CN106591121B - 旋转培养室及旋转脉动培养系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及组织工程领域，特别地涉及旋转培养室及旋转脉动培养系统。旋转培养室以使得人工血管进行旋转的方式培养该人工血管并包括：框架组件，人工血管以能够旋转的方式安装于框架组件；连通组件，其用于与框架组件的外部通路实现流体连通；驱动组件，其用于提供使人工血管旋转的旋转驱动力；以及传动组件，其用于将旋转驱动力传递至人工血管。本发明还提供了一种采用上述旋转培养室的旋转脉动培养系统。这样，本发明提供的旋转培养室及采用旋转培养室的旋转脉动培养系统能够在培养人工血管的过程中对人工血管提供周期性的机械应力刺激，并且对人工血管进行动态培养，促进细胞在人工血管的表面均匀地铺展开来。

Description

旋转培养室及旋转脉动培养系统

技术领域

本发明涉及组织工程领域，特别地涉及用于培养人工血管的旋转培养室及采用该旋转培养室的旋转脉动培养系统。

背景技术

目前，心血管疾病严重的影响着人类的健康。为了根治此类疾病，血管移植是一种常见的方案，基于仿生学原理，通过组织工程构建仿生的人工血管是最有效的解决办法。

人工血管的构建方法包括脱细胞基质法、细胞膜片法、微流体法、3D打印和静电纺丝等多种技术，加工完成后的人工血管需要经过一段时间的培养才能达到成熟状态。目前用于培养人工血管的培养环境是静态培养环境，一般是将人工血管的结构体浸泡在细胞培养液中来实现培养。

但是，自然状态下的血管是工作在动态环境中的；并且有实验证明，周期性的机械应力对构成血管的内皮细胞和平滑肌细胞的成熟、功能的表达都有着显著的影响，可以促进细胞分泌外基质以增加血管强度，特别是血管内壁的内皮细胞在脉动血流的冲刷之下会形成规律性的排布，大大优于通过传统的静态培养得到的人工血管。另外，血管是一个中空的管状结构，细胞不管是粘附在内表面还是外表面，在静态环境下，由于重力和细胞自身的特性等原因，细胞会逐渐地团聚起来，不能形成自然结构中均匀铺开的一层的结构形态。

发明内容

基于上述现有技术的缺陷而实现了本发明，本发明的发明目的在于提供一种旋转培养室及采用旋转培养室的旋转脉动培养系统，其能够在培养人工血管的过程中对人工血管提供周期性的机械应力刺激，并且对人工血管进行动态培养，促进细胞在人工血管的表面均匀地铺展开来。

为了实现上述的发明目的，本发明采用如下的技术方案。

本发明提供了一种如下的旋转培养室，所述旋转培养室以使得人工血管进行旋转的方式培养该人工血管，所述旋转培养室包括：框架组件，所述人工血管以能够旋转的方式安装于所述框架组件；连通组件，所述连通组件安装于所述框架组件且用于使所述人工血管与所述框架组件的外部通路实现流体连通；驱动组件，所述驱动组件固定于所述框架组件且用于提供使所述人工血管旋转的旋转驱动力；以及传动组件，所述传动组件与所述驱动组件连接且用于将所述旋转驱动力传递至所述人工血管。

优选地，所述框架组件包括中空的外壳以及固定于该外壳内的内腔，所述内腔的内部设置有安装空间，所述人工血管收纳于该安装空间并以能够旋转的方式安装于所述内腔。

优选地，所述连通组件包括：流体滑环，所述流体滑环安装于所述外壳且用于与所述外部通路连通；固定部，所述固定部安装于所述内腔，所述人工血管的两端分别固定于所述固定部且与所述固定部连通；以及导管，所述导管分别与所述流体滑环和所述固定部连通。

更优选地，在所述驱动组件的所述旋转驱动力的作用下，所述传动组件驱动所述导管、所述固定部和所述人工血管一体地旋转。

优选地，所述传动组件包括：旋转轴，所述旋转轴的一端与所述驱动组件连接并用于输出所述驱动组件的旋转驱动力；主动带轮，所述主动带轮与所述旋转轴的另一端连接并由所述旋转轴带动转动；从动带轮，所述从动带轮与所述人工血管同轴配置并用于驱动所述人工血管转动；以及皮带，所述皮带绕装于所述主动带轮和所述从动带轮并使得所述主动带轮能够带动所述从动带轮转动。

本发明还提供了一种如下的旋转脉动培养系统，所述旋转脉动培养系统包括上述技术方案中任意一项技术方案所述的旋转培养室。

优选地，所述旋转脉动培养系统还包括：存储部，所述存储部用于存储在所述旋转脉动培养系统内流动的培养液；氧合器，所述氧合器用于将所述培养液中的氧气和二氧化碳维持在预定的浓度；以及动力源，所述动力源能够在所述旋转脉动培养系统内产生恒流和脉动流的复合流，所述旋转培养室与所述存储部、所述氧合器和所述动力源串联配置。

更优选地，所述动力源包括彼此并联的蠕动泵和恒流泵。

更优选地，所述旋转脉动培养系统还包括用于过滤所述培养液的至少一个过滤器和/或用于保证所述培养液单向流动的至少一个单向阀。

优选地，所述旋转脉动培养系统为闭环系统。

通过采用上述的技术方案，本发明提供了一种旋转培养室及采用旋转培养室的旋转脉动培养系统，其能够在培养人工血管的过程中对人工血管提供周期性的机械应力刺激，并且对人工血管进行动态培养，促进细胞在人工血管的表面均匀地铺展开来，以培养出大大优于通过传统的静态培养得到的人工血管的性能的人工血管。

附图说明

图1是示出了根据本发明的一实施方式的旋转培养室的立体结构示意图。

图2是示出了采用图1中示出的旋转培养室的旋转脉动培养系统的示意图。

附图标记说明

1储液瓶 2旋转培养室 3氧合器 4蠕动泵 5恒流泵 6单向阀 7调压阀 8压力表9pH计 10硅酮橡胶管 11过滤器

201外壳 202内腔 203人工血管 204固定夹 205导管 206流体滑环 207步进电机208旋转轴 209皮带 210主动带轮 211从动带轮

具体实施方式

以下将参照附图来说明根据本发明的旋转培养室及采用该旋转培养室的旋转脉动培养系统的结构。

(旋转培养室)

如图1所示，根据本发明的旋转培养室2采用使得人工血管203旋转的方式培养该人工血管203。根据本发明的一实施方式的旋转培养室2包括框架组件、连通组件、驱动组件和传动组件。

人工血管203以能够转动的方式安装于框架组件。在本实施方式中，框架组件包括作为四边形外框架的外壳201和作为四边形内框架的内腔202，内腔202设置于外壳201的内部。

外壳201保护着内部的各个部件，并且可以提供第一层的保护，避免外界病菌的污染。

内腔202是进行人工血管203动态培养的部位，内腔202固定于外壳201，且内腔202位于外壳201的中空的内部。内腔202的内部具有由组成内腔202的四条边包围的能够密封的安装空间，人工血管203收纳于该安装空间并以能够旋转的方式安装于内腔202。在旋转培养室2工作过程中，该安装空间是密封的且优选地充满培养液。

连通组件安装于框架组件且用于使人工血管203与框架组件的外部通路实现流体连通。在本实施方式中，该连通组件包括固定夹204、流体滑环206和导管205。

两个固定夹204分别安装于内腔202的两个相对的边，人工血管203的两端分别固定于两个固定夹204且与两个固定夹204连通。在本实施方式中，人工血管203以笔直的状态固定于两个固定夹204。

两个流体滑环206安装于外壳201的两个相对的边且用于与外部通路连通，一个流体滑环206与一个固定夹204对应。流体滑环206具有相对于外壳201固定的定子和用于与人工血管203一起旋转的转子，定子和转子彼此连通。流体滑环206的定子用于与外部通路连通，而流体滑环206的转子用于与固定夹204连通。由于流体滑环206可以实现旋转件和固定件之间的连通，保证流体(培养液)顺畅的流动，这是本发明中旋转培养室2能够保证人工血管203轴向转动的同时向人工血管203内部灌注培养液的核心部件。

在流体滑环206和固定夹204之间设置导管205，该导管205分别与流体滑环206和固定夹204连通，人工血管203的两端通过固定夹204与导管205相连接，这样，能够最终实现人工血管203与外部通路实现流体连通。且通过更换不同直径的导管205可以配合相应直径的人工血管203进行固定然后动态培养。

驱动组件固定于框架组件且用于提供使人工血管203旋转的旋转驱动力。在本实施方式中，该驱动组件为步进电机207。步进电机207是旋转运动的动力源，带动传动组件使得人工血管203围绕其中心轴线旋转。

传动组件与驱动组件连接且用于将旋转驱动力传递至人工血管203。在本实施方式中，传动组件包括旋转轴208、主动带轮210、从动带轮211和皮带209。

步进电机207的两端分别设置一个旋转轴208，各旋转轴208的一端与步进电机207连接并用于输出步进电机207的旋转驱动力。

各旋转轴208的另一端设置有主动带轮210，并且该主动带轮210由旋转轴208带动转动。优选地，主动带轮210的中心轴线同与其连接的旋转轴208的中心轴线共轴。

与各主动带轮210配合地设置从动带轮211，各从动带轮211与人工血管203同轴配置并用于驱动人工血管203转动。在本实施方式中，从动带轮211设置于流体滑环206的转子并且从动带轮211带动流体滑环206的转子、导管205、固定夹204和人工血管203一体地旋转。

在彼此配合的一组主动带轮210和从动带轮211上安装皮带209并且使皮带209张紧，使得主动带轮210能够带动从动带轮211转动。

以上对本发明的旋转培养室2的结构进行了详细地说明，以下将详细地说明根据本发明的包括上述旋转培养室2的旋转脉动培养系统。

(旋转脉动培养系统)

如图2所示，根据本发明的旋转脉动培养系统为闭环系统，培养液在该旋转培养系统内循环流动。该旋转脉动培养系统主要包括上述旋转培养室2、用于存储在旋转脉动培养系统内流动的培养液的储液瓶1、用于将培养液中的氧气和二氧化碳维持在预定的浓度的氧合器3以及能够在旋转脉动培养系统内产生恒流和脉动流的复合流的动力源。在整个闭环系统中，旋转培养室2与储液瓶1、氧合器3和动力源串联配置。这样，人工血管被安置于旋转培养室2内进行动态培养，旋转培养室2是整合系统的核心部件，人工血管不仅可以接受脉动的液体影响，受到设定的多向机械应力的刺激，并且人工血管可以围绕其轴向旋转，使得表面种植的细胞更加均匀地铺展开来。

另外，在本实施方式中，根据本发明的旋转脉动培养系统还包括串联在闭环系统中的测量组件(例如压力表8和pH计9)、调节组件(调压阀7)和其它组件(多个过滤器11和多个单向阀6)。过滤器11可以过滤掉培养液循环中的凋亡细胞，如果凋亡细胞长期留存在培养液中并循环灌注，其分裂后碎片会对健康细胞有着不良影响。单向阀6可以防止液体倒流，然后使得整个系统的流动是一种单向流动状态，更加地接近真实状态。调压阀7的主要作用是进一步的调整和规整内部液体的流量压力，压力表8和pH计9可以实时的显示培养液内部的压力及pH值。

在本实施方式中，在旋转脉动培养系统中用于连通两个不同组件之间的管路优选地采用硅酮橡胶管10。

更具体地，在本实施方式中，在旋转脉动培养系统中的培养液的流动方向上，从储液瓶1开始依次配置有过滤器11、氧合器3、动力源、调压阀7、压力表8、pH计9、旋转培养室2、过滤器11和单向阀6。

在本实施方式中，动力源包括彼此并联的蠕动泵4和恒流泵5。优选地，在蠕动泵4和恒流泵5所在的支路上分别设置有与蠕动泵4和恒流泵5串联的单向阀6。蠕动泵4和恒流泵5是整个系统的动力源，推动整个系统内部的培养液的循环灌注，自然状态下的血液也是由着恒流与脉动流，两者复合起来的脉动流，可以更加真实的模拟自然状态下血流的脉动情况，并且其各项参数可调，能调整液体的流量、压力和频率，为血管组织工程研究提供多种力学刺激条件。

(旋转脉动培养系统的工作流程概述)

本发明采用具有上述结构的旋转脉动培养系统，使得用于人工血管的细胞培养液被储存在储液瓶1中，经过滤器11后进入氧合器3，将液体中的氧气和二氧化碳维持在合适的预定浓度，以蠕动泵4和恒流泵5为动力源，推动培养液流经单向阀6、调压阀7、压力表8到达旋转培养室2，人工血管被固定在旋转培养室2中进行动态培养，从旋转培养室2流出的培养液经过滤器11和单向阀6流回储液瓶1完成循环。这样，本发明的旋转脉动培养系统实现了人工血管的动态培养，基于仿生学原理提供了设定值的脉动流，并且旋转培养室2内的人工血管可以围绕其中心轴线旋转，使其表面种植的细胞更加均匀铺展开来。整个系统内的培养液经过旋转培养室2后经过过滤器11返回到储液瓶1中，整个液体通路通过硅酮橡胶管10相连接，硅酮橡胶管10无毒无味，对培养液没有污染且内壁光滑可以抑制颗粒吸附和微生物滋生，可拆卸下来反复高压灭菌确保工艺的清洁。

拥有恒流泵5和蠕动泵4组成的动力源，可以更加真实的模拟自然状态下血流的脉动情况且流量和压力、频率可调，为血管组织工程研究提供多种力学刺激条件。用于培养的人工血管可绕着轴向旋转，促进表面的细胞更加均匀的铺展开来。使用了氧合器3，可以准确地调控培养液中氧气和二氧化碳的浓度。整个培养室2可以相对密闭起来，避免了外接病菌的污染。

若使人工血管绕自身轴线旋转起来，就可以使径向方向都运转起来避免细胞的团聚，能有效的促进细胞在表面均匀地铺展开来。

虽然上述具体实施方式对本发明的技术方案进行了详细地阐述，但是仍然需要说明的是：

1.虽然在上述具体实施方式中说明了驱动组件为步进电机207且传动组件为带轮传动机构，但是本发明不限于此。驱动组件可以为能够产生旋转驱动力的其它动力源，而传动组件也可以是其它结构的传动机构，例如为齿轮传动机构。

2.虽然在上述具体实施方式中说明了根据本发明的旋转脉动培养系统为闭环系统，但是本发明不限于此。根据本发明的旋转脉动培养系统还可以是开环系统。

3.根据本发明的旋转培养室2和采用该旋转培养室2的旋转脉动培养系统主要具有以下优点和突出性效果：

1)拥有恒流泵5和蠕动泵4组成的动力源，可以更加真实地模拟自然状态下血流的脉动情况且流量和压力、频率可调，为血管组织工程研究提供多种力学刺激条件。

2)人工血管可绕着轴向旋转，促进表面的细胞更加均匀地铺展开来。

3)使用了氧合器3，可以准确地调控培养液中氧气和二氧化碳的浓度，使得整个培养室2可以相对密闭起来，避免了外届病菌的污染，且能够保持一定的温度。

综上，本发明基于仿生学原理提供模拟脉动流，并且旋转培养室内的人工血管可以围绕轴向旋转，使其表面种植的细胞更加均匀铺展开来，为血管组织的成熟提供多种力学刺激条件。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种旋转培养室，其特征在于，所述旋转培养室以使得人工血管进行旋转的方式培养该人工血管，所述旋转培养室包括：

框架组件，所述人工血管以能够旋转的方式安装于所述框架组件，所述框架组件包括中空的外壳以及固定于该外壳内的内腔，所述内腔的内部设置有安装空间，所述人工血管收纳于该安装空间并以能够旋转的方式安装于所述内腔；

连通组件，所述连通组件安装于所述框架组件且用于使所述人工血管与所述框架组件的外部通路实现流体连通，所述连通组件包括流体滑环和固定部，所述流体滑环安装于所述外壳且用于与所述外部通路连通，所述固定部安装于所述内腔，所述人工血管的两端分别固定于所述固定部且与所述固定部连通；

驱动组件，所述驱动组件固定于所述框架组件且用于提供使所述人工血管旋转的旋转驱动力；以及

传动组件，所述传动组件与所述驱动组件连接且用于将所述旋转驱动力传递至所述人工血管。

2.根据权利要求1所述的旋转培养室，其特征在于，所述连通组件还包括导管，所述导管分别与所述流体滑环和所述固定部连通。

3.根据权利要求2所述的旋转培养室，其特征在于，

在所述驱动组件的所述旋转驱动力的作用下，所述传动组件驱动所述导管、所述固定部和所述人工血管一体地旋转。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转培养室，其特征在于，所述传动组件包括：

旋转轴，所述旋转轴的一端与所述驱动组件连接并用于输出所述驱动组件的旋转驱动力；

主动带轮，所述主动带轮与所述旋转轴的另一端连接并由所述旋转轴带动转动；

从动带轮，所述从动带轮与所述人工血管同轴配置并用于驱动所述人工血管转动；以及

皮带，所述皮带绕装于所述主动带轮和所述从动带轮并使得所述主动带轮能够带动所述从动带轮转动。

5.一种旋转脉动培养系统，其特征在于，所述旋转脉动培养系统包括权利要求1至4中任一项所述的旋转培养室。

6.根据权利要求5所述的旋转脉动培养系统，其特征在于，所述旋转脉动培养系统还包括：

存储部，所述存储部用于存储在所述旋转脉动培养系统内流动的培养液；

氧合器，所述氧合器用于将所述培养液中的氧气和二氧化碳维持在预定的浓度；以及

动力源，所述动力源能够在所述旋转脉动培养系统内产生恒流和脉动流的复合流，

所述旋转培养室与所述存储部、所述氧合器和所述动力源串联配置。

7.根据权利要求6所述的旋转脉动培养系统，其特征在于，所述动力源包括彼此并联的蠕动泵和恒流泵。

8.根据权利要求6所述的旋转脉动培养系统，其特征在于，所述旋转脉动培养系统还包括用于过滤所述培养液的至少一个过滤器和/或用于保证所述培养液单向流动的至少一个单向阀。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的旋转脉动培养系统，其特征在于，所述旋转脉动培养系统为闭环系统。