了的细胞培养物插入件保持在流量灌注细胞培养器中。将这些接种了细胞的细胞培养物插入件浸没在一种完全的骨分化培养基中，并且于37℃下、90％湿度的、含有5-10％二氧化碳的空气气氛中培养。该生物反应器体系的流体流动操作是通过一种设定速度为1ml/分钟的蠕动泵来实现的。在培养期间，所述培养基液流通过插入件的孔从而穿过所述细胞培养插入件。因此，所述细胞是在动态剪切条件下培养的。所述细胞在该生物反应器中培养4、8和16天，每48小时进行一次完全的培养基更换。
在培养期间结束时，将所有的细胞培养插入构建体用PBS冲洗，并在-20℃下贮存于1.5ml的蒸馏的去离子水中，直到进行进一步的分析。在进行进一步的分析时，将所述细胞培养插入件拆开，从而在显微镜下观察在所述细胞培养插入件的不同层或位置上的细胞贴附形态和细胞活性。

Claims (13)

1.一种三维细胞培养插入件，其特征在于，所述细胞培养插入件由非降解性的无细胞毒性的聚合物材料制成，该插入件具有确定的和规则的三维多孔结构，并且其由单个多孔片层构件构成或由多个多孔片层构件固定在一起而成，优选地，所述三维细胞培养插入件做成适合细胞培养平板孔、培养室、培养瓶和/或生物反应器的尺寸。
2.权利要求1所述的三维细胞培养插入件，其特征在于，所述三维细胞培养插入件由恒定或不同直径的聚合物支柱和/或纤维组成；优选地，所述细胞培养插入件的孔隙率可以通过改变所述插入件中的支柱和/或纤维的数量和尺寸而改变；和/或优选地，多孔结构可通过改变支柱和/或纤维的三维定位图案而改变。
3.权利要求2所述的三维细胞培养插入件，其特征在于，所述支柱和/或纤维具有圆形、三角形、正方形和/或矩形的横截面。
4.权利要求1-3任一项所述的三维细胞培养插入件，其特征在于，所述非降解性的聚合物材料为聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯和/或聚酰胺，优选为聚苯乙烯；和/或所述细胞培养插入件通过表面改性技术处理，从而改善所述细胞插入件的细胞贴附作用，优选地，所述表面改性技术是物理化学方式，例如等离子体处理、辉光放电处理，和/或化学方式，例如使用H2SO4、HNO3等强酸处理。
5.权利要求4所述的三维细胞培养插入件，其特征在于，所述的表面改性技术是一种表面涂覆技术，通过施加一种不同于用于制备权利要求1所述构建体的聚合物的涂层物质，优选地，所述涂层物质是天然存在的聚合物，例如，蛋白、肽、糖胺聚糖、胶原、粘连蛋白；和/或合成聚合物，例如，聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚赖氨酸；和/或无机物质，例如，磷酸钙、TiO2、SiO2、Al2O3；和/或两种或多种有机材料组成的复合涂层，例如，凝胶和脱乙酰壳多糖，聚丙烯酸和聚乙二醇，聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮；和/或一种无机/有机的复合物，例如，磷酸钙/胶原复合物、钙磷酸/聚乙二醇复合物、磷酸钙/胞外基质。
6.权利要求5所述的三维细胞培养插入件，其特征在于，所述的表面涂层物质是以化学方式例如共价键、氢键、离子键或范德华力结合到所述细胞培养插入件的支柱和/或纤维上。
7.一种制造权利要求1-6任一项所述的三维细胞培养插入件的方法，所述方法包括：
(A)使用常规的聚合物加工方法，例如注塑、纤维织造和粘合技术制造所述插入件的单独层；
(B)根据结构设计，将步骤(A)所述的多个多孔片层结构切割或不经切割后，组装成所述的细胞培养插入件，优选地，所述组装使用非细胞毒性的聚合物纤维或夹子等连接件。
8.权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
(C)表面处理所述组装后的细胞培养插入件，所述表面处理是例如等离子体处理和表面涂覆等，优选地，所述表面涂覆处理是将所述涂层物质化学交联、加热、真空交联和/或辐射交联到所述细胞插入件上，进一步优选地，所述辐射是电子束辐射、γ辐射和/或紫外线辐射；和/或
(D)包装并利用辐射灭菌进行灭菌。
9.一种制造权利要求1-6任一项所述的三维细胞培养插入件的设备，其特征在于，所述设备包括：
(A)注塑、纤维织造和/或粘合制造聚合物单个多孔片层构件的机构；
当所述三维细胞培养插入件由多个多孔片层构件构成时，所述设备还包括：
(B)引导和定向机构，为具有适宜横截面形状的管状物，优选为矩形、圆形，带有可调整旋转角度的导向定位机构，使得各个多孔片层构件能够按照预先确定的相对位置叠放和/或按照确定的方式排列。
10.权利要求9所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
(C)切割机构，优选为冲模切割机或激光束切割机，在将所述的多孔片层构件送入到所述引导和定向机构之前切割成为适宜的尺寸；
(D)组装机构，将所述叠放好的各个多孔片层构件装配在一起。
11.一种成套用具，包括权利要求1-6任一项所述的三维细胞培养插入件及其它细胞培养支持物，例如组织培养平板、培养室、烧瓶和/或生物反应器。
12.使用权利要求1-6任一项所述的三维细胞培养插入件来培养细胞的用途。
13.一种使用权利要求1-6任一项所述的三维细胞培养插入件培养细胞的方法，所述方法包括：
(A)使用动态接种或静态接种方法，将细胞接种于所述细胞培养插入件中；
(B)接种细胞以后，将所述细胞培养插入件保持在浸没于生长培养基之中的细胞培养支持物，例如组织培养平板、培养室、培养瓶和/或生物反应器中进行培养。
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