CN110317731A - 灌注式生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种灌注式生物反应器，至少包括：培养腔，所述培养腔内设有生物支架；循环泵，与所述培养腔连通；供给腔，分别与所述培养腔和循环泵连通，所述供给腔用于盛放培养基，所述供给腔与外界连通；导管，所述导管包括第一导管、第二导管、第三导管和第四导管；当所述供给腔盛有培养基时，所述第二导管在供给腔内的一端位于培养基的液面下方，所述第四导管在供给腔内的一端位于培养基的液面上方。本发明的灌注式生物反应器可以在器官和组织体外构建过程中尽量模拟体内微环境，保证细胞的营养物质供应和排泄物的排出，反应器内为无菌环境，稳定，细胞生长和活力旺盛，降低了培养周期和成本。
Description
技术领域
本发明涉及组织工程领域，特别是涉及一种灌注式生物反应器。
背景技术
组织工程(Tissue Engineering)是近年来正在兴起的一门新学科，主要包括四个方面：种子细胞、生物材料、构建组织和器官的方法和技术以以及组织工程的临床应用。组织工程的核心是构建负载有细胞的生物支架材料，通过细胞和支架材料的共培养，构建生物反应器，模拟人体的器官和组织的功能。
生物反应器包括搅拌式、气升式、膜式和灌注式生物反应器。其中搅拌式生物反应器是通过叶轮和搅拌器转动培养液，保证细胞培养液中氧和营养物质的分配的均衡。但是由于搅拌器转动产生剪应力和小气泡，会破坏细胞和支架材料，因此不适合于组织工程生物材料的培养。
气升式生物反应器的原理是反应器底部设置一个气体喷嘴，将空气和氧气从气体喷嘴中加入反应器中，在上升过程中达到气体交换的目的。优点是气体交换的效率高，氧气在反应器中分布较均匀。但是在反应器体积较大，与高密度微载体培养时存在混合性能不佳的缺点。而且产生的气泡在破裂瞬间会损伤细胞，因此也不适合用于组织工程材料的培养。
膜式生物反应器的主要原理是通过一个传质作用的透析膜进行气体交换。优点是避免了反应器内产生气泡对细胞造成的损伤，缺点是因为膜通过扩散的传质方式，在培养基的体积较大或者细胞的浓度较高时容易造成供氧的不足。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种灌注式生物反应器。
灌注式生物反应器的原理是通过蠕动泵驱动培养液，使得带有新鲜营养物质和氧气的培养基可以灌注入支架材料，同时，可以带走细胞排泄的代谢废物。根据反应器的体积的不同和细胞的浓度的不同，可以调节不同的灌注的速率，从而保证营养物质和氧气的供给。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种灌注式生物反应器，其特征在于，所述灌注式生物反应器至少包括：
培养腔，所述培养腔内设有生物支架；
循环泵，与所述培养腔连通；
供给腔，分别与所述培养腔和循环泵连通，所述供给腔用于盛放培养基，所述供给腔与外界连通；
导管，所述导管包括第一导管、第二导管、第三导管和第四导管；
所述第一导管用于连通所述培养腔和所述循环泵，
所述第二导管用于连通所述循环泵和所述供给腔，
所述第三导管用于连通所述供给腔和所述培养腔，
所述第四导管用于使所述供给腔与外界连通；
第二导管和第四导管满足：当所述供给腔盛有培养基时，所述第二导管在供给腔内的一端位于培养基的液面下方，所述第四导管在供给腔内的一端位于培养基的液面上方。
本发明第二方面提供前述灌注式生物反应器在细胞培养中的用途。
如上所述，本发明的灌注式生物反应器，具有以下有益效果：
本发明的灌注式生物反应器可以在器官和组织体外构建过程中尽量模拟体内微环境，保证细胞的营养物质供应和排泄物的排出，反应器内为无菌环境，稳定，细胞生长和活力旺盛，降低了培养周期和成本。根据反应器的体积的不同和细胞的浓度的不同，可以调节循环泵的转速获得不同的灌注速率，从而充分保证营养物质和氧气的供给以及代谢废物的排出。本发明所述装置不会产生气泡，防止造成细胞损伤。
附图说明
图1显示为本发明的灌注式生物反应器的结构示意图。
元件标号说明
1 培养腔
11 生物支架
2 循环泵
3 供给腔
31 供给腔盖体
32 供给腔腔体
4 导管
41 第一导管
42 第二导管
43 第三导管
44 第四导管
5 空气过滤器
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供的灌注式生物反应器，至少包括：
培养腔1，所述培养腔1内设有生物支架11；
循环泵2，与所述培养腔1连通；
供给腔3，分别与所述培养腔1和循环泵2连通，所述供给腔3用于盛放培养基，所述供给腔与外界连通；
导管4，所述导管包括第一导管41、第二导管42、第三导管43和第四导管44；
所述第一导管41用于连通所述培养腔1和所述循环泵2，
所述第二导管42用于连通所述循环泵2和所述供给腔3，
所述第三导管43用于连通所述供给腔3和所述培养腔1，
所述第四导管44用于使所述供给腔3与外界连通；
第二导管42和第四导管44满足：当所述供给腔3盛有培养基时，所述第二导管42在供给腔3内的一端位于培养基的液面下方，所述第四导管44在供给腔内的一端分别位于培养基的液面上方。
所述第三导管43满足：所述第三导管43在供给腔内的一端位于培养基的液面上方。
所述生物支架是指：为细胞生长输送营养及排泄代谢产物的三维多孔结构的细胞载体。
所述生物支架可以选自天然材料或人工材料制成。所述天然材料选自蛋白质类、多糖类或无机物类，如胶原、限位蛋白、丝心蛋白或基质胶；如壳聚糖、透明质酸或海藻酸；如天然珊瑚或羟基磷灰石。所述人工材料选自聚合物类，陶瓷类或金属类；如聚己内酯(PCL)、聚甲基乙烯酸羟乙酯(PHEMA)、聚乙醇酸(PGA)、生物玻璃、碳酸钙水泥或钛合金。
所述循环泵包括电机，驱动循环泵转动。根据反应器的体积的不同和细胞的浓度的不同，可以调节循环泵的转速获得不同的灌注速率，从而充分保证营养物质和氧气的供给以及代谢废物的排出。
所述循环泵产生的动力驱动供给腔内的培养基输送到培养腔中，所述培养基内含有溶解氧，使培养腔中生物支架上的细胞得到营养和氧气的供给；并将细胞代谢产生的废物和二氧化碳带出，传回到供给腔，所述二氧化碳通过第四导管逸出到外界。外界的氧气也可进入到培养腔中，溶解在培养基中。
该循环灌注系统构建的生物反应器可以在器官和组织体外构建过程中尽量模拟体内微环境保证细胞的营养物质供应和排泄物的排出，降低了培养周期和成本。
所述供给腔的内径可以根据需要进行设置，以保证与空气具有足够的接触面积，保证供氧量。
在一种实施方式中，所述第二导管42在供给腔内的一端位于所述供给腔内的底部且与所述供给腔的底部不接触。
在一种实施方式中，所述第三导管43和/或所述第四导管44在供给腔内的一端位于所述供给腔内的顶部。
在一种实施方式中，所述第四导管44位于外界连通的一端设有空气过滤器5。通过空气过滤网与空气相连接，既保证了培养基与空气的气体交换，又阻止了细菌等微生物的进入，保证了反应器内的无菌环境。
所述空气过滤器5为塑料材质，内设置过滤网芯，可以过滤空气中的细菌等微生物。所述空气过滤器为市售产品。
在一种实施方式中，所述生物支架11的靠近循环泵2的一端设有第一过滤网12，用于过滤杂质。
第一过滤网12和第二过滤网13为塑料材质过滤网，可以过滤循环培养液体中的固体杂质。所述第一过滤网和第二过滤网为市售产品。
在一种实施方式中，所述生物支架11的靠近供给腔3的一端设有第二过滤网13，用于过滤杂质和固定生物支架。
第一过滤网和第二过滤网可以将管路中的杂质去除，防止其影响生物支架上的细胞生长和活力。
在一种实施方式中，所述供给腔3包括供给腔盖体31和供给腔腔体32，所述第二导管42、第三导管43和第四导管44分别设于所述供给腔盖体31上。
在一种实施方式中，所述循环泵2选自蠕动泵。
当使用本发明装置进行生物支架灌注操作时，先将生物支架11置于培养腔1中的第一过滤网12和第二过滤网13之间。打开供给腔盖体31，在供给腔腔体中置入合适量的培养基，使得培养基的液平面高于第二导管42位于供给腔内的一端的下缘，并低于第三导管43和第四导管44位于供给腔内的一端的下缘。启动蠕动泵2，使得培养基被吸入第二导管42中，继而顺序经过蠕动泵2、第一导管41到达培养腔1。到达培养腔中的培养基经过第一过滤网12的过滤作用后浸没生物支架11，并提供营养物质和氧气。然后，培养基经过第二过滤网的13过滤作用后，经过第三导管43回到供给腔3中。
本发明还提供前述灌注式生物反应器在细胞培养中的用途。
进一步的，所述细胞培养为负载细胞的生物支架材料的培养。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种灌注式生物反应器，其特征在于，所述灌注式生物反应器至少包括：
培养腔(1)，所述培养腔(1)内设有生物支架(11)；
循环泵(2)，与所述培养腔(1)连通；
供给腔(3)，分别与所述培养腔(1)和循环泵(2)连通，所述供给腔(3)用于盛放培养基，所述供给腔与外界连通；
导管(4)，所述导管包括第一导管(41)、第二导管(42)、第三导管(43)和第四导管(44)；
所述第一导管(41)用于连通所述培养腔(1)和所述循环泵(2)，
所述第二导管(42)用于连通所述循环泵(2)和所述供给腔(3)，
所述第三导管(43)用于连通所述供给腔(3)和所述培养腔(1)，
所述第四导管(44)用于使所述供给腔(3)与外界连通；
第二导管(42)和第四导管(44)满足：当所述供给腔(3)盛有培养基时，所述第二导管(42)在供给腔(3)内的一端位于培养基的液面下方，所述第四导管(44)在供给腔内的一端位于培养基的液面上方。
2.如权利要求1所述的灌注式生物反应器，其特征在于，所述第三导管(43)满足：所述第三导管(43)在供给腔内的一端位于培养基的液面上方。
3.如权利要求1所述的灌注式生物反应器，其特征在于，所述第二导管(42)在供给腔内的一端位于所述供给腔的底部且与所述供给腔的底部不接触。
4.如权利要求2所述的灌注式生物反应器，其特征在于，所述第三导管(43)和/或所述第四导管(44)在供给腔内的一端位于所述供给腔内的顶部。
5.如权利要求1所述的灌注式生物反应器，其特征在于，所述第四导管(44)位于外界连通的一端设有空气过滤器(5)。
6.如权利要求1所述的灌注式生物反应器，其特征在于，还包括以下特征的一项或多项：
1)所述生物支架(11)的靠近循环泵(2)的一端设有第一过滤网(12)，用于过滤杂质；
2)所述生物支架(11)的靠近供给腔(3)的一端设有第二过滤网(13)，用于过滤杂质和固定生物支架。
7.如权利要求1所述的灌注式生物反应器，其特征在于，所述供给腔(3)包括供给腔盖体(31)和供给腔腔体(32)，所述第二导管(42)、第三导管(43)和第四导管(44)分别设于所述供给腔盖体(31)上。
8.如权利要求1所述的灌注式生物反应器，其特征在于，所述循环泵(2)选自蠕动泵。
9.如权利要求1-8任一所述的灌注式生物反应器在细胞培养中的用途。
10.如权利要求9所述的用途，其特征在于，所述细胞培养为负载细胞的生物支架材料的培养。
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