CN105368712B - 一种组织工程皮肤产业化培养装置 - Google Patents
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Abstract
该发明公开了一种针对应用于组织工程皮肤产业化生产,而设计的具有可控的气相系统,液相系统、模拟振动频率平台、以及程序变控制平台组成。组织工程产品生产与试验装置市场品种稀缺,对于针对性的解决方案来说都没有理想的装置可以与产业化生产所匹配对接,基于组织工程皮肤培养条件复杂性、培养方式可变性、以及与产业化无缝对接要求基于以上瓶颈问题,设计研发解决这些实际问题设计发明“组织工程皮肤生物反应产业培养装置”。
Description
一、技术领域:
本发明属于组织皮肤器官的培养装置,特别适宜科研以及产品产业化生产用,根据临床使用需求设计的装置,可以制造出适宜的圆形或四边形组织工程皮肤器官。组织工程皮肤是治疗深度烧伤、皮肤缺损、以及慢性溃疡、美容整形修复、领域的最具治疗前景的生物工程类产品。
同时培养装置也可以,用于皮肤学基础科研用设备。
该发明公开了一种针对应用于组织工程皮肤产业化生产,而设计的具有可控的气相系统,液相系统、模拟振动频率平台、以及程序变控制平台组成。
组织工程产品生产与试验装置市场品种稀缺,对于针对性的解决方案来说都没有理想的装置可以与产业化生产所匹配对接,基于组织工程皮肤培养条件复杂性、培养方式可变性、以及与产业化无缝对接要求基于以上瓶颈问题,设计研发解决这些实际问题设计发明“组织工程皮肤生物反应产业培养装置”。
其主要包括的模块有1、细胞所需气相条件的空调系统;2、参数制动测定系统;3培养液制动加注排出系统;4、细胞培养力学刺激系统;5、培养所需适宜温度的温控装置;6、空间培养安全系统(无菌培养条件平台)7、总控参数变量计算程序平台(可以控制运行上述6种方案)。
二、背景技术介绍:
组织细胞外培养关键因素
1、生态环境:培养环境无毒和无菌是保证体外培养皮肤器官生存的首要条件。当目标活性细胞放置于体外培养时,与体内相比细胞失去了对微生物和有毒物的防御能力,一旦被污染或自身生长增殖正常代谢物质积累等,可引发导致细胞健康程度或是细胞死亡。因此体外培养中,保持细胞生存环境无污染、代谢物及时清除等,是维持细胞生存的基本条件。
2、适宜的温度:维持体外培养细胞旺盛生长,必须有恒定适宜的温度。人体细胞培养的标准温度为36.5℃±0.5℃,偏离这一温度范围,细胞常态功能代谢会受到影响,甚至死亡。培养细胞对低温的耐受力比高温强,温度上升不超过39℃时,细胞代谢与温度成正比;人体细胞在39~40℃1h,即能受到一定损伤,但仍有可能恢复;在40~41℃1h,细胞会普遍受到损伤,仅少量有可能恢复;41~42℃1h,此时细胞受到不可逆严重损伤,大部分细胞死亡,个别细胞仍有恢复可能更低;当温度在43℃以上1h,培养细胞全部死亡。所以良好的温控系统是建立体外培养的必要条件。
3、气相环境:气体是细胞培养生存必需条件之一,所需气体主要有O2和CO2。O2参与三羧酸循环,产生供给细胞生长增殖的能量和合成细胞生长所需用的各类成分。开放培养时一般把细胞置于加5%CO2与95%空气混合气体环境中。CO2既是培养细胞代谢产物,也是细胞生长繁殖所需成分,它在细胞培养中的主要作用在于维持培养基的PH值。大多数细胞的适宜PH为7.2~7.4,偏离该范围对体外培养细胞产生有害的潜在影响。
目前国际国内并没有针对组织工程皮肤培养的商品化设备装置上市,国内有几例相关的培养装置专利信息,CN101691535A用于组织工程皮肤生产的培养盒、CN101985598A组织工程皮肤动态三维应变培养装置、CN2565838Y组织工程皮肤体外构建的新型生物反应器、三个设计方案专利。
都是具有密闭空间性、常态功能、装置具有的功能过于简单化,实用性与功能性欠缺。
由于组织工程皮肤器官产品独特性,以及对培养条件的高选择苛刻性等诸多待解决问题。需要提供更为理想的培养装置,基于对组织工程皮肤器官的长期介入科研研究、产业化探索研究与临床实用角度出发点,全面研究现有该类技术所有不足之处。
设计出一款最为理想的“组织工程皮肤产业化培养装置”的多功能生物培养装置。
发明内容
(1)、待培养的组织工程皮肤;
其特征在于这里所诉的组织工程皮肤,结构是具有可吸收支架材料做支撑,并种植各类皮肤改善愈合细胞的。具有生物活性的人工皮肤。
(2)、组织工程皮肤体外培养面平台;
其特征在于培养面平台具有孔隙率,使得培养液可以与培养器官顺利建立交换通路。材料本身不会对组织工程皮肤产生任何不利影响,材料可以是玻璃、无毒塑料、铝材。
(3)、培养液;
其特征在于培养液为含有生长因子,具有适宜皮肤生长所需的各类营养物质,具有适宜PH值,渗透压等利于细胞生长扩增的物质液体基础。
(4)、细胞所需气相条件的空调系统万象输入控制器;
其特征在于提供培养皮肤器官细胞所需的理想输送装置,由一万向旋转送风头构成,可以使得整个密闭培养装置形成气流变换均匀性(高模拟自然风)。
(5)、气液体切换装置;
其特征在于为气液切换六通阀,可以通过电子控制切换动作,分别建立连接气体与液体通路流入培养室。
(6)、气泵单元
其特征在于前置于抗菌高效过滤器(将气相所需5%CO2空气高效滤除粉尘与微生物)、气泵、气液切换六通阀、气体传输管构成材料为无毒TPE、硅胶管、不锈钢金属管。
(7)、蠕动泵液体输送单元;
其特征在于由液体泵、气液切换六通阀、传输导管构成单元输液管材料可以为无毒TPE、硅胶管、不锈钢金属管。
(8)、PH探头
其特征在于实时监测培养液环境的PH范围,通过PH变化范围了解细胞生长代谢物变化,从而指导何时适合更换培养液。
(9)、液相温变模块;
其特征在于由加热模块组成,可以通过温度探头调节加热程序方式,保持培养空间维持在适宜细胞生成适宜温度37℃。
(10)、液相排控阀;
其特征在于整个设计考虑到排液顺利,设计为接触培养液装置底部为漏斗形,排空阀为单向阀只有一向排出性,避免排液管弃液体回流造成生物培养环境的污染。可以无动力下进行快速排出弃液。
(11)、液相温测装置;
其特征在于温度传感器组件监控培养液体温度,应变数据指导液相温变模块工作,控制适宜的培养所需温度。
(12)、细胞培养力学动能装置;
其特征在于由若干个震动模块构成,震动用马达可以产生动力,力通过底盘传导与培养液,培养液吸收动能,缓和的释放作用于培养皮肤。达到理想的缓和传导过程。动能可以转化细胞培养所需力学需求使得细胞生长更为健康,同时这种模式可以使得细胞代谢产物迅速分散在培养液中,使得细胞间生态系统环境卫生得以改善。
(13)、弃液口;
其特征在于弃液口联通硅胶软管联通废液储存瓶。
(14)、可拆卸组织皮肤支撑装置;
其特征在于两侧组织工程皮肤支撑板连接端有水平垂直脚与整体装置壁,通过插棍连接构成,可以通过拆卸插棍动作,进行更换清洗。支撑角可以使得支撑板保持一个水平面,达到提供皮肤器官的气、液、面培养需要。
(15)、装置内层与液相可接触材料;
其特征在于接触培养液的材料首选玻璃材质,其次是无毒的TPE材料,不会对培养液以及培养皮肤器官产生质量影响。
(16)、装置外层材料;
其特征在于外层为硬质塑料、铝或不锈钢材料制成。
(17)、密封盖密封卡扣;
其特征在于卡扣锁定上盖与培养装置扣紧提供独立的密闭可控培养空间。
(18)、上盖密封处;
其特征在于采用密条材料选择为硅胶软垫、三元乙丙(EPDM)橡胶、橡塑制成,提供良好的密封效果。
(19)、气相排空阀;
其特征在于整个设计考虑到放空顺利,排空阀为单向阀只有一向排出性,避免排气过程外界气体进入生物培养装置引发污染。可以无动力下进行排空换气。
(20)、密封盖盖内层材料;
其特征在于材料首选透明玻璃材质,其次是无毒的透明的TPE材料,不会对培室空间产生影响。
(21)、密封盖外层材料;
其特征在于无毒的透明的TPE材料,上盖整体为透明,有利于紫外光线照射,
在不开启上盖时对培养皮肤与培养液,以及培养空间进行紫外灭菌。
1、细胞所需气相条件的空调系统;
其特征在于由示意图说明中(6)、气泵单元(5)、气液体切换装置;(19)、气相排空阀;把培养装置置于CO2恒温培养箱中或5%CO2储气瓶外接,通过气泵把联合构成培养所需的气相条件。
高效过滤器(将气相所需5%CO2空气高效滤除粉尘与微生物)、气泵、气液切换六通阀、气体传输管构成材料为无毒TPE、硅胶管、不锈钢金属管。
2、参数制动测定系统;
其特征在于由示意图说明中PH探头(8)、温测装置(11)通过两个探测器,搜集在线培养装置条件变量。
3、培养液制动加注排出系统
其特征在于由示意图说明中蠕动泵液体输送单元(7)、液相排空阀(10)、气液体切换装置(19)切换液体通路,启动蠕动泵吸取定量培养液灌注与培养装置内,培养周期结束,打开装置底部液相排空阀,排出换液。
蠕动泵前置玻璃烧结滤头或不锈钢前置滤头。
4、细胞培养力学刺激系统;
其特征在于由示意图说明细胞培养力学动能装置(12),由安装于培养底部震动马达,模拟震动,对细胞进行力学刺激,使得细胞生长状态模拟受力过程。同时可进行力学生物学的基础研究系统。
5、培养所需适宜温度的温控装置;
其特征在于由示意图说明液相温变化模块(9)、液相温测装置(11)通过接触液相的温度传感器监控培养夜的温度,通过温度范围设定启动执行液相变温模块,达到理想适宜细胞生长所需的温度环境要求。
6、空间培养安全系统(无菌培养条件平台);
其特征在于由示意图说明中(4)、(5)、(6)、(7)、(10)、(14)、(15)、(17)、(18)、(5)、(19)、(20)、(21)相互组合完成装置内的气体(环氧乙烷)、液体(消毒剂)、以及通过透光上盖经紫外线B/C(UVB中紫外线,UVC远紫外线)照射进行培养装置内部彻底消毒灭菌,达到培养所需的生物安全性要求。
7、总控参数变量计算程序平台(可以控制运行上述6种方案);
其特征在于总控参数变量计算程序平台涉及由示意图说明中(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12),通过以上涉及的参数收集,设定订制性的变量解决方案适合不同规格类型的皮肤器官培养,并可执行高度的可重现性记录特征、监测、生产记录数据,达到数据溯源。这种通过PC机器安装计算平台,可达到理想的高度智能化培养。
具体实施方法:
按以下步骤进行:无菌操作将含皮肤细胞均匀种植在无菌支架上(活性组织工程皮肤),取组织工程皮肤,在超净工作台打开以灭菌培养装置上盖,将组织工程皮肤放置在支架上,用无菌镊子展平。关闭上盖,设置控制软件,调节培养液泵,泵入培养液,培养液控制在除上表面接触空气外其余组织工程皮肤均应在培养液中充分接触,利于进行气液面三态培养。然后把装置放入无菌CO2培养箱中在控制软件设定气泵,泵入适宜的气相5%CO2空气并设定气泵输气频率周期参数,在控制软件中开启PH探头输入监测报警参数、温度探头设定温度变温参数、震动模块设定震动频率与周期,当培养液PH变化不适宜细胞生态环境或培养一周期结束时候开启排液装置,执行排液过程,从新重复上面所术进行下一周期设定。直至组织工程皮肤活性细胞达到所需活性量。终止所有程序,把装置移到超净工作台打开以培养装置上盖,用镊子取出成品,封装即得。
组织工程皮肤生物反应产业培养装置,示意图1说明:
(1)待培养的组织工程皮肤;(2)、组织工程皮肤体外培养面平台;(3)、培养液;(4)、细胞所需气相条件的空调系统万象输入控制器;(5)、气液体切换装置;(6)、气泵单元;(7)、蠕动泵液体输送单元;(8)、PH探头;(9)、液相温变模块;(10)、液相排控阀;(11)、液相温测装置;(12)、细胞培养力学动能装置;(13)、弃液口;(14)、可拆卸组织皮肤支撑装置;(15)、装置内层与液相可接触材料;(16)、装置外层材料;(17)、密封盖密封卡扣;(18)、上盖密封处;(19)、气相排空阀;(20)、密封盖盖内层材料;(21)、密封盖外层材料。
附图说明
图1:组织工程皮肤产业化培养装置-平面示意图
图2:组织工程皮肤产业化培养装置四边形培养装置俯视图。
图3:组织工程皮肤产业化培养装置圆形培养装置俯视图
参考文献:
[1]黎鳌黎鳌烧伤学[M].上海:上海科学技术出版社,2001.
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[13]朱宁文:生物反应器组织工程活性人工皮肤产业化生产含有活化素A的无血清培养液及其配制方法授权专利。
Claims (1)
1.一种用于组织工程皮肤产业化生产的培养装置,其特征在于,其包括;
待培养的组织工程皮肤(1),组织工程皮肤体外培养面平台(2),培养液(3),细胞所需气相条件的空调系统万象输入控制器(4),气液体切换装置(5),气泵单元(6),蠕动泵液体输送单元(7),pH探头(8),液相温变模块(9),液相排控阀(10),液相温测装置(11),细胞培养力学动能装置(12),弃液口(13),可拆卸组织皮肤支撑装置(14),装置内层与液相可接触材料(15),装置外层材料(16),密封盖密封卡扣(17),上盖密封处(18),气相排空阀(19),密封盖盖内层材料(20),密封盖外层材料(21);所述组织工程皮肤体外培养面平台可拆卸地水平设置于培养装置内,并且所述组织工程皮肤体外培养面平台上设置有孔隙,使培养液与待培养的组织工程皮肤间建立交换通路;培养装置底部设置为漏斗形,所述液相排控阀设置于漏斗底部中央,并且所述液相排控阀为单向阀;所述细胞培养力学动能装置由若干个震动模块构成,所述震动模块安装在培养装置底部,所述震动模块通过马达产生动力,动力通过培养装置底部传递于培养液;所述细胞所需气相条件的空调系统万象输入控制器由一万向旋转送风头构成,所述气泵单元和蠕动泵液体输送单元分别通过气液体切换装置与所述万向旋转送风头建立气体与液体通路。
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