CN101402917B - 一种生产组织工程产品的生物反应器 - Google Patents

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Abstract

一种生产组织工程产品的生物反应器，包括有废液瓶，补液瓶，储液瓶，四气混合器，酸液瓶，碱液瓶，还有一个由反应盒体、反应盒盖、层盘、恒温夹套和密封垫圈组装而成的生物反应盒；层盘在反应盒体内由下而上正向反向交替叠加安装，上一层层盘的溢流槽在下一层层盘的溢流槽相对一端的上面，最下层层盘的溢流槽一端靠近反应盒体的液体出口，最上层层盘的定位脚一端位于液体挡板下。与现有技术相比，它的扩展性好，适合规模化生产；结构简单，体积小，管路少，通用性较强、适用范围广，不仅适合组织工程皮肤的气液界面培养生产组织工程皮肤，还可用于合成支架类组织工程产品(如骨、软骨、肌腱等)的生产。

Description

一种生产组织工程产品的生物反应器
技术领域
本发明属于人体组织培养装置，涉及生产组织工程产品，特别是组织工程皮肤的生物反应器。
背景技术
组织工程是近三十年来发展起来的新兴交叉学科领域，其最终目的是生产出用于恢复、维持、或增进人体受损器官或组织结构和功能的产品，例如组织工程皮肤、骨、软骨、肌腱等。而组织工程皮肤是进展最快的一类产品，目前已有多个产品用于临床。美国Organogenesis公司生产的Apligraf是第一种同时含表皮和真皮层的组织工程皮肤，是以胶原为支架的代表，其生产过程是采用传统的静态培养方法，先将成纤维细胞与牛胶原溶液混合制成细胞凝胶，培养4-6天后再在表面接种角质形成细胞，浸没培养一周后改用气液界面培养两周，这种手工制备方法操作复杂，不易大规模生产。Dermagraft是以合成材料为支架的代表，其基本过程是将第8代新生儿包皮成纤维细胞种植于聚乳酸、聚羟基乙酸纤维网中，培养14～17天，成纤维细胞大量增殖并分泌胶原、纤维粘连蛋白、蛋白聚糖、生长因子等，形成由成纤维细胞、细胞外基质和可降解生物材料构成的人工皮肤，目前已经实现通过Dermagraft生物反应器来生产，这是一种专用的反应器，它由多个多管生长系统组成，每一个生长系统包括了多个操作单元，每个操作单元垂直附在生长系统上，操作单元上有Vicryl支架并经激光焊接在EVA(乙烯-乙烯基乙酸盐)上，成纤维细胞注入时会粘附在Vicryl支架上并存活，产生细胞外基质和细胞因子，形成真皮组织，一次可以生长出上千个工程化的Ddermagraft(见《组织工程方法》杨志明主译，化学工业出版社，北京2006年第1版P1034)。但是此生物反应器存在以下一些缺点：一是支架是垂直的，细胞粘附于支架的数量有限，二是操作单元的生产相对较复杂，三是需要的培养液需要量大，四是反应器体积较大，五是只能是适合合成支架类产品的培养，六是不能培养双层组织工程皮肤，不能做气液界面培养。
在现有技术中，孙涛报道了一种适合于皮肤气液界面培养的简易生物反应器(Sun T，Norton D，Haycock JW，et al.Development of a closedbioreactor system for culture of tissue-engineered skin at anair-liquid interface.Tissue Engineering 2005，11：1824-1831)，它是由一个蠕动泵、一个培养小室和两个培养液体瓶组成的封闭式环路结构，在培养小室内有细胞接种网架、细胞接种限制环、支架材料和支撑架，还有一个微型泵能够将95％空气/5％CO2压入培养小室内以维持合适的pH值。但它只能用于实验室的研究，而且只适合于合成材料为支架的组织工程皮肤产品的研究。有一件名称为《组织工程皮肤体外构建的新型生物反应器》的CN2565838Y于2003年8月13日公开，其结构与孙涛的反应器类似但复杂，另外还设计了培养液环形通道、储液槽、支撑园台等结构。还有一件名称为《双层活性皮肤体外构建的灌注式生物反应器系统》的CN1560225A于2005年01月05日公开，它包括加液装置、灌注式生物反应器、收液装置、液体回流装置和供气装置，其缺点是体积大、控制阀和管路过多。上述现有技术的生物反应器都只能用于组织工程皮肤的培养，而对其它组织工程产品如骨、软骨、肌腱等的体外构建不适用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种生产组织工程产品的生物反应器，使之区别于现有技术，结构紧凑，体积小，适用范围广，并能实现组织工程产品的规模化生产和确保产品质量。
采取以下技术方案来实现本发明的目的。
一种生产组织工程产品的生物反应器，包括有废液瓶，补液瓶，储液瓶，四气混合器，酸液瓶，碱液瓶，它还有一个由反应盒体、反应盒盖、层盘、恒温夹套和密封垫圈组装而成的生物反应盒；反应盒盖上设有液体进口和空气交换口，在靠近液体进口的反应盒盖底面设有液体挡板，恒温夹套设置在反应盒体外围，在反应盒体一侧下部设有穿过恒温夹套的液体出口，密封垫圈安装在反应盒盖与反应盒体端口之间；层盘是具有边壁的方形盘，在盘面内均布设置有丝网模具，丝网模具可根据产品品种要求而设计成圆型、方型或异型结构，在盘面一端设有高度低于边壁的溢流堰，溢流堰与相邻边壁之间开有溢流槽，与溢流槽相对一端的盘底两边设有定位脚，溢流堰相邻边壁伸出盘底与定位脚等高使盘面水平；层盘在反应盒体内由下而上正向反向交替叠加安装，使上一层层盘的溢流槽在下一层层盘的溢流槽相对一端的上面，最下层层盘的溢流槽一端靠近反应盒体的液体出口，最上层层盘的定位脚一端位于液体挡板下方。
上述生产组织工程产品的生物反应器，所说的生物反应盒的液体进口用管道通过蠕动泵与储液瓶连通，所说的生物反应盒的液体出口用管道通过蠕动泵和控制阀与储液瓶和废液瓶并联连通，所说的生物反应盒的空气交换口用管道与空气过滤器连通。
上述生产组织工程产品的生物反应器，所说的补液瓶、酸液瓶和碱液瓶分别用管道通过蠕动泵与储液瓶连通，四气(O2、N2、CO2和空气)混合器用管道通过空气过滤器与储液瓶连通。补液瓶、储液瓶和废液瓶中盛装细胞培养液。酸液瓶、碱液瓶和四气混合器用于调节储液瓶内细胞培养液的溶氧值和pH值
上述生产组织工程产品的生物反应器，所说的储液瓶在外围设置有恒温夹套，并在储液瓶中设置有分别与溶氧值测定仪和pH值测定仪相连的溶氧电极和pH电极，并可通过电脑对储液瓶内细胞培养液的溶氧值和pH值进行控制。
上述生产组织工程产品的生物反应器，所说的废液瓶、补液瓶、储液瓶、酸液瓶和碱液瓶分别用管道与空气过滤器连通。废液瓶设置有取液管，以便检测使用过的细胞培养液的质量。
在生物反应盒和储液瓶的恒温夹套内，用温控液循环并通过温控器将生物反应盒的温度控制在所要求的范围内。
本发明生产组织工程产品的生物反应器，其工作基本过程是：先在层盘的丝网模具内植入拟生产组织工程产品的支架材料(胶原类凝胶溶液或支架)、种子细胞或细胞与支架的复合物，并将生物反应盒的温度控制在所要求的范围内，再将质量合格的细胞培养液用蠕动泵从储液瓶送入生物反应盒的液体进口，同时用空气交换口使空气过滤并使生物反应盒内外的压力调节平衡，细胞培养液从液体挡板引流到最上一层层盘中，然后翻过溢流堰从溢流槽流到下一层层盘中，如此逐层交替正反向流动，直至从最下一层层盘的溢流槽流到生物反应盒的底部；由于溢流堰的作用使每一层层盘内丝网模具中的支架材料、种子细胞或细胞与支架的复合物恰好被流动的培养液盖上，从而使丝网模具内待培养的产品始终处于气液界面培养状态；生物反应盒底部的细胞培养液从液体出口用蠕动泵再送回储液瓶中循环使用；细胞培养液循环使用一段时间后，要将其送入废液瓶中检测使用过的细胞培养液的质量，如质量下降应及时用蠕动泵从补液瓶补充入储液瓶中。这样，使丝网模具内待培养的产品经过一定时期的细胞培养液气液界面培养，直至成长为质量合格的组织工程产品。
本发明生产组织工程产品的生物反应器，与现有技术相比具有以下优点：(1)扩展性好，生物反应盒内的层盘数量可多可少，产量大时可以通过增加层盘数量或是增加生物反应盒便可扩产，适合规模化生产。(2)层盘和生物反应盒可大可小，根据产量能够进行随间缩放。(3)结构简单，体积小，由于采用层盘一层层叠加，既保证了细胞培养所需要的面积，又大大地缩小了设备占用面积。(4)管路少，层盘的设计是采用水自然流向的原理，不需要过多的管路。(5)通用性较强、适用范围广，不仅适合组织工程皮肤的气液界面培养生产组织工程皮肤，还可用于合成支架类组织工程产品(如骨、软骨、肌腱等)的生产。
附图说明
图1为本发明生物反应器的整体结构示意图；
图2为本发明生物反应器中层盘的盘面结构示意图；
图3为图1中的层盘放大结构示意图。
在图中，A—生物反应盒，1—反应盒体，2—液体进口，3—液体挡板，4—空气过滤器，5—反应盒盖，6—层盘，601—丝网模具，602—溢流堰，603—溢流槽，604—定位脚，7—恒温夹套，8—液体出口，9—蠕动泵，10—废液瓶，11—取液管，12—补液瓶，13—储液瓶，14—溶氧电极，15—pH电极，16—四气混合器，17—酸液瓶，18—碱液瓶，19—密封垫圈，20—空气交换口，21—控制阀。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明生物反应器的具体结构。
一种生产组织工程产品的生物反应器，包括有废液瓶10，补液瓶12，储液瓶13，四气混合器16，酸液瓶17，碱液瓶18，它还有一个由反应盒体1、反应盒盖5、层盘6、恒温夹套7和密封垫圈19组装而成的生物反应盒A；反应盒盖5上设有液体进口2和空气交换口20，在靠近液体进口2的反应盒盖底面设有液体挡板3，恒温夹套7设置在反应盒体1的外围，在反应盒体1一侧下部设有穿过恒温夹套的液体出口8，密封垫圈19安装在反应盒盖5与反应盒体1端口之间；层盘6是具有边壁的方形盘，在盘面内均布设置有丝网模具601，在盘面一端设有高度低于边壁的溢流堰602，溢流堰与相邻边壁之间开有溢流槽603，与溢流槽603相对一端的盘底两边设有定位脚604，溢流堰相邻边壁伸出盘底与定位脚604等高使盘面水平；层盘6在反应盒体1内由下而上正向反向交替叠加安装，使上一层层盘的溢流槽603在下一层层盘的溢流槽603相对一端的上面，最下层层盘的溢流槽603一端靠近反应盒体1的液体出口8，最上层层盘的定位脚604一端位于液体挡板3下方。
上述生产组织工程产品的生物反应器，所说的丝网模具601是根据产品品种要求而设计成圆型、方型或异型结构。
上述生产组织工程产品的生物反应器，所说的生物反应盒A的液体进口2用管道通过蠕动泵9与储液瓶13连通，所说的生物反应盒A的液体出口8用管道通过蠕动泵9和控制阀21与储液瓶13和废液瓶10并联连通，所说的生物反应盒A的空气交换口20用管道与空气过滤器4连通。
上述生产组织工程产品的生物反应器，所说的补液瓶12、酸液瓶17和碱液瓶18分别用管道通过蠕动泵9与储液瓶13连通，四气(O2、N2、CO2和空气)混合器16用管道通过空气过滤器4与储液瓶13连通。补液瓶12、储液瓶13和废液瓶10中盛装细胞培养液。酸液瓶17、碱液瓶18和四气混合器16用于调节储液瓶13内细胞培养液的溶氧值和pH值。
上述生产组织工程产品的生物反应器，所说的储液瓶13在外围设置有恒温夹套7，并在储液瓶13中设置有分别与溶氧测定仪和pH值测定仪相连的溶氧电极14和pH电极15，并可通过电脑对储液瓶13内细胞培养液的溶氧值和pH值进行控制。
上述生产组织工程产品的生物反应器，所说的废液瓶10、补液瓶12、储液瓶13、酸液瓶17和碱液瓶18分别用管道与空气过滤器4连通。废液瓶10设置有取液管11，以便检测使用过的细胞培养液的质量。

Claims (2)

1.一种生产组织工程产品的生物反应器，包括有废液瓶(10)，补液瓶(12)，储液瓶(13)，四气混合器(16)，酸液瓶(17)，碱液瓶(18)，其特征在于：
1)它还有一个由反应盒体(1)、反应盒盖(5)、层盘(6)、恒温夹套(7)和密封垫圈(19)组装而成的生物反应盒(A)；
2)反应盒盖(5)上设有液体进口(2)和空气交换口(20)，在靠近液体进口(2)的反应盒盖底面设有液体挡板(3)，恒温夹套(7)设置在反应盒体(1)的外围，在反应盒体(1)一侧下部设有穿过恒温夹套的液体出口(8)，密封垫圈(19)安装在反应盒盖(5)与反应盒体(1)端口之间；
3)层盘(6)是具有边壁的方形盘，在盘面内均布设置有丝网模具(601)，在盘面一端设有高度低于边壁的溢流堰(602)，溢流堰与相邻边壁之间开有溢流槽(603)，与溢流槽(603)相对一端的盘底两边设有定位脚(604)，溢流堰相邻边壁伸出盘底与定位脚(604)等高使盘面水平；
4)层盘(6)在反应盒体(1)内由下而上正向反向交替叠加安装，使上一层层盘的溢流槽(603)在下一层层盘的溢流槽(603)相对一端的上面，最下层层盘的溢流槽(603)一端靠近反应盒体(1)的液体出口(8)，最上层层盘的定位脚(604)一端位于液体挡板(3)下方；
5)生物反应盒(A)的液体进口(2)用管道通过蠕动泵(9)与储液瓶(13)连通，生物反应盒(A)的液体出口(8)用管道通过蠕动泵(9)和控制阀(21)与储液瓶(13)和废液瓶(10)并联连通，生物反应盒(A)的空气交换口(20)用管道与空气过滤器(4)连通；
6)补液瓶(12)、酸液瓶(17)和碱液瓶(18)分别用管道通过蠕动泵(9)与储液瓶(13)连通，四气混合器(16)用管道通过空气过滤器(4)与储液瓶(13)连通；
7)储液瓶(13)在外围设置有恒温夹套(7)，并在储液瓶(13)中设置有分别与溶氧测定仪和pH值测定仪相连的溶氧电极(14)和pH电极(15)；
8)废液瓶(10)、补液瓶(12)、储液瓶(13)、酸液瓶(17)和碱液瓶(18)分别用管道与空气过滤器(4)连通，废液瓶(10)设置有取液管(11)。
2.按照权利要求1所述的生产组织工程产品的生物反应器，其特征在于，所说的丝网模具(601)是根据产品品种要求而设计成圆型、方型或异型结构。
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