CN101676382A - 仿生组织培养室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生组织培养室，所述培养室的下部容器和上盖均为医用塑料制作的下部容器和上盖，上盖一体成型有可伸缩的折叠边，上盖的可伸缩的折叠边与下部容器连接形成密封的培养室，下部容器内设有竖立向上的用于支撑生物组织的支架，上盖内设有向下延伸的用于施加应力的装置，用于支撑生物组织的支架和用于施加应力的装置处于同一轴心线，用于支撑生物组织的支架与用于施加应力的装置之间留有放置生物组织的空间，上盖的上端设有与动力传动机构连接的连接杆，下部容器上分别设有培养液的输入孔和输出孔。本发明能够根据不同培养组织的特性，将培养组织放置培养室中给与模拟血循环的方式供养和施加不同模仿机体生理状况的生物应力刺激。

Description

仿生组织培养室

技术领域

本发明涉及一种生物组织工程制备装置，特别涉及一种生物组织工程制备的仿生组织培养室。

背景技术

生物组织的体外仿生培养，是指将应用组织工程技术构建的组织工程组织置于模拟体内生理环境的体外培养条件下进行培养，以促进组织工程组织结构和功能成熟。这种仿生培养必须借助于培养室的应用才能实现。生理环境的仿生模拟特别需要涉及两方面的仿生，即在培养液供给方式上模拟血液循环，和在应力施加上模拟生理应力环境及模式。目前用于生物组织工程制备技术的较先进的组织培养室，可归为两种类型，一种是培养液流动式培养室，一种是应力施加式培养室。

培养液流动式培养室由两部分筒体连接构成，筒体通常采用石英材料或有机玻璃材料制作，培养室中设置一个放置工程组织的搁架，使用时，将培养组织放置在培养室中的搁架上，封闭培养室，通过培养室外部的动力，如蠕动泵、机械旋转等方式驱动培养液在培养室内缓慢流动，利用培养液的流动改善培养组织内部的传质及供养，但是由于这种培养室结构简单、功能单一，仅能实现培养液的简单运动方式，为2mm以下厚度的软骨组织提供中心供养，不能很好的模拟体内血循环和组织供养机制，故其在提高对培养组织的传质及供养性能方面效果有限，不能解决3mm以上厚度的较大组织块培养的中心供养问题，而且不能对组织结构成熟的整个过程产生关键性影响。

应力施加式培养室由开放式培养容器和施加外源性压应力装置构成，其开放式培养容器通常采用石英材料或有机玻璃材料制作，使用时，将培养组织放置在培养容器内，在容器内加入培养液，再将施加外源性压应力装置的应力施加杆插入培养容器与培养组织接触，通过施加外源性压应力装置对所培养的培养组织施加压应力，促进培养组织的种子细胞的排列分布和细胞外基质分泌。由于培养容器和施加外源性压应力装置是各自独立的两个部件，在培养容器中放入培养组织后，再插入施加外源性压应力装置的应力施加杆，使其压住培养组织，因此，这种结构的培养容器必须是开放式的，同时还需要预留应力施加装置连杆运动的空间。这样的结构将导致在培养过程中，因培养容器的开放和连杆运动带动空气的流动，使组织培养过程极易被细菌污染而失败，难以完成长时间、高质量的组织培养和实验观察。并且采用这种结构的压应力施加式培养室，其压应力施加装置主要为电磁控制，只能控制压应力施加的频率和位移，不能控制所施加压应力的大小与作用形式，压应力施加过程是冲击式的矩形波，而生物压应力作用形式多为抛物线形波，因此，现有的组织培养室所能获得的压应力施加不能很好的模仿生物体内的生物应力微环境，不能很好地实现压应力施加的仿生，对促进组织工程组织结构和功能成熟的效能有限，甚至起相反的作用，而且培养容器的结构决定了只能施加单一的压应力刺激。同时，现有的应力施加式培养室，是结构简单、功能单一的开放式培养容器，导致培养液的更新多采用手工操作，容易人为导致培养过程的污染，且培养的微环境的稳定性差，不利于组织的发育。因这种结构的培养容器是将培养组织直接放在容器底部，导致培养组织的营养交换面减小，影响组织的供养交换。

尤其是现有的两类组织培养室因制作培养容器的材料价格较贵，一般都采用消毒后重复使用，而反复使用则需经过严格的清洗消毒，一旦消毒不严，就会引起交叉感染。

因此，现有的仿生组织培养室因其功能单一，一般仅适用于单一因素对组织工程组织体外生成作用的实验室研究，不能模拟体内环境，故对组织工程组织体外发育的促进作用有限，不能适应组织工程组织仿生培育研究的要求和临床应用的需要，改良设计用于各种目的的专用组织培养室及其支持系统成为近年来组织工程技术研究的热点。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种仿生组织培养室，它既能够根据不同培养组织的特性，将培养组织放置培养室中，在其外部的功能支持系统共同工作下，给予模拟血循环的方式供养和施加不同模仿机体生理状况的生物应力刺激，适用于多种组织的培养，又能保证培养过程不易被污染。

本发明的技术方案是这样实现的：所述培养室包括下部容器和上盖，所述下部容器和上盖均为医用塑料制作的下部容器和上盖，上盖一体成型有可伸缩的折叠边，上盖的可伸缩的折叠边与下部容器连接形成密封的培养室，下部容器内设有竖立向上的用于支撑生物组织的支架，上盖内设有向下延伸的用于施加应力的装置，用于支撑生物组织的支架和用于施加应力的装置处于同一轴心线，用于支撑生物组织的支架与用于施加应力的装置之间留有放置生物组织的空间，上盖的上端设有与动力传动机构连接的连接杆，下部容器上分别设有培养液的输入孔和输出孔。

所述用于支撑生物组织的支架为上部是托盘下部是立柱的结构，托盘为空心夹层结构，托盘的上端面设有若干孔与空心夹层相通，立柱为空心立柱，托盘的空心夹层通过立柱的空心连通下部容器底部的输入孔。

所述托盘的上端面中心设有一竖立向上的空心管，空心管的管壁设有若干通孔，空心管的空心与托盘的空心夹层相通。

所述用于支撑生物组织的支架通过下部的空心立柱连接固定在下部容器底部的输入孔内，或者用于支撑生物组织的支架为与下部容器一体成形的支架。

所述用于支撑生物组织的支架为立柱，立柱下端与下部容器底部连接固定，或者立柱为与下部容器一体成形的立柱，立柱上端安装有夹子，下部容器的侧壁下部设置输入孔，输入孔设有连接管路的连接嘴。

所述用于施加应力的装置为下部是压盘上部是柱状体的结构，压盘上设有若干贯通压盘上下端面的通孔，或者所述用于施加应力的装置为柱状体，柱状体的下端安装有夹子。

所述用于施加应力的装置上端与上盖内顶的连接座连接固定，或者用于施加应力的装置一体成型于上盖内。

由于采用了上述方案，所述培养室均采用医用塑料制作，上盖一体成型有可伸缩的折叠边，上盖的可伸缩的折叠边与下部容器连接形成密封的培养室，这样可以防止培养室内部在组织培养的过程中被污染，保证能完成长时间、高质量的组织培养和实验观察。在下部容器内设有竖立向上的用于支撑生物组织的支架，上盖内设有向下延伸的用于施加应力的装置，用于支撑生物组织的支架和用于施加应力的装置处于同一轴心线，用于支撑生物组织的支架与用于施加应力的装置之间留有放置生物组织的空间，这样就可以将生物组织放置在用于支撑生物组织的支架和用于施加应力的装置之间，通过用于施加应力的装置对所培养的组织施予压应力或拉应力，使培养组织得到应力刺激，促进其种子细胞的排列分布和细胞外基质分泌。由于上盖的上端设有与动力传动机构连接的连接杆，使培养室的上盖能够与动力传动机构连接，动力传动机构在动力装置施予的模拟机体运动系统的压应力或拉应力的驱动下，向上盖施与外应力，因上盖具有可伸缩的折叠边，可以在动力传动机构的作用下伸开、收缩形成上下往复运动，并带动上盖内设有的用于施加应力的装置上下运动，对培养组织块施加应力刺激，促进其种子细胞的排列分布和细胞外基质分泌。在施与应力的过程中，上盖的可伸缩的折叠边既能够满足施予应力时的伸缩运动，又能够保证培养室的密封性，使培养室内不被污染。所述用于支撑生物组织的支架有托盘结构的，或者托盘上设有立管结构的，或者有夹子结构的，所述用于施加应力的装置有压盘结构的，或者有夹子结构的，这些不同结构的用于支撑生物组织的支架和用于施加应力的装置，分别一体成型在下部容器或上盖内，使培养室可以根据所培养的不同生物组织而选择具有不同的用于支撑生物组织的支架和用于施加应力的装置的下部容器和上盖进行组合，以适应多种组织的培养需要。如：构建片状软骨组织时，选用有托盘结构的用于支撑生物组织的支架的下部容器，与有压盘结构的用于施加应力的装置的上盖组合，能够使片状软骨组织放在支架的托盘上，由上盖内的压盘压住，在外部动力的驱动下对所培养的片状软骨组织块施加压应力刺激。构建管状骨组织时，选用托盘上设有立管结构的用于支撑生物组织的支架的下部容器，与有压盘结构的用于施加应力的装置的上盖组合，能够使管状骨组织空套在托盘上的立管上形成定位，由上盖内的压盘压住，在外部动力的驱动下对所培养的管状骨组织施加压应力刺激。构建肌腱组织时，选用有夹子结构的用于支撑生物组织的支架的下部容器，与有夹子结构的用于施加应力的装置的上盖组合，能够使肌腱组织的两端被夹子夹住，在外部动力的驱动下对所培养的肌腱组织施加拉应力刺激。同时，由于用于支撑生物组织的支架的托盘为空心夹层结构，托盘的上端面设有若干孔与空心夹层相通，托盘的上端面的空心管的管壁设有若干通孔，用于施加应力的装置的压盘设有若干贯通压盘上下端面的通孔，使培养液能够通过这些通孔与组织接触，增大培养组织周边的营养交换面积，提高组织的供养交换。或者，这些不同结构的用于支撑生物组织的支架和用于施加应力的装置，也可以分别与下部容器或上盖通过螺纹连接或过盈配合卡接固定，使培养室可以根据所培养的不同生物组织选择不同的用于支撑生物组织的支架或用于施加应力的装置，与下部容器或上盖组合，以适应多种组织的培养需要，这样让下部容器和上盖具有通用性，只是更换用于支撑生物组织的支架或用于施加应力的装置，可进一步降低制作成本。在下部容器的下部设置培养液输入孔，在下部容器的上部设置培养液的输出孔，培养液能够从输入孔输入，从输出孔流出，借助动力泵的驱动，使培养液形成脉冲式灌流来实现血液循环心脏搏动力仿生，能够改善培养组织的营养交换，提高营养交换效率。这种既能对培养组织施加应力刺激，又能使培养液形成脉冲式灌流的密封性培养室，提高了对培养组织的传质及供养性能效果，能解决3mm以上厚度的较大组织块培养的中心供养问题，对组织结构成熟的整个过程产生关键性影响。而且培养室采用医用塑料制作，成本相对较低，能够满足一次性使用的要求，这样能够防止使用时的交叉感染，又省去了传统的培养器皿反复使用需要对培养器皿消毒的时间，便于满足临床大量应用。

本发明通过在培养室内设置用于支撑生物组织的支架和用于施加应力的装置，在上盖设置可伸缩的折叠边，使培养室在密封的情况下具有直接对所培养的组织施加生物学应力的能力。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明用于片状软骨组织的实施例结构示意图；

图2为本发明培养片状软骨组织的示意图；

图3为本发明用于管状骨组织的实施例结构示意图；

图4为本发明培养管状骨组织的示意图；

图5为本发明用于肌腱组织的实施例结构示意图；

图6为本发明培养肌腱组织的示意图。

附图中，1为连接杆，2为上盖，3为可伸缩的折叠边，4为用于施加应力的装置，4a为压盘，4b为柱状体，4c为夹子，5为连接座，6为用于支撑生物组织的支架，6a为托盘，6b为立柱，6c为空心管，6d为空心夹层，6e为夹子，7为下部容器，8为输出孔，9为输入孔，10为连接嘴，11为组织。

具体实施方式

参见图1、图2，本实施例为用于构建片状软骨组织的仿生组织培养室，所述培养室包括下部容器7和上盖2，所述培养室均采用医用塑料制作的下部容器7和上盖2，上盖2一体成型有可伸缩的折叠边3，上盖2的可伸缩的折叠边3与下部容器7连接形成密封的培养室。上盖2与下部容器7的连接可通过设置螺纹拧紧，也可以采用过盈配合，使上盖2紧紧地与下部容器7连接并形成密封。下部容器7上分别设有培养液的输出孔8和输入孔9，输出孔8位于下部容器7的侧壁上部，输出孔8设有连接管路的连接嘴10，该连接管路的连接嘴10与下部容器的输出孔8螺纹连接，或过盈配合并用螺母锁定，或者连接管路的连接嘴10为与下部容器7一体成形的整体结构。所述输入孔9设置在下部容器7的底部，也可以设置在下部容器7的侧壁下部与输出孔8各在一侧。输入孔9设于下部容器7侧壁时，与输出孔一样设置连接管路的连接嘴。所述下部容器7内设有竖立向上的用于支撑生物组织的支架6，所述用于支撑生物组织的支架6为上部是托盘6a下部是立柱6b的结构，托盘6a为空心夹层结构，托盘6a的上端面设有若干小孔与空心夹层6d相通，立柱6b为空心立柱，托盘6a的空心夹层6d通过立柱的空心连通输入孔9。空心立柱6b下端与下部容器7底部的输入孔9连接固定，且伸出输入孔形成连接管路的连接嘴。其固定连接采用立柱6b与输入孔螺纹连接，或者过盈配合后空心立柱6b的伸出端用螺母锁定，且留有一段连接管路的接头；所述用于支撑生物组织的支架6也可以与下部容器7一体成型。所述上盖2内设有向下延伸的用于施加应力的装置4，该用于施加应力的装置4为下部是压盘4a上部是柱状体4b的结构，压盘4a上设有若干贯通压盘上下端面的小通孔。所述用于施加应力的装置4与上盖2一体成形，或者在上盖2内顶一体成型有连接座5，用于施加应力的装置4通过柱状体4b与连接座5固定连接，采用螺纹配合连接或采用过盈配合卡接均能实现根据需要的现场装配。所述柱状体4b可以采用实心杆或者局部空心杆，为局部空心杆时，空心部分的壁上还可设置若干小通孔，以利于培养液的流通。所述用于支撑生物组织的支架6和用于施加应力的装置4处于同一轴心线，用于支撑生物组织的支架6与用于施加应力的装置4之间留有放置培养组织的空间。上盖2的上端设有与动力传动机构连接的连接杆1，该连接杆1与上盖2一体制作成型。

用于培养片状软骨组织时，将片状软骨组织11放置在用于支撑生物组织的支架6的托盘6a的上端面，再将上盖2盖上形成密封，使上盖2内的用于施加应力的装置4的压盘4a压住片状软骨组织11，培养液从输入孔9流入培养室，直至淹过片状软骨组织11，在片状软骨组织11与托盘6a和压盘4a的接触部，培养液经托盘、压盘上设置的若干小通孔与片状软骨组织接触，使片状软骨组织尽可能大面积的得到供养，然后通过外部的控制系统控制动力装置驱动动力传动机构对上盖2施加压应力，上盖2在动力作用下带动用于施加应力的装置4对片状软骨组织施加压应力，通过对培养组织块施加仿生的生物应力刺激，促进其种子细胞的排列分布和细胞外基质分泌；同时通过外部动力泵的驱动，使培养液形成脉冲式灌流从输入孔进入，从输出孔排出，来实现血液循环心脏搏动力仿生，能够改善培养组织的营养交换，提高营养交换效率，由此实现仿生组织培养。

参见图3、图4，本实施例为用于构建管状骨组织的仿生组织培养室，本实施例的下部容器7、上盖2以及用于施加应力的装置4的结构与上述实施例相同，所不同的是用于支撑生物组织的支架6为上部是托盘6a下部是立柱6b的结构，托盘6a为空心夹层结构，托盘6a的上端面设有若干小孔与空心夹层6d相通，所述托盘6a的上端面中心设有一竖立向上的空心管6c，空心管6c的管壁设有若干小通孔，空心管6c的空心与托盘6a的空心夹层6d相通；立柱6b为空心立柱，托盘6a的空心夹层6d通过立柱的空心连通输入孔9。空心立柱6b下端与下部容器7底部的输入孔9连接固定，且伸出输入孔形成连接管路的连接嘴。其固定连接采用立柱6b与输入孔螺纹连接，或者过盈配合后空心立柱6b的伸出端用螺母锁定，且留有一段连接管路的接头；所述用于支撑生物组织的支架6也可以与下部容器7一体成型。

用于培养管状骨组织时，将管状骨组织11空套在用于支撑生物组织的支架6的托盘6a上端面的空心管6c上，使管状骨组织11搁置在托盘6a上，再将上盖2盖上形成密封，使连接在上盖2内的用于施加应力的装置4的压盘4a压住管状骨组织11，培养液从输入孔9流入培养室，直至淹过管状骨组织11，在管状骨组织与托盘和压盘的接触部以及骨管内，培养液经托盘、空心管壁、压盘上设置的若干小通孔与管状骨组织接触，使管状骨组织尽可能大面积的得到供养，然后通过外部的控制系统控制动力装置驱动动力传动机构对上盖2施加压应力，上盖2在动力作用下带动用于施加应力的装置4对管状骨组织施加压应力，通过对培养组织块施加仿生的生物应力刺激，促进其种子细胞的排列分布和细胞外基质分泌；同时通过外部动力泵的驱动，使培养液形成脉冲式灌流从输入孔进入，从输出孔排出，来实现血液循环心脏搏动力仿生，能够改善培养组织的营养交换，提高营养交换效率，由此实现仿生组织培养。

参见图5、图6，本实施例为用于构建肌腱组织的仿生组织培养室，本实施例所述下部容器7的高度高于上述用于构建片状软骨组织和用于构建管状骨组织的实施例的下部容器，其下部容器7与上盖2连接端的直径保持与上盖2的可伸缩的折叠边3的配合一致，其余部分的直径可小于连接端的直径，避免容积过大而需用较多的培养液。而且下部容器7中的所述用于支撑生物组织的支架6为立柱6b，立柱6b下端与下部容器7底部连接固定，或者立柱6b与下部容器7一体成形，其固定连接采用立柱6b与下部容器7底部设置的螺纹孔螺纹连接，或者立柱6b采用过盈配合并用螺母锁定。所述立柱6b上端安装有夹子6e，夹子6e与立柱6b螺纹连接，或与立柱通过凸起和卡槽配合，形成卡接固定。下部容器7的侧壁下部设置输入孔9，侧壁上部设置输出孔8，输入孔9与输出孔8各在下部容器7的一侧。所述输入孔、输出孔分别设有连接管路的连接嘴10。所述连接管路的连接嘴10采用螺纹连接或过盈配合连接固定在下部容器的输入孔、输出孔中，或者连接管路的连接嘴10与下部容器7一体成型。所述用于施加应力的装置4为柱状体4b，柱状体4b上端与上盖2的连接座5螺纹连接或过盈配合卡接；或者柱状体4b与上盖2一体成型。柱状体4b的下端安装夹子4c，夹子4c与柱状体4b螺纹连接固定，或与柱状体通过凸起和卡槽配合，形成卡接固定。用于支撑生物组织的支架6的夹子6e与用于施加应力的装置4的夹子4c之间留有夹持肌腱组织的空间。所述夹子采用钢夹子的夹紧力最强，有利于将肌腱组织夹紧。

用于培养肌腱组织时，将肌腱组织11的两端分别夹持在用于支撑生物组织的支架6的夹子6e和用于施加应力的装置4的夹子4c上，再将上盖2盖上形成密封，培养液从输入孔9流入培养室，直至淹过肌腱组织11，然后通过外部的控制系统控制动力装置驱动动力传动机构对上盖2施加拉应力，上盖2在动力作用下带动用于施加应力的装置4对肌腱组织施加拉应力，通过对培养组织块施加仿生的生物应力刺激，促进其种子细胞的排列分布和细胞外基质分泌；通过培养液不断地从输入孔进入，从输出孔8排出，形成培养液的脉冲式灌流来实现血液循环心脏搏动力仿生，能够改善培养组织的营养交换，提高营养交换效率；同时通过外部动力泵的驱动，使培养液形成脉冲式灌流从输入孔进入，从输出孔排出，来实现血液循环心脏搏动力仿生，能够改善培养组织的营养交换，提高营养交换效率，由此实现仿生组织培养。

上述实施例仿生组织培养室的下部容器和上盖均采用医用塑料材料制作，其成本低，作为一次性器件使用，能够防止使用时的交叉感染，并且能够降低临床治疗的费用。下部容器和上盖分别制作成型为透明体，利于观察培养室内部的情况。

本发明不仅仅局限于上述实施例，其下部容器内的用于支撑生物组织的支架6下部的空心立柱6b的壁上，还可以设置若干小通孔，以利于培养液的交换流通。

本发明仿生组织培养室为生物组织体外培育系统的关键装置，它通过生物组织体外培育系统的主机控制，能够根据不同培养组织的特性，施加不同的应力刺激，使培养组织能够在模拟体内环境的仿生状态中得到培养，解决了现有技术没有解决的问题。

在不背离本发明精神及其实质的情况下，所属技术领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变，但这些相应的改变都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生组织培养室，所述培养室包括下部容器和上盖，其特征在于：所述下部容器和上盖均为医用塑料制作的下部容器和上盖，上盖一体成型有可伸缩的折叠边，上盖的可伸缩的折叠边与下部容器连接形成密封的培养室，下部容器内设有竖立向上的用于支撑生物组织的支架，上盖内设有向下延伸的用于施加应力的装置，用于支撑生物组织的支架和用于施加应力的装置处于同一轴心线，用于支撑生物组织的支架与用于施加应力的装置之间留有放置生物组织的空间，上盖的上端设有与动力传动机构连接的连接杆，下部容器上分别设有培养液的输入孔和输出孔。

2.根据权利要求1所述的仿生组织培养室，其特征在于：所述用于支撑生物组织的支架为上部是托盘下部是立柱的结构，托盘为空心夹层结构，托盘的上端面设有若干孔与空心夹层相通，立柱为空心立柱，托盘的空心夹层通过立柱的空心连通下部容器底部的输入孔。

3.根据权利要求2所述的仿生组织培养室，其特征在于：所述托盘的上端面中心设有一竖立向上的空心管，空心管的管壁设有若干通孔，空心管的空心与托盘的空心夹层相通。

4.根据权利要求1或2所述的仿生组织培养室，其特征在于：所述用于支撑生物组织的支架通过下部的空心立柱连接固定在下部容器底部的输入孔内，或者用于支撑生物组织的支架为与下部容器一体成形的支架。

5.根据权利要求1所述的仿生组织培养室，其特征在于：所述用于支撑生物组织的支架为立柱，立柱下端与下部容器底部连接固定，或者立柱为与下部容器一体成形的立柱，立柱上端安装有夹子，下部容器的侧壁下部设置输入孔，输入孔设有连接管路的连接嘴。

6.根据权利要求1所述的仿生组织培养室，其特征在于：所述用于施加应力的装置为下部是压盘上部是柱状体的结构，压盘上设有若干贯通压盘上下端面的通孔。

7.根据权利要求1所述的仿生组织培养室，其特征在于：所述用于施加应力的装置为柱状体，柱状体的下端安装有夹子。

8.根据权利要求1、6或7任一所述的仿生组织培养室，其特征在于：所述用于施加应力的装置上端与上盖内顶的连接座连接固定，或者用于施加应力的装置一体成型于上盖内。

9.根据权利要求1所述的仿生组织培养室，其特征在于：所述下部容器的侧壁上部设置输出孔，输出孔设有连接管路的连接嘴。

10.根据权利要求5或9所述的仿生组织培养室，其特征在于：所述连接管路的连接嘴连接固定在下部容器的输入孔、输出孔中，或者为与下部容器一体成型的连接嘴。

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