CN109486675A - 一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置 - Google Patents

一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种颅骨复合支架动态灌注装置，该装置由灌注循环机构、控制机构两大部分组成，其中灌注循环机构由蠕动泵、储液瓶、灌注室、加湿瓶，经颅骨多孔支架通道、脉管连接通道、硅胶管连接组成；该装置采用双通道独立灌注方式，颅骨多孔支架通道灌注颅骨多孔支架，脉管通道经过脉管结构为颅骨多孔支架中心提供营养物质和所需氧气；灌注循环系统通过蠕动泵持续灌注混合气体到培养液储液瓶中，保证培养液中氧气、二氧化碳浓度的稳定；正弦波、方波、梯形波等不同形式流量模拟不同培养环境，该装置减少了细胞在培养过程的死亡率，加快细胞增殖与分化的进程，为组织工程技术奠定了技术基础。

Description

一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置
技术领域
本发明属于生物培养设备的技术领域，尤其涉及一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置。
背景技术
在骨组织工程中，为了后续的移植，支架-细胞体外培养是必不可少的环节。它被广泛的用于使支架具有生命活性，以便支架复合物与人体组织更好的相容性，这是保证实现骨组织生理功能的关键环节。
目前，在体外支架与细胞的整合通常采用静态的方式进行，但存在营养物质、氧气供应不足，代谢废物无法排除导致细胞坏死，无法在支架中心形成细胞基质等问题[1,2]。动态培养可解决上述问题，它通过动态灌注方式，使培养液持续流动，加快营养物质的输送和交换，有利于支架中心的细胞生长[3]。此外，动态灌注所产生的流体剪切应力加强细胞信号通道的活跃，促进碱性磷酸酶、骨钙蛋白、collagen I、骨桥蛋白等特殊基因表达，可提高细胞的增殖和分化[5]并形成细胞质基质[6-8]。在血管支架的动态培养中，流体剪切应力会促进内皮细胞标志物的表达[9]。
近年来，各式动态灌注设备已经被应用到骨组织工程修复当中。Santoro和Bhaskar[10,11]为培养大面积骨组织，使灌注室中流体分布更加均匀，采用了多出入口的方式进行动态灌注，促进了细胞在3D支架中的增殖与分化。Jagodzinski[12]采用周期性压力培养多孔支架中的骨细胞，并分析了周期性机械刺激对成骨细胞增殖与分化的影响。但是，通过动态灌注培养支架-细胞在体外整合的研究中，仍发现其骨细胞的存活率低，成骨缓慢。研究表明由于支架中没有血管结构，导致细胞营养物质和氧气的供给受到限制，骨细胞不能深入支架内部，造成成骨能力下降[13,14]。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置，该装置采用双通道灌注培养的方法，一个通道连接颅骨多孔支架，加速细胞在多孔支架中的生长；另一个通道连接脉管，促进脉管内细胞的增殖，同时加强对支架中心处骨细胞的营养物质的供给；从而解决常规静/动态培养中出现的骨细胞存活率低、成骨缓慢等问题，以期提高细胞成活率、缩短培养时间。
本发明采用如下技术方案予以实施：
一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置，包括循环灌注系统与程序控制系统，所述循环灌注系统包括液体循环机构、气体循环机构和灌注培养腔；所述液体循环机构由第一储液瓶和第二储液瓶构成；所述气体循环机构由CO2瓶、O2瓶、气体混合腔和气液混合瓶构成；所述程序控制系统包括编程模块、驱动模块、蠕动机构和电源；所述蠕动机构由第一蠕动泵、第二蠕动泵和第三蠕动泵构成；所述第一蠕动泵端的输出端分别与所述气液混合瓶、第一储液瓶和第二储液瓶连接；第二蠕动泵输出端分别与第一储液瓶和灌注培养腔的脉管通道连接；所述第三蠕动泵输出端分别与第二储液瓶和灌注培养腔的颅骨多孔支架通道连接；所述第一储液瓶的输出端与灌注培养腔的脉管通道连接；所述第二储液瓶的输出端与灌注培养腔的颅骨多孔支架通道连接。
当驱动模块接收到编程模块发出工作信号时，驱动模块启动第一蠕动泵工作使气体循环机构运行；同时，驱动模块启动第二蠕动泵和第三蠕动泵工作使液体循环机构运行。
所述灌注培养腔内部通过卡套连接由颅骨多孔支架和脉管支架构成的颅骨复合多孔支架；所述颅骨脉管复合支架通过软管与脉管通道连接，所述脉管通道通过旋盖固定于灌注培养腔侧壁上。
所述驱动模块根据编程模块发出的正弦波、方波、梯形波和其相互组合的流量信号控制第一蠕动泵、第二蠕动泵和第三蠕动泵转速变化。
所述灌注培养腔由分体式第一半腔和第二半腔构成；所述第一半腔和第二半腔的端面均为圆弧形，其上分别连接有颅骨多孔支架通道。
所述编程模块产生流量信号为1-10Hz频率的0.02-50ml·s-1的脉动流量。
与现有技术相比，本发明具有的优点：
1、本发明在常规的动态灌注装置的基础上设计了双通道独立灌注，该动态灌注装置模拟人体自然颅骨组织的物质交换过程，从而解决常规静/动态培养中出现的骨细胞存活率低、成骨缓慢等问题，以期提高细胞成活率、缩短培养时间，这将对开创一种新型动态灌注方式具有重要的意义。
2、本发明鉴于血管结构在组织工程中的作用，颅骨脉管复合支架由颅骨多孔支架和脉管支架复合而成，复合支架采用双通道灌注培养的方法，一个通道连接颅骨多孔支架，加速细胞在多孔支架中的生长；另一个通道连接脉管，促进脉管内细胞的增殖，同时加强对支架中心处骨细胞的营养物质的供给。
3、本发明的循环系统分为液体循环和气体循环；液体循环为细胞提供营养液、排除代谢废物，并产生剪切应力、压应力；气体循环为动态培养提供二氧化碳、氧气，维持培养液的pH值和氧气浓度的稳定。
4、本发明的动态灌注腔灌注室两端采用圆弧面，保证流量分布更加均匀；动态灌注装置实现不同形式的流量，模拟不同的培养环境。
附图说明
图1表示本发明的一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置示意图。
图2表示本发明的动态灌注装置灌注培养腔的结构示意图。
图3表示颅骨脉管复合支架。
具体实施方式
结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明为一种颅骨复合支架动态灌注装置，包括循环灌注系统1与程序控制系统2，所述循环灌注系统1包括液体循环机构11、气体循环机构12和灌注培养腔13；所述液体循环机构11由第一储液瓶111和第二储液瓶112构成；所述气体循环机构12由CO2瓶121、O2瓶122、气体混合腔123和气液混合瓶124构成；所述程序控制系统2包括编程模块21、驱动模块22、蠕动机构23和电源24；所述蠕动机构23由第一蠕动泵231、第二蠕动泵232和第三蠕动泵233构成；所述第一蠕动泵231端的输出端分别与所述气液混合瓶124、第一储液瓶111和第二储液瓶112连接；第二蠕动泵232输出端分别与第一储液瓶111和灌注培养腔13的脉管通道131连接；所述第三蠕动泵233输出端分别与第二储液瓶112和灌注培养腔13的颅骨多孔支架通道132连接；所述第一储液瓶111的输出端与灌注培养腔13的脉管通道131连接；所述第二储液瓶112的输出端与灌注培养腔13的颅骨多孔支架通道132连接。
当驱动模块22接收到编程模块21发出工作信号时，驱动模块22启动第一蠕动泵231工作使气体循环机构12运行；同时，驱动模块22启动第二蠕动泵232和第三蠕动泵233工作使液体循环机构11运行。所述驱动模块22根据编程模块21发出的正弦波、方波、梯形波和其相互组合的流量信号控制第一蠕动泵231、第二蠕动泵232和第三蠕动泵233转速变化。
如图2所示，所述灌注培养腔13内部通过卡套133连接由颅骨多孔支架135和脉管支架136构成的颅骨复合多孔支架134；所述颅骨脉管复合支架134通过软管134与脉管通道131连接，所述脉管通道131通过旋盖138固定于灌注培养腔侧壁上。
所述灌注培养腔13由分体式第一半腔13a和第二半腔构成，所述第一半腔和第二半腔的端面均为圆弧形，其上分别连接有颅骨多孔支架通道。所述第一半腔和第二半腔的圆弧面代替圆锥面结构，使得灌注室内的培养液分布更加均匀，采用有机玻璃加工，便于观察灌注室中的培养液情况。
所述编程模块21产生流量信号为1-10Hz频率的0.02-50ml·s-1的脉动流量。
本发明在实际中应用，由循环灌注机构1和程序控制机构2两大部分组成，循环灌注机构与控制机构2分离，将循环灌注部分1放置于二氧化碳培养箱中，节省培养箱中的空间便于灭菌。控制部分用于22固定PLC等控制元件，用于控制蠕动泵3。灌注循环部分1由蠕动泵(231,232,233)、储液瓶(111,112)、灌注室13、加湿瓶124等经过硅胶管连接组成。
该颅骨复合支架动态灌注装置循环系统参见图1，复合支架采用双通道灌注培养的方法，将颅骨脉管复合支架134通过两个卡套(参见图3)固定于灌注室13中，一个通道(132a,132b)连接颅骨多孔支架135，加速细胞在多孔支架中的生长，形成组织；另一个通道(131a,131b)连接血管结构的脉管支架136，促进血管内细胞的增殖，同时加强对颅骨多孔支架中心处骨细胞的营养物质的。气体循环机构12将二氧化碳培养箱中的混合其他依次将过固定加湿瓶上的过滤器123、加湿瓶124，经蠕动泵231加注到培养液储液瓶(111,112)中，保证培养液中氧气、二氧化碳的浓度，保证了细胞生长所需稳定的pH值和稳定的氧气供给，避免了因为气体环境不稳定导致的pH失衡，导致细胞死亡。液体循环将储液瓶中的培养液经过蠕动泵灌注到灌注室的支架或者脉管通道，为细胞提供营养液、排除代谢废物，并产生剪切应力、压应力，促进细胞的生长。
通过PLC程序2控制蠕动泵(231,232,233)转速变化，实现正弦波、方波、梯形波的流量，以及不同波形自由组合的流量灌注复合支架134，模拟不同培养环境。在该系统中，可产生0.02-50ml·s-1的恒定流量，也可生成以1-10Hz频率、流量范围为0.02-50ml·s-1的脉动流量。根据实际所需的流量情况，可为复合支架提供不同大小的剪切应力。
灌注室13的第一半腔13a和第二半腔(参见图2)由法兰固定，灌注室13具有颅骨多孔支架135通道和脉管通道136结构，其中支架通道(132a,132b)和灌注室13为一体结构，脉管连接通道通(131a,131b)过旋盖系统固定于灌注室13上，颅骨脉管复合支架134通过卡套133固定于灌注室13中心处，由于脉管136具有多孔结构，培养液从脉管渗透到支架中心处，增强营养物质、氧气的供给，保证细胞增殖和分化的需求。根据复合支架134尺寸大小，通过正交试验的方法分析仿真分析结果，确定灌注室尺寸。
本发明可应用复合支架体外培养以及血管化机理的研究，为临床上的大面积骨缺损的治疗提供了新的途径。动态灌注装置结构简单、紧凑，操作方便。
应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置，包括循环灌注系统与程序控制系统，其特征在于：所述循环灌注系统包括液体循环机构、气体循环机构和灌注培养腔；所述液体循环机构由第一储液瓶和第二储液瓶构成；所述气体循环机构由CO2瓶、O2瓶、气体混合腔和气液混合瓶构成；所述程序控制系统包括编程模块、驱动模块、蠕动机构和电源；所述蠕动机构由第一蠕动泵、第二蠕动泵和第三蠕动泵构成；所述第一蠕动泵端的输出端分别与所述气液混合瓶、第一储液瓶和第二储液瓶连接；第二蠕动泵输出端分别与第一储液瓶和灌注培养腔的脉管通道连接；所述第三蠕动泵输出端分别与第二储液瓶和灌注培养腔的颅骨多孔支架通道连接；所述第一储液瓶的输出端与灌注培养腔的脉管通道连接；所述第二储液瓶的输出端与灌注培养腔的颅骨多孔支架通道通道连接。
2.根据权利要求1所述的一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置，其特征在于：当驱动模块接收到编程模块发出工作信号时，驱动模块启动第一蠕动泵工作使气体循环机构运行；同时，驱动模块启动第二蠕动泵和第三蠕动泵工作使液体循环机构运行。
3.根据权利要求1或2所述的一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置，其特征在于：所述灌注培养腔内部通过卡套连接由颅骨多孔支架和脉管支架构成的颅骨复合多孔支架；所述颅骨脉管复合支架通过软管与脉管通道连接，所述脉管通道通过旋盖固定于灌注培养腔侧壁上。
4.根据权利要求3所述的一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置，其特征在于：所述驱动模块根据编程模块发出的正弦波、方波、梯形波和其相互组合的流量信号控制第一蠕动泵、第二蠕动泵和第三蠕动泵转速变化。
5.根据权利要求3所述的一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置，其特征在于：所述灌注培养腔由分体式第一半腔和第二半腔构成，所述第一半腔和第二半腔的端面均为圆弧形，其上分别连接有颅骨多孔支架通道。
6.根据权利要求4所述的一种颅骨脉管复合支架动态灌注装置，其特征在于：所述编程模块产生流量信号为1-10Hz频率的0.02-50ml·s-1的脉动流量。
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