CN1288235C - 一种旋转灌注式生物反应器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转灌注式生物反应器系统，即通过旋转和灌注的方法相结合，实现三维动态细胞培养，促使细胞在支架表面的分布更佳均匀，促进氧气和营养物质向支架内部微孔或微管道输送，保持支架内部细胞的活性，通过培养液的流动对细胞产生机械应力刺激，调节细胞功能的发挥，同时通过反应器两端的半透膜实现反应器内外气体的实时交换。为细胞种植以及细胞/支架结构体的体外培养提供一个优良的、可控的三维环境，实现真正意义上(包括三维空间结构支架和三维动力性体外培养)的三维动态培养。

Description

一种旋转灌注式生物反应器系统

技术领域

本发明属于生物设备制造工程领域，涉及一种细胞培养的生物反应器系统，特别涉及一种应用于生物医疗工程、组织工程细胞培养的旋转灌注式生物反应器系统。

背景技术

生物反应器系统是一种三维动态细胞培养系统，它克服了静态培养存在诸多缺点，如氧气、营养物质分布不均，只能靠扩散来给细胞提供氧气和营养物质，而且所培养的细胞数量有限。这种动态培养系统地主要优点在于：(1)在三维支架中能够产生有效的、均匀的细胞种植，而且细胞数量很大；(2)能够促进氧气和营养物质向支架内部输送，保持支架内部细胞的活性和功能的发挥(3)能够促进支架中黏附生长细胞的增殖、分化，分泌更多的细胞外基质，促进骨组织再生；(4)成骨性细胞能够沿着三维支架内部微管道生长，产生具有一定几何形状的骨组织；(5)能够排出更多的CO₂，维持生理性PH值，为细胞代谢和功能发挥提供更有利的微环境；(6)培养液的流动能够对细胞产生机械应力刺激，调节成骨性细胞功能的发挥。

目前已开发出的生物反应器系统有许多种，主要有旋转烧瓶式生物反应器(Spinner-flask bioreactors)、旋转容器式生物反应器(Rotating-wallvessels bioreactors)、中空纤维式生物反应器(Hollow-fiberbioreactors)、直接灌注式生物反应器(Direct perfusion bioreactors)、力学控制式生物反应器(Bioreactors that apply controlled mechanicalforces)等。其中以旋转式和灌注式生物反应器的应用较为广泛。

生物反应器系统主要是通过旋转或灌注的方式，使贴附在支架上的细胞受到一定的剪切力，同时改善培养环境，促进细胞各种功能的发挥。旋转式生物反应器是通过旋转容器或利用磁力榜的旋转促使培养液流动，来实现三维动态培养的目的。这种方式的优点在于能够使反应器中的氧气和营养物质充分混合，使细胞在支架上的分布更佳均匀，利于贴附在支架表面的细胞各种功能的发挥。其缺点是：支架内部微孔或微管道的培养环境没有得到改善，从而使微孔或微管道里所贴附的细胞功能发挥受到限制，细胞数量必然有限。而灌注式生物反应器则弥补了旋转式生物反应器的不足，利用蠕动泵连续不断的将培养液灌注到支架内部微孔或微管道，使微孔或微管道内的培养环境得到很好的改善，促进细胞功能的发挥，但是支架表面的细胞就很难生长。

发明内容

本发明的目的在于，提出了一种旋转式和灌注式各自优点相结合的旋转灌注式生物反应器系统，即，在旋转的同时，利用蠕动泵将培养液连续不断的输送到支架内部微孔或微管道，使支架表面和内部的培养环境同时得到改善。

实现上述目的的技术解决方案是，一种旋转灌注式生物反应器系统，其特征在于，该系统包括：一种旋转灌注式生物反应器系统，其特征在于，该系统包括：

一个生物反应器，用于细胞培养，该生物反应器上有医用三通，其两端有与蠕动泵连通的泵管，生物反应器内固定设置有人工骨和人工骨夹具构成的三维支架，该三维支架内部有微孔或微管道，通过一端的硅橡胶软管和生物反应器外的泵管连通；在生物反应器两端各开有四个扇形槽，扇形槽粘贴有半透膜，该半透膜用于生物反应器内外的气体交换；在该生物反应器两端外径上还设置有轴承，其中一端的外径上还镶嵌有一齿轮；

一电机，该电机与生物反应器的齿轮连接，带动并控制生物反应器旋转；

一蠕动泵，该蠕动泵与生物反应器两端的泵管连接，培养液通过蠕动泵连续或间断的输送到生物反应器内的三维支架内部微孔或微管道中。

本发明的旋转灌注式生物反应器系统，通过旋转和灌注的方法相结合，实现三维动态细胞培养，保持培养液中氧气和二氧化碳的含量基本稳定。促使细胞在支架表面的分布更佳均匀，促进氧气和营养物质向支架内部微孔或微管道输送，保持支架内部细胞的活性，通过培养液的流动对细胞产生机械应力刺激，调节细胞功能的发挥，同时通过反应器两端的半透膜实现反应器内外气体的实时交换。为细胞种植以及细胞/支架结构体的体外培养提供一个优良的、可控的三维环境，实现真正意义上(包括三维空间结构支架和三维动力性体外培养)的三维动态培养。

附图说明

图1所示为本发明的旋转灌注式生物反应系统结构主视图；也是本发明的一个具体实施例结构图；

图2是图1的俯视图；

图3是生物反应器的结构示意图；

图4是图2中端盖和衬套的扇形槽示意图。

上述图1、2中所示的符号表示为：1、底座，2、支撑，3、旋转接头，4、动态密封圈，5、轴承挡圈，6、轴承，7、键，8、齿轮，9、左端盖，10、左衬套，11、固紧螺钉，12、反应器容器，13、人工骨，14、人工骨夹具，15、衬套，16、右端盖，17、半透膜；18、蠕动泵；19、永磁直流齿轮减速电机，20、医用三通，21、培养液，22硅橡胶软管，23泵管。

以下结合附图和申请人所完成的实施例及其本发明的原理作进一步的详细描述。

具体实施方式

参见图1，本发明的旋转灌注式生物反应器系统包括：

一永磁直流齿轮减速电机19，用于带动和控制生物反应器的旋转；

灌注系统，用于给生物反应器内提供培养液，该灌注系统包括蠕动泵18和蠕动泵配合的各种内径的泵管23；

生物反应器，该生物反应器包括底座1和支撑2，反应器容器12通过轴承6设置在支撑2上，反应器容器上有医用三通20；在反应器容器12的两端对称设有左衬套10、右衬套15、左端盖9、右端盖16、轴承挡圈5、动态密封圈4、旋转接头3，在左、右衬套与左、右端盖上各开有四个扇形槽24，扇形槽粘贴有半透膜17；该半透膜用于生物反应器内外的气体交换；

反应器容器12的一端还设置有一齿轮8，该齿轮8通过键7镶嵌在外径上；

反应器容器12内有由有人工骨13和人工骨夹具14构成的三维支架，三维支架内部有微孔或微管道，三维支架通过一端的硅橡胶软管和生物反应器外的泵管23连通；

生物反应器的两端通过泵管23和蠕动泵18连通，由蠕动泵18提供培养液21；

生物反应器通过齿轮8和永磁直流齿轮减速电机19连接，由永磁直流齿轮减速电机19带动并控制旋转。

培养液21通过蠕动泵18连续不断的输送到固定在生物反应器中的三维支架内部微孔或微管道，流量可根据实际情况及时调整，反应器内外气体通过半透膜17实现实时交换，每4天通过生物反应器上设置的医用三通20更换废旧培养液。

当然，采用伺服电机或交流减速电机同样可以控制生物反应器的转动。

本发明的旋转灌注式生物反应器系统，可以很好的改善细胞培养环境，促进细胞在三维支架上的分布更佳均匀，能够促进氧气和营养物质向支架内部输送，保持支架内部细胞的活性和功能的发挥，实现反应器内外气体实时交换，保证培养液中氧气和二氧化碳的含量基本稳定，维持生理性PH值，为细胞代谢和功能发挥提供更有利的微环境，而且培养液的流动能够对细胞产生机械应力刺激，调节成骨性细胞功能的发挥。

Claims (2)

1.一种旋转灌注式生物反应器系统，其特征在于，该系统包括：

一个生物反应器，用于细胞培养，该生物反应器上有医用三通，其两端有与蠕动泵连通的泵管，生物反应器内固定设置有人工骨和人工骨夹具构成的三维支架，该三维支架内部有微孔或微管道，通过一端的硅橡胶软管和生物反应器外的泵管连通；在生物反应器两端各开有四个扇形槽，扇形槽粘贴有半透膜，该半透膜用于生物反应器内外的气体交换；在该生物反应器两端外径上还设置有轴承，其中一端的外径上还镶嵌有一齿轮；

一电机，该电机与生物反应器的齿轮连接，带动并控制生物反应器旋转；

一蠕动泵，该蠕动泵与生物反应器两端的泵管连接，培养液通过蠕动泵连续或间断的输送到生物反应器内的三维支架内部微孔或微管道中。

2.如权利要求1所述的旋转灌注式生物反应器系统，其特征在于，所述的微电机为永磁直流齿轮减速电机或伺服电机或交流减速电机。

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