CN101474427B - 组织工程产品的构建系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组织工程产品的构建方法及系统，本发明的方法是在支架材料的一侧种植细胞，在支架材料的另一侧进行脱水，本发明的装置包括培养室、干燥装置、用于放置支架材料的固定装置，固定装置的第一侧朝向培养室，且固定装置与培养室之间所围的空间为培养空间，固定装置的第二侧朝向脱水室，且固定装置与脱水室之间所围的空间为脱水空间。本发明可提供细胞适宜的生长环境，通过培养而得到合适的组织工程产品，同时也可以有效的降低组织工程产品的含水量，减少组织工程产品由于含水量高而带来的各种缺陷。

Description

组织工程产品的构建系统及方法

技术领域

本发明涉及一种组织工程产品的构建系统与方法。

背景技术

目前临床各种移植手术由于受到供体组织器官短缺的限制，无法广泛开展，解决这一难题最具潜力的方法是通过构建组织工程代用品来模拟自然组织和器官，实现创伤的修复和替代。近年来使用各种构建方法和装置制备的组织工程皮肤，心瓣膜，血管，膀胱等代用品，在动物实验和临床研究中已经取得了可喜进展，可不同程度的满足对创伤组织器官功能的修复和替代。

构建这些产品的共同之处是构建过程仅在培养液中进行，对组织器官含水量有影响，可造成构建的组织工程产品呈现不同程度的水肿，即制备的组织工程产品的含水量高于正常生理水平，这些高与生理含水量的组织工程产品在临床应用中具有诸多不利：

1、高含水量的组织工程产品的表层细胞粘附不佳：由于支架材料高度水肿，种植在其表面的细胞很难与其形成紧密联结，容易脱落。

2、高含水量的组织工程产品会影响其形态学特点：高含水量的组织工程产品与正常组织比较，形态发生了明显变形，缝合时容易产生植片-植床对合不良，组织工程产品行移植术后，植片在体内不断脱水，体积减小，导致缝线松脱，无法实现有效固定，增大了术后植片脱落的可能性，对于一些具备特殊功能的组织例如角膜则导致术后散光；

3、高含水量的组织工程产品会增加手术难度：较高含水量的组织工程产品，其生物力学强度下降，缝合强度降低，增加了手术操作的难度；

4、高含水量的组织工程产品会影响愈合：使用较高含水量的组织工程产品进行创伤修复时，多余的水分需要经过较长时间才能被完全吸收，同时，水肿本身可诱导植片-植床间过多瘢痕组织形成，因此较高含水量的组织工程产品明显影响移植术后创伤的愈合过程。

5、使用较高含水量的组织工程产品进行创伤修复时，在组织吸收多余水分的过程中影响组织液对移植细胞的营养，影响组织工程产品上细胞的成活率。

如上所述，使用较高含水量的组织工程产品直接用于临床所带来的不利，是生物医学领域所共知的常识，但是，对于已制备的组织工程产品用现行的各种脱水方式进行脱水时，由于组织工程产品脱离了培养环境，从而导致脱水过程严重损伤组织工程产品的生物学功能，因此构建的组织工程产品极难进行体外脱水。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组织工程产品的构建系统及方法，本发明可以在构建过程中，组织工程产品的对含水量进行适时控制，可以有效的避免高含水量的组织工程产品所带来的各种缺陷。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种组织工程组织的构建方法，该方法在支架材料的一侧种植细胞，同时在支架材料的另一侧对支架材料进行脱水，制备含水量可控的组织工程产品。

优选地，所述的支架材料可为脱细胞基质、胶原材料、高分子合成材料和羊膜、人工生物膜其中的至少一种；所述种植细胞的方法可为液体培养法、喷雾培养法、气液界面培养法和转壁培养法；所述的脱水是根据待构建组织工程制品的组织特点，利用调节气体的湿度和液体的渗透压的方式，制备生理含水量的组织工程制品。

所述的脱细胞基质指的是脱细胞角膜基质、脱细胞巩膜基质、脱细胞结膜基质和脱细胞皮肤基质。脱水指的是利用气体为媒介，制备生理含水量的组织工程制品。

为了实施本发明的方法，本发明提供了一种组织工程的构建系统，该括培养室、干燥装置、用于放置支架材料的固定装置，固定装置的第一侧朝向培养室，且固定装置与培养室之间所围的空间为培养空间，固定装置的第二侧朝向干燥装置，且固定装置所干燥装置之间所围的空间为干燥空间。

优选地，在所述培养室上设有上端口，在该上端口处设有上盖，在所述培养室上设有下端口，所述固定装置与该下端口相配合。

所述干燥装置包括脱水室，在脱水室上设有脱水室接口，所述固定装置的第二侧朝向该脱水室接口；在脱水室上设有可与通风装置相连的通风口；所述培养室上设有培养液口，该培养液口与培养液导管连通。所述干燥装置还包括与所述脱水室相通的干燥室，在干燥室内放置有干燥剂。

在所述干燥室上设有干燥剂填充孔。在所述脱水室与所述干燥室之间设置有可调百叶窗，所述脱水室与所述干燥室通过该可调百叶窗相通。

在脱水室上还可设有可与通风装置相连的通风口。

培养室和脱水室均可以是开放状，也可以是密闭状，便于形成正压或负压。

培养室或整个装置可以浸泡在外围另外的培养液中，通过定时装置控制支架材料及其表面种植的细胞交替的脱离和浸入培养液。

本发明的有益效果主要包括如下：

1.该构建方法可制备含水量可控的组织工程产品，避免了因含水量较高导致的各种缺陷。

2.该构建方法可利用自动形成气-液界面或设计正压、负压和不同干燥程度的构建环境。

3.本发明的构建系统实用性强，适用性广，既可作为实验室的实验设备，又可作为组织工程产品工业化制备的生产设备，工业生产时可以多个装置连排使用。培养室可以脱离干燥装置，形成独立结构，直接用于后期产品的包装储运。

附图说明

图1是本发明所述组织工程产品的构建系统的结构图；

1.培养室上盖；2.培养室；3.待构建支架材料；4.固定装置；5.脱水室接口；6.脱水室；7.可调百叶窗；8.干燥剂；9.干燥室；10.干燥剂填充孔；11.通风口；12.培养液进口；13.外接培养液导管；14.培养液贮瓶；15.培养液出口；16.培养液收集瓶。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种组织工程产品的构建系统，该系统包括培养室2、干燥装置、用于放置支架材料3的固定装置4，固定装置4的第一侧朝向培养室2，且固定装置4与培养室2之间所围的空间为培养空间，固定装置4的第二侧朝向干燥装置，且固定装置所干燥装置之间所围的空间为干燥空间。

其中，培养室2的两侧上分别设有一个培养液进口12和培养液出口15，培养液进口12与一个培养液导管13连通后，再与培养液贮瓶14连通，培养液出口15与一个培养液导管13连通后，再与培养液收集瓶16相通；在培养室2上设有上端口，在该上端口处设有上盖1，在培养室2上设有下端口，固定装置4与该下端口相配合；干燥装置包括脱水室6以及与脱水室6相通的干燥室9，在脱水室6上设有脱水室接口5，固定装置4的第二侧朝向该脱水室接口5，在脱水室4上设有可与通风装置相连的通风口11，在干燥室9内放置有干燥剂8，在干燥室9上设有干燥剂填充孔10，在脱水室6与干燥室9之间设置有可调百叶窗7，脱水室6与干燥室9通过该可调百叶窗7相通。

培养室2和脱水室3均可以是开放状，也可以是密闭状，便于形成正压或负压。

培养室2或整个装置可以浸泡在外围另外的培养液中，通过定时装置控制支架材料及其表面种植的细胞交替的脱离和浸入培养液。

利用本发明所述的组织工程产品的构建系统，可以对组织工程产品的含水量进行控制，即可在支架材料的一侧种植细胞，在支架材料的另一侧进行脱水。

在液体培养环境下，按照本发明的方法，可将待构建支架材料3固定于本发明的构建装置中，将其上表面置于培养室2的底部，进行组织工程构建，由于待构建的支架材料3都具备一定吸收和渗透水分的功能，特别是来自脱细胞基质的支架材料，这种特性尤为突出。因此本发明将待构建支架材料3的下表面置于湿度可控的脱水室6内，在干燥室9中预先放入足量的干燥剂8，通过调节可调百叶窗7的开放程度，控制干燥剂与脱水室上部空间的气体对流面积的大小，实现控制脱水室内气体湿度的目的。由于干燥装置内的湿度受2个因素影响。第一个因素是，培养室的水分和/或支架材料内所含的水分，以渗透方式到达支架材料的下表面，并向干燥装置内气体空间蒸发扩散，这是增加脱水室内湿度的因素。第二个因素，是干燥剂不断吸收干燥装置内水分，这是降低干燥装置内湿度的因素。只要适当调节可调百叶窗的开放程度，即可控制干燥装置内气体空间的湿度。不同支架材料吸收和渗透水分的速率有所差别，干燥装置内控制的湿度范围各不相同。因此，本发明通过控制脱水室内气体的湿度实现了制备适宜含水量的组织工程产品的目的。这种静态可控脱水方式简单易行。

在喷雾培养环境下，培养室2内喷入的培养液，仍会导致支架材料含水量过高，只要通过调节干燥装置内的湿度，即可制备适宜含水量的组织工程产品。

利用本发明装置提供的培养液进口12和培养液出口15，培养液导管13，培养液贮瓶14和培养液收集瓶16.可以提供气-液间断培养条件，在此培养条件下，仍会导致支架材料含水量过高，只要通过调节脱水室内的湿度，同样可制备适宜含水量的组织工程产品。

本发明装置的脱水室内还可提供了若干个进出气孔，可用于提供特定温度，压强，湿度和流量的各种气体，通过调节这些参数，达到某些特殊的脱水要求。这种动态可调脱水方式虽然技术要求较高，但易于工业化生产。

实施例2：使用本发明的方法和装置制备正常含水量的组织工程板层角膜(内皮成分板层角膜)

本实施例使用完整的脱细胞猪角膜基质作为支架材料3，其湿重/干重比值为11(含水量为91％)，将脱细胞猪角膜基质固定于固定装置4上并使其培养面朝向培养室2；将固定装置4插入脱水室6上部的脱水室接口5内；从干燥剂装填孔10向干燥室9内加入足量干燥剂8，封闭通风口11，封闭培养液进口12和培养液出口16；将待种植的原代兔角膜内皮细胞悬液(1×10⁴～1×10⁵/ml)2～5ml，加入培养室2内，盖上培养室上盖1；并使培养室2内的温度为37℃，二氧化碳含量为5％，每12小时换液一次。通过调节可调百叶窗7的开放程度，使脱水室6内气体湿度保持在10％～30％，培养3-10天后，在脱细胞猪角膜基质表面形成紧密的单层兔角膜内皮细胞；吸出培养室2内培养液，取出构建的组织工程板层角膜，检测湿重/干重比值为5(含水量为80％)。HE染色显示制备的正常含水量的组织工程板层角膜中角膜内皮细胞的粘附和生长状态良好。

实施例3：使用本发明的方法和装置制备正常含水量的组织皮肤

本实施例使用脱细胞猪真皮基质(10×10mm)作为支架材料3，其湿重/干重比值为3.3(含水量为70％)，将脱细胞猪真皮基质固定于固定装置4上并使其培养面朝向培养室2；将固定装置4插入脱水室6上部的脱水室接口5内；封闭干燥剂填充孔10；封闭培养液进口12和培养液出口16；将待种植的原代兔皮肤上皮细胞悬液(1×10⁵～1×10⁵/ml)2～5ml，加入培养室2内，盖上培养室上盖1；并使培养室2内的温度为37℃，二氧化碳含量为5％，每隔10分钟，向培养室内喷入1-5ml培养液，同时，打开脱水室内的进出气口，持续通入20％-40％湿度的无菌空气，空气流速为1-10米/秒；培养7-20天后，在脱细胞猪真皮基质表面形成紧密的复层兔皮肤上皮细胞层；吸出培养室2内培养液，取出构建的组织工程皮肤，检测湿重/干重比值为2.5(含水量为40％)。HE染色显示制备的正常含水量的组织皮肤中皮肤上皮细胞的粘附和生长状态良好。

实施例4：使用本发明的方法和装置制备正常含水量的组织工程板层角膜(上皮成分板层角膜)

本实施例使用脱细胞猪角膜基质作为支架材料3，其湿重/干重比值为11(含水量为91％)，将脱细胞猪角膜基质固定于固定装置4上并使其培养面朝向培养室2；将固定装置4插入脱水室6上部的脱水室接口5内；从干燥剂装填孔10加入足量干燥剂8，封闭通风口11，封闭培养液进口12和培养液出口16；将待种植的原代兔角膜上皮细胞悬液(1×1051×106/ml)2～5ml，加入培养室2内，盖上培养室上盖1；并使培养室2内的温度为37℃，二氧化碳含量为5％，每12小时换液一次。通过调节可调百叶窗7的开放程度，使脱水室6内气体湿度保持在10％～30％，培养3-10天后，在脱细胞猪角膜基质表面形成紧密的单层兔角膜上皮细胞；开放培养室2底部的培养液口12，通过外接的培养液导管13和培养液贮瓶14和培养液收集瓶16，实现对培养室2的间断供液，可定时升降培养液贮瓶14的高度，实现对培养室2的供液和排液，每1-10分钟间断进出培养室一次，形成气液培养方式。此时通过减小脱水室6内可调百叶窗7的开放程度，使脱水室6内气体湿度保持在30％～50％，培养3-10天后，在脱细胞猪角膜基质表面形成紧密的复层兔角膜上皮细胞；吸出培养室2内培养液，取出构建的组织工程板层角膜，检测湿重/干重比值为5(含水量为80％)。HE染色显示制备的正常含水量的组织工程板层角膜中角膜上皮细胞的粘附和生长状态良好。

以上实施例的优点是：支架材料3的一侧种植细胞，在支架材料3的另一侧进行脱水，不但提供细胞适宜的生长环境，通过培养而得到合适的组织工程产品，同时也可以有效的降低组织工程产品的含水量，减少组织工程产品由于含水量高而带来的各种缺陷。

前述仅为本发明较优的实施例而已，在不改变本发明基本构思的前提下，对本发明所作的任何改进，均属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种组织工程产品的构建方法，其特征在于：在支架材料的一侧培养种植细胞，同时在支架材料的另一侧对支架材料进行脱水，用于制备易吸水的组织工程产品。

2.根据权利要求1所述的组织工程产品的构建方法，其特征在于：所述的支架材料可为脱细胞基质、胶原材料、高分子合成材料和羊膜、人工生物膜中的至少一种；所述种植细胞的方法为液体培养法、喷雾培养法、气液界面培养法或转壁培养法；所述的脱水是根据待构建组织工程制品的特点，利用调节气体的湿度和液体的渗透压的方式，制备生理含水量的组织工程制品。

3.根据权利要求2所述的组织工程产品的构建方法，其特征在于：所述的脱细胞基质指的是脱细胞角膜基质、脱细胞巩膜基质、脱细胞结膜基质或脱细胞皮肤基质；所述脱水指的是利用气体为媒介，制备生理含水量的组织工程制品。

4.一种组织工程产品的构建装置，其特征在于，该装置包括培养室、干燥装置、用于放置支架材料的固定装置，固定装置的第一侧朝向培养室，固定装置与培养室之间所围的空间为培养空间，固定装置的第二侧朝向干燥装置，固定装置与干燥装置之间所围的空间为干燥空间；所述干燥装置包括脱水室，在脱水室上设有脱水室接口，所述固定装置的第二侧朝向该脱水室接口。

5.如权利要求4所述一种组织工程产品的构建装置，其特征在于：在所述培养室上设有上端口，在该上端口处设有上盖，在所述培养室上设有下端口，与所述固定装置相配合。

6.根据权利要求4所述一种组织工程产品的构建装置，其特征在于：所述培养室上设有培养液口，该培养液口与培养液导管连通。

7.如权利要求4所述一种组织工程产品的构建装置，其特征在于：所述干燥装置还包括与所述脱水室相通的干燥室，在干燥室上设有干燥剂填充孔，用于向内放置干燥剂。

8.如权利要求7所述组织工程产品的构建装置，其特征在于，在所述脱水室与所述干燥室之间设置有可调百叶窗，所述脱水室与所述干燥室通过该可调百叶窗相通。

9.如权利要求4所述组织工程产品的构建装置，其特征在于：在脱水室上设有可与通风装置相连的通风口。

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