CN103789208A - 双轴旋转生物反应器 - Google Patents

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张智勇
周权
刘鹭
何爱娟
李丹
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Abstract

本发明涉及组织工程领域，公开了一种双轴旋转生物反应器。本发明中，通过两个旋转机构带动培养管沿两个方向旋转，培养管内的组织工程细胞材料复合物将受到两个方向的剪切力作用，并且使密闭的管内的液体运动不规则，与管壁碰撞后，形成全方位剪切力，使培养液可以沿组织块各个方向进入材料内部，达到带出细胞呼吸废物，交换营养的作用，从而提高组织工程化产品体外构建的效果，增加构建成功率，解决组织工程细胞支架材料复合物体外培养的“中空”现象。

Description

双轴旋转生物反应器
技术领域
本发明涉及组织工程领域，特别涉及双轴旋转生物反应器。
背景技术
生物反应器从广义上讲是一种利用酶或生物体自身特性，在体外进行生物反应的系统，也是一种生物系统模拟器，广泛应用于工业生产。在组织工程领域，生物反应器的作用主要是模拟体内的微环境刺激，包括力学，电磁学，光学等物理因素以及缓释生长因子等生化因素，对组织工程细胞生物材料复合物进行体外构建，促进材料上细胞的分化和增殖，从而达到构建人体组织的目的。
由于人体各组织所需的微环境差异，构建各个组织所需的生物反应器类型也有不一。例如体外构建一定力学强度的软骨，主要需要提供较强的流体力及静水压力；构建血管或肌腱用生物反应器，则需要提供可控的拉伸长度及力度；构建骨用生物反应器则主要需要能不断提供促骨形成生物因子和液体交换的生物反应器。
但在进入后期针对不同组织培养诱导阶段之前，组织工程细胞材料复合物均需要经过一个细胞与材料充分复合的过程。在将种子细胞接种至可降解生物材料上后，种子细胞会贴附在材料表面，并通过伪足的爬行在材料孔隙不断增殖。
现有组织工程技术体外构建细胞材料复合物，主要是采用体外静态接种的方法。通常是将一定数量的种子细胞按比例，滴加在生物支架材料上，通过静置，让细胞粘附后进行生长。但由于构建的组织大小不同，细胞爬行生长的距离也有限，当材料块体积较大，材料孔隙也过大时，细胞无法通过伪足爬行覆盖所有材料表面和孔洞，从而造成构建的组织不均匀，也就是出现了组织工程细胞支架材料复合物体外培养的“中空”现象。另外在培养过程中，当表面孔洞被细胞层叠覆盖后，外周营养物质无法通过扩散作用进入材料中心区域营养通过爬行生长进入的种子细胞，同样造成种子细胞生长不均匀。
现有生物反应器通过增加液体旋转剪切力，静水压，电磁刺激来达到上述改进目的。但是往往体积巨大，结构复杂，更换培养液体手段繁琐，增加了体外培养阶段的污染风险。另外造价高昂，配套培养箱占用实验室空间较大，致使普通实验室不具备配套大量使用生物反应器的条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双轴旋转生物反应器，使得组织工程化产品体外构建的效果得以提高，增加构建成功率，解决组织工程细胞支架材料复合物体外培养的“中空”现象。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种双轴旋转生物反应器，包含：沿第一方向旋转的第一旋转机构、沿第二方向旋转的第二旋转机构，所述第一旋转机构与所述第二旋转机构物理连接；
培养管安装于所述第一旋转机构上，所述第一旋转机构带动所述培养管沿所述第一方向旋转；
所述第二旋转机构带动所述第一旋转机构和所述培养管沿所述第二方向旋转。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过两个旋转机构带动培养管沿两个方向旋转，培养管内的组织工程细胞材料复合物将受到两个方向的剪切力作用，并且使密闭的管内的液体运动不规则，与管壁碰撞后，形成全方位剪切力，使培养液可以沿组织块各个方向进入材料内部，达到带出细胞呼吸废物，交换营养的作用，从而提高组织工程化产品体外构建的效果，增加构建成功率，解决组织工程细胞支架材料复合物体外培养的“中空”现象。
另外，所述第一旋转机构和所述第二旋转机构通过两个电机分别驱动，使得生物反应器结构简单。
另外，所述第一旋转机构与所述第二旋转机构通过C形支架连接；
所述第一旋转机构包含：转子支撑轴和第一电机；所述转子支撑轴和所述第一电机安装在所述C形支架上；所述培养管固定在所述转子支撑轴上；所述第一电机驱动所述转子支撑轴转动；
所述第二旋转机构包含：主支撑轴和第二电机；所述主支撑轴的一端安装在所述第二电机上，另一端安装在所述C形支架上。
另外，所述第一旋转机构与所述第二旋转机构通过支撑板连接；
所述第一旋转机构包含：第一转盘和第一电机；所述第一转盘和所述第一电机安装在所述支撑板上；所述培养管固定在所述第一转盘上；所述第一电机驱动所述第一转盘转动；
所述第二旋转机构包含：第二转盘和第二电机；所述支撑板固定在所述第二转盘上，所述第二电机驱动所述第二转盘转动。
上述两个转盘的机构，使得培养管的安装和拆卸比较方便。
另外，通过电刷穿过所述第二转盘连接所述第二电机与所述第一电机，为所述第一电机提供电源，解决了电源线缠绕问题。
另外，所述第二旋转机构通过一个电机驱动；所述第一旋转机构通过所述电机和传动机构驱动。第一旋转机构和第二旋转机构通过一个电机和传动机构驱动，可以节约成本。
另外，所述第一旋转机构与所述第二旋转机构通过C形支架连接；
所述第二旋转机构包含：马达齿轮、传动齿轮和空心支撑轴；所述传动齿轮和所述C形支架分别安装在所述空心支撑轴上，所述马达齿轮与所述传动齿轮啮合；所述电机驱动所述马达齿轮转动；
所述传动机构包含实心支撑轴、第一圆形齿轮、第二圆形齿轮、传动支撑轴、第一斜齿轮和第二斜齿轮；所述空心支撑轴和所述C形支架套接在所述实心支撑轴上，并且在靠近所述C形支架的一端安装有所述第一圆形齿轮；所述第二圆形齿轮安装在所述传动支撑轴上，并与所述第一圆形齿轮啮合；所述传动支撑轴一端安装在所述C形支架上，另一端安装所述第一斜齿轮；所述第一斜齿轮与所述第二斜齿轮啮合；
所述第一旋转机构包含：转子支撑轴；所述第二斜齿轮安装在所述转子支撑轴上；所述转子支撑轴的两端安装在所述C形支架上；所述培养管固定在所述转子支撑轴上。
另外，所述第二斜齿轮位于所述转子支撑轴的中间，所述培养管分别固定在所述第二斜齿轮两侧的所述转子支撑轴上，可以同时进行更多的培养管旋转，提高构建效率。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的双轴旋转生物反应器示意图；
图2是根据本发明第一实施方式的双轴旋转生物反应器的工作原理说明示意图；
图3是根据本发明第一实施方式的双轴旋转生物反应器进行动态培养和静态培养的效果对比图；
图4是根据本发明第二实施方式的双轴旋转生物反应器示意图；
图5是根据本发明第三实施方式的双轴旋转生物反应器示意图；
图6是根据本发明第三实施方式的双轴旋转生物反应器进行多组培养管固定的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种双轴旋转生物反应器，包含：沿第一方向旋转的第一旋转机构、沿第二方向旋转的第二旋转机构，第一旋转机构与第二旋转机构物理连接；其中，培养管安装于第一旋转机构上，第一旋转机构带动培养管沿第一方向旋转；第二旋转机构带动第一旋转机构和培养管沿第二方向旋转。通过两个旋转机构带动培养管沿两个方向旋转，培养管内的组织工程细胞材料复合物将受到两个方向的剪切力作用，并且使密闭的管内的液体运动不规则，与管壁碰撞后，形成全方位剪切力，使培养液可以沿组织块各个方向进入材料内部，达到带出细胞呼吸废物，交换营养的作用，从而提高组织工程化产品体外构建的效果，增加构建成功率，解决组织工程细胞支架材料复合物体外培养的“中空”现象。
在本实施方式中，第一旋转机构和第二旋转机构可以通过两个电机分别驱动，使得生物反应器结构简单。如图1所示，第一旋转机构与第二旋转机构通过C形支架105连接。第一旋转机构包含：转子支撑轴101和第一电机102；转子支撑轴101和第一电机102安装在C形支架105上；培养管109固定在转子支撑轴101上，第一电机102驱动转子支撑轴101转动（比如，第一电机可以通过两个齿轮（图1中未标号）带动转子支撑轴转动），转子支撑轴101带动培养管109沿第一方向旋转（如图2中方向1）。第二旋转机构包含：主支撑轴103和第二电机104；主支撑轴103的一端安装在第二电机104上，另一端安装在C形支架105上；第二电机104固定在固定支架108上，第二电机104驱动主支撑轴103转动，主支撑轴103带动C形支架105沿第二方向旋转（如图2中方向2）。由于转子支撑轴101安装在C形支架105上，培养管109固定在转子支撑轴101上，因此，培养管也会随之沿第二方向旋转。
此外，培养管可以通过试管固定机构固定在转子支撑轴上；具体地说，试管固定机构包含：铁夹支撑轴106和铁夹107；转子支撑轴上开有对穿的孔，铁夹支撑轴穿过对穿的孔固定在转子支撑轴上，铁夹安装在铁夹支撑轴的末端，培养管放置在铁夹内。需要说明的是，本实施方式中只给出了通过铁夹夹持培养管的具体例子，在实际应用中，可以设计铁夹的形状，使其可以夹持培养箱，培养瓶等，这是本发明的一些替换方案，在此不能一一例举。本发明的发明点在于：通过两个旋转机构实现培养管的双轴旋转，只要是通过两个旋转机构实现培养管的双轴旋转的设计均应落入本发明的保护范围。
在使用本实施方式的双轴旋转生物反应器时，先安装好培养管，机器开始运行。在第一旋转机构和第二旋转机构的带动下，培养管同时沿方向1（纵向，或者垂直方向）和方向2（横向，或者水平方向）旋转，如图2所示，培养管内的组织工程细胞材料复合物将受到横向和纵向两个方向的剪切力作用，在密闭的管内液体运动不规则，在与管壁碰撞后，从而形成全方位剪切力。从而培养液可以沿组织块各个方向进入材料内部，达到带出细胞呼吸废物，交换营养的作用。
如图3所示是采用本发明第一实施方式的双轴旋转生物反应器进行动态培养和静态培养的效果对比图。具体地说，左侧图为组织工程体外软骨构建的细胞材料复合物（PGA），经过14天旋转培养与静态培养之后的对比图，由图可见，软骨细胞复合构建的软骨片有了较大差别。右侧图为组织工程半月板经过旋转培养和静态培养的对比图。由图3可见，旋转培养软骨片明显增厚，形状发生改变，同时半月板形成较饱满，而静态培养半月板形状材料复合物则出现部分厚薄不均，较不饱满的现象。
与现有技术相比，本实施方式通过两个旋转机构带动培养管沿两个方向旋转，培养管内的组织工程细胞材料复合物将受到两个方向的剪切力作用，并且使密闭的管内的液体运动不规则，与管壁碰撞后，形成全方位剪切力，使培养液可以沿组织块各个方向进入材料内部，达到带出细胞呼吸废物，交换营养的作用，从而提高组织工程化产品体外构建的效果，增加构建成功率，解决组织工程细胞支架材料复合物体外培养的“中空”现象。此外，本实施方式通过双向可控速微直流电机达到双向乃至多向液体剪切力的作用，同时体积小，结构简单，适合实验室或科研单位大量配套使用。
本发明的第二实施方式涉及一种双轴旋转生物反应器。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，培养管固定在第一旋转机构上，第一旋转机构固定在C形支架上，第一旋转机构带动培养管沿第一方向旋转，第二旋转机构通过带动C形支架转动实现培养管沿第二方向旋转。而在本发明第二实施方式中，培养管固定在第一旋转机构上，第一旋转机构固定在圆盘上，第一旋转机构带动培养管沿第一方向旋转，第二旋转机构通过带动圆盘转动实现培养管沿第二方向旋转，使得培养管的安装和拆卸比较方便。
具体地说，如图4所示，第一旋转机构与第二旋转机构通过支撑板405连接。第一旋转机构包含：第一转盘401和第一电机402；第一转盘401和第一电机402安装在支撑板405上；培养管406固定在第一转盘401上；第一电机402驱动第一转盘401转动，第一转盘带动培养管沿第一方向旋转。第二旋转机构包含：第二转盘403和第二电机404；支撑板405固定在第二转盘403上，第二电机404驱动第二转盘403转动，第二转盘403带动支撑板405沿第二方向旋转；由于第一转盘401安装在支撑板405上，因此，第一转盘404也会沿第二方向旋转，从而固定在第一转盘上的培养管也随之沿第二方向旋转。
在本实施方式中，可以采用两根电源线分别为两个电机供电，但是，在实际使用中，经常会发现，随着第二转盘的转动，为第一电机402供电的电源线会缠绕在第一旋转机构上，工作起来不太方便，因此，可以采用单根电源线为第二电机供电，而采用电刷或碳刷为第一电机供电。具体地说，如图4所示，电刷407穿过第二转盘连接第二电机404与第一电机402，为第一电机提供电源。通过电刷连接第二电机与第一电机，为第一电机供电，解决了电源线缠绕问题。
本发明第三实施方式涉及一种双轴旋转生物反应器，第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，第一旋转机构和第二旋转机构可以通过两个电机分别驱动。而在本发明第二实施方式中，第一旋转机构和第二旋转机构通过一个电机和传动机构驱动，与两个电机的方案相比，显然可以节约成本。
具体地说，第二旋转机构通过一个电机驱动，第一旋转机构通过该电机和传动机构驱动。如图5所示，第一旋转机构与第二旋转机构通过C形支架505连接。第二旋转机构包含：马达齿轮502、传动齿轮503和空心支撑轴504（可转动）；传动齿轮和C形支架分别安装在空心支撑轴上，马达齿轮与传动齿轮啮合。
传动机构包含实心支撑轴506（不可转动）、第一圆形齿轮507（不可转动）、第二圆形齿轮508（可转动）、传动支撑轴509（可转动）、第一斜齿轮510和第二斜齿轮511；空心支撑轴和C形支架套接在实心支撑轴上，并且在靠近C形支架的一端安装有第一圆形齿轮（也就是说，实心支撑轴一端安装有第一圆形齿轮，另一端穿过C形支架和空心支撑轴固定在固定支架513上）；第二圆形齿轮安装在传动支撑轴上，并与第一圆形齿轮啮合；传动支撑轴一端安装在C形支架上，另一端安装第一斜齿轮；第一斜齿轮与第二斜齿轮啮合。
第一旋转机构包含：转子支撑轴512（可转动）；第二斜齿轮511安装在转子支撑轴上；转子支撑轴的两端安装在C形支架上；培养管固定在转子支撑轴上。
电机501驱动马达齿轮转动，马达齿轮带动传动齿轮转动；传动齿轮带动空心支撑轴和C形支架沿第二方向旋转；C形支架带动传动支撑轴绕着实心支撑轴转动，第二圆形齿轮在第一圆形齿轮的阻碍下，带动传动支撑轴转动，传动支撑轴带动第一斜齿轮转动，第一斜齿轮带动第二斜齿轮转动；第二斜齿轮带动转子支撑轴转动，转子支撑轴带动培养管沿第一方向旋转。
此外，值得一提的是，第二斜齿轮和培养管可以分别位于转子支撑轴的一个半部（如图5所示）；或者，第二斜齿轮位于转子支撑轴的中间，培养管分别固定在第二斜齿轮两侧的转子支撑轴上（如图6所示），可以同时进行更多的培养管旋转，提高构建效率。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种双轴旋转生物反应器，其特征在于，包含：沿第一方向旋转的第一旋转机构、沿第二方向旋转的第二旋转机构，所述第一旋转机构与所述第二旋转机构物理连接；
培养管安装于所述第一旋转机构上，所述第一旋转机构带动所述培养管沿所述第一方向旋转；
所述第二旋转机构带动所述第一旋转机构和所述培养管沿所述第二方向旋转。
2.根据权利要求1所述的双轴旋转生物反应器，其特征在于，所述第一旋转机构和所述第二旋转机构通过两个电机分别驱动。
3.根据权利要求2所述的双轴旋转生物反应器，其特征在于，所述第一旋转机构与所述第二旋转机构通过C形支架连接；
所述第一旋转机构包含：转子支撑轴和第一电机；所述转子支撑轴和所述第一电机安装在所述C形支架上；所述培养管固定在所述转子支撑轴上；所述第一电机驱动所述转子支撑轴转动；
所述第二旋转机构包含：主支撑轴和第二电机；所述主支撑轴的一端安装在所述第二电机上，另一端安装在所述C形支架上。
4.根据权利要求3所述的双轴旋转生物反应器，其特征在于，所述培养管通过试管固定机构固定在所述转子支撑轴上；
所述试管固定机构包含：铁夹支撑轴和铁夹；所述转子支撑轴上开有对穿的孔，所述铁夹支撑轴穿过所述对穿的孔固定在所述转子支撑轴上，所述铁夹安装在所述铁夹支撑轴的末端，所述培养管放置在所述铁夹内。
5.根据权利要求2所述的双轴旋转生物反应器，其特征在于，所述第一旋转机构与所述第二旋转机构通过支撑板连接；
所述第一旋转机构包含：第一转盘和第一电机；所述第一转盘和所述第一电机安装在所述支撑板上；所述培养管固定在所述第一转盘上；所述第一电机驱动所述第一转盘转动；
所述第二旋转机构包含：第二转盘和第二电机；所述支撑板固定在所述第二转盘上，所述第二电机驱动所述第二转盘转动。
6.根据权利要求5所述的双轴旋转生物反应器，其特征在于，还包含：电刷；所述电刷穿过所述第二转盘连接所述第二电机与所述第一电机，为所述第一电机提供电源。
7.根据权利要求1所述的双轴旋转生物反应器，其特征在于，
所述第二旋转机构通过一个电机驱动；
所述第一旋转机构通过所述电机和传动机构驱动。
8.根据权利要求7所述的双轴旋转生物反应器，其特征在于，所述第一旋转机构与所述第二旋转机构通过C形支架连接；
所述第二旋转机构包含：马达齿轮、传动齿轮和空心支撑轴；所述传动齿轮和所述C形支架分别安装在所述空心支撑轴上，所述马达齿轮与所述传动齿轮啮合；所述电机驱动所述马达齿轮转动；
所述传动机构包含实心支撑轴、第一圆形齿轮、第二圆形齿轮、传动支撑轴、第一斜齿轮和第二斜齿轮；所述空心支撑轴和所述C形支架套接在所述实心支撑轴上，并且在靠近所述C形支架的一端安装所述第一圆形齿轮；所述第二圆形齿轮安装在所述传动支撑轴上，并与所述第一圆形齿轮啮合；所述传动支撑轴一端安装在所述C形支架上，另一端安装所述第一斜齿轮；所述第一斜齿轮与所述第二斜齿轮啮合；
所述第一旋转机构包含：转子支撑轴；所述第二斜齿轮安装在所述转子支撑轴上；所述转子支撑轴的两端安装在所述C形支架上；所述培养管固定在所述转子支撑轴上。
9.根据权利要求8所述的双轴旋转生物反应器，其特征在于，所述第二斜齿轮位于所述转子支撑轴的中间，所述培养管分别固定在所述第二斜齿轮两侧的所述转子支撑轴上。
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