CZ21539U1 - Bioreaktor@pro@funkcní@tkánové@inženýrství - Google Patents

Description

Qblast ohníky

Technické řešení se týká bioreaktoru pro funkční tkáňové inženýrství sestávajícího z hermeticky oddělené komory, ve které je umístěno zařízení pro mechanické zatěžováni, zejména tkáňových náhrad chrupavky.

Dosavadní stav techniky

Pro úspěšné vytváření tkáňových náhrad chrupavky je nutno jednotlivé tkáňové preparáty po osazení buňkami mechanicky zatěžovat. Zároveň je nutno zabezpečit prostředí, ve kterém se dané buňky mohou dále rozvíjet. Při splnění těchto požadavků dochází k vytvoření funkčního tkáňového implantátu, který je připraven pro implantaci do prostředí biologické zátěže. Na simulaci zatěžujících cyklů v procesu zrání chrupavky se využívají tkáňové bioreaktory.

Smyslem současných zařízení určených pro kultivaci tkání je napodobení podmínek prostředí invivo a to zejména z chemického a biologického hlediska. Toto prostředí je tvořeno v současných typech biorektorů v závislosti na typu požadované tkáně. Obecně lze konstatovat, Že se jedná o zařízení, kde je zajištěna chemická a biologická stálost vyživovacího média, kde je regulována a monitorována inkubační teplota kultivačního prostoru a kde je zajištěn požadovaný tlak a koncentrace směsí provozních a kultivačních médií. Nicméně k tomu, aby mohla růst životaschopná tkáň, musí splňovat zařízení požadavky kladené na snadnou sterilizaci, jednoduchý přístup vyživovacího média ke kultivovaným buňkám a jeho obměnu.

Jedním z nej základnějších provedení je tzv. Flask (baňka) systém, která obsahuje kultivační médium a může obsahovat i několik podpůrných scaffoldů v závislosti na velikosti. Baňka (y) jsou buď provozovány staticky, nebo míchané.

Speciálním případem mohou být bioreaktory pro růst kardiálních tkání, které jsou uzpůsobeny pulsačnímu jedno i obousměrnému toku růstového média přes konstrukci podpůrných scaffoldů. Jsou tedy uzpůsobeny tak, aby simulovaly srdečně-cévní prostředí. Představiteli těchto bioreaktorů jsou systémy HARV (High Aspect Ratio Vessels) a STLV (Slow Tuming Lateral Vessels). STLV je konfigurován jako prstencový prostor mezi dvěma soustřednými válci, z nichž vnitřní je membránou pro výměnu plynů, zatímco HARV je válcová nádoba s membránou pro výměnu plynů ve svém dně. Obě nádoby jsou v provozu v horizontální rovině a vzájemně se otáčejí.

Dalším užívaným je systém RWPV (Rotating Wall Perfused Vessels), který byl vyvinut NASA a mimo jiné byl používán ke kultivaci chrupavky v prostoru mikrogravitace i v běžných podmínkách. Médium průběžně obíhá v perfudovaných sloupcích. Perfiidované komory jsou navrženy tak, aby médium průběžně procházelo mezi komorou a vnější membránou.

Dosud nebyla dostatečně vyřešena konstrukce bioreaktoru pro růst náhrad chrupavky a to zejména v oblasti simulace realistických zátěžových podmínek. Dosavadní reaktory chrupavky zatěžují jednotlivé implantáty jednoduchým zatížením typu tlak nebo smyk. U chrupavky in-vivo dochází vždy ke kombinaci těchto zatížení v důsledku specifické geometrie, kinematiky a vlastností kontaktních ploch. Nevýhodou dosavadních řešení je nepřímá mechanická stimulace tkáně, která se jeví jako zásadní pro vhodný růst pěstované tkáně.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny bioreaktorem pro funkční tkáňové inženýrství sestávajícím z hermeticky oddělené komory, ve které je umístěno zařízení pro mechanické zatěžování, zejména tkáňových náhrad chrupavky, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že zařízení je tvořeno kultivační nádobou s podložkou pro uložení kultivačních vzorků a alespoň jedním přítlačným rotačním indentorem připojeným k unášeči, přičemž unášeč je uložen suvně vůči kultivační nádobě.

-1CZ 21539 U1

Zařízeni je s výhodou tvořeno lineárním motorem, k jehož statoru je připojen spodní díl kultivační nádoby a horní díl kultivační nádoby a k pohyblivé části lineárního motoru je připojen unášeč s alespoň jedním rotačním indentorem valivě uloženým na ose. Osa je posuvně uložená ve vertikálním směru ve vedení svislých stojin pro rovnoměrné cyklické zatěžování kultivačních 5 vzorků indentorem.

K ose je s výhodou připojena alespoň jedna nadlehčovací tažná pružina a/nebo tlačná pružina, přičemž mezi osou a pružinami je vložen snímač napětí.

Kolem rotačního indentoru může být opásána dvojice brzdných pásů, připevněných ke spojovacímu profilu. K brzdným pásům je připojeno vahadlo pro zajištěni symetrie tažné síly v pásech 10 pro nastavení odvalování, prokluzu nebo úplného smýkání indentoru po podložce.

Horní díl kultivační nádoby je ve výhodném provedení členěn podélnými příčkami a příčnou příčkou na menší kultivační prostory pro podložku s otvory pro kultivační vzorky. Podložka jez materiálu obdobných mechanických vlastností jako jsou mechanické vlastnosti budoucí požadované tkáně pro zajištění stability a rovnoměrného rozložení zatížení na vzorcích.

Podstata technického řešení spočívá v umístění stolu s rotačním indentorem do růstové komory bioreaktoru. Komora je od okolního laboratorního prostředí hermeticky oddělena a je uvnitř udržována ochranná atmosféra. Komora bioreaktoru prakticky představuje laboratorní laminámí box, který je uzpůsoben velikosti kultivační vany se vzorky. Oproti užívaným technickým řešením dochází k přímému mechanickému stimulu pěstované tkáně rotačním indentorem, který si20 muluje reálné zatížení kloubu.

Rotační indentor tvoří válec s rotačním uložením, který s různou velikostí nastaveného přítlaku přejíždí přes kultivované tkáňové vzorky. Dalším důležitým přínosem je možnost odvalování, částečného prokluzu nebo úplného smýkání, čímž je docíleno nejen stimulace od normálového zatížení, ale uplatňuje se i složka v tečném směru od smykového zatížení. Tímto řešením se vý25 razně přibližujeme in-vivo podmínkám růstu tkáně v organismu. Vzorky kultivované tkáně jsou uloženy v dírách válcového tvaru. Zbytek kultivačního prostoru je vyplněn podložkou z materiálu obdobných mechanických vlastností, jako jsou mechanické vlastnosti budoucí požadované tkáně. Rotační indentor se pohybuje po podložce se vzorky rovnoměrným pohybem a konstantním přítlakem, přičemž lze jednotlivé parametry pohybu a přítlaku během kultivace měnit a za30 znamenávat. Vzorky a podložka jsou uloženy v temperované vaničce. Konstrukční řešení odstraňuje některé nedostatky stávajících standardně užívaných zařízení.

Technické řešení se týká nové koncepce zařízení stimulujícího tkáň během růstu. Bioreaktor s rotačním indentorem pro funkční tkáňové inženýrství náhrad chrupavky a s kontinuálním doplňováním živin představuje třífázové zařízení, ve kterém je řízená vnitřní atmosféra, dále je regu35 lován přívod živin a v neposlední řadě dochází k mechanickému stimulu rotačním indentorem kultivovaných buněk.

Navržené technické řešení zvyšuje svým uspořádáním účinnost mechanické stimulace tkáně. To spočívá hlavně v možném zatížení ve smyku za současně aplikovaného normálového přítlaku. Využitím dvou válců s pěti funkčními plochami umožňuje současně provádět kultivaci až 50 40 vzorků současně, což znamená ekonomický přínos a značnou úsporu Času.

Oproti jednodušším typům zařízení, které přestavuje výše uvedený systém „Flask představuje navrhované řešení ekonomicky a technicky náročnější zařízení, které je z pohledu technické náročnosti ovládání ve svém důsledku pro obsluhu pohodlnější. Celý systém je vybaven množstvím kontrolních řídicích prvků, které umožňují lépe sledovat děje uvnitř zařízení a přesnější nastave45 ní provozních parametrů. Oproti složitějším a speciálním systémům je vzájemné porovnání složitější v tom, že výše zmiňované systémy „HARV, STLV a RWPV“, jsou primárně určeny pro kultivaci jiných typů tkání než námi navržený bioreaktor. Nicméně lze předpokládat, že vzhledem ke konstrukci je výsledný mechanický efekt na mechanickou stimulaci nižší než u přímého kontaktu válce a tkáně.

-2CZ 21539 U1

Přehled obrázků na výkresech

Bioreaktor podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněn schematicky v axonometrickém pohledu systém mechanické stimulace, na obr. 2 je znázorněno v detailu uložení indentoru a na obr. 3 je znázorněno technické provedení pro částečný prokluz a úplné smýkání.

Příklady provedení t^hnického řešení

Zařízení, podle obr. 1 a 2, sestává z lineárního servomotoru 1, který je v homí Části připojen šrouby k podélným výztuhám 3 a na spodní ploše je připevněn ke komoře bioreaktoru. Na pohyblivou část lineárního servomotoru 1 je připevněn šrouby unášeč 2 rotačního indentoru 13 a k němu jsou připevněny pomocí šroubů 4 čtyři svislé stojiny 11, které jsou opatřeny podélnými drážkami pro kluzné vedení. Přičemž každý pár stojin 11 je vzájemně z důvodu tuhosti propojen spojovacím profilem 10. v němž jsou závity pro nastavovací šrouby 12 přítlaku. Podélné výztuhy 2 jsou připevněny ke spodnímu dílu kultivační nádoby 5. Spodní díl kultivační nádoby 5 je opatřen drážkou esovitého tvaru, pro průchod výhřevného média a je spojen s horním dílem 6 tak, aby nedocházelo k úniku vyhřívacího média. Spodní díl kultivační nádoby 5 je opatřen dále po obvodu drážkou pro odvod přebytečné výživy. Horní díl 6 kultivační nádoby 5 je členěn podélnými příčkami 2 a příčnou příčkou 14 na menší kultivační prostory. Uvnitř kultivačních prostor je podložka g z materiálu obdobných mechanických vlastnosti, jako jsou budoucí požadované tkáně, která je opatřena dírami pro uložení kultivačních vzorků 9 válcového tvaru. Po podložce 8 se zcela odvaluje, s částečným prokluzem nebo s úplným smýkáním rotační indentor 13, který je rotačně uložen ložisky 15 na ose IQ.

Na obr. 2 je znázorněn použitý systém přítlaku s odměřováním vyvozované síly. S osou 16 je pevně spojen a zajištěn maticí 17 snímač 18 napětí - tah/tlak. Na opačné straně snímače 18 je přišroubována opěrná miska 19 tlačné pružiny 22, jejíž součástí je i závěs tažné pružiny 21. Na opačné straně tlačné pružiny 22 se nachází závěs 20 tažné pružiny 21, který zároveň slouží i jako opěrná podložka pro tlačnou pružinu 22. Pohybováním Šroubem 12 nastávají celkem tři provozní režimy. Výchozí pozice - režim 1 znamená, že šroub 12 je v pozici, kdy je natažena tažná pružina 21 a indentor 13 není v kontaktu se vzorky 9. Režim Π. nastává tehdy, když šroub 12 je v takové pozici, kdy dochází ke kontaktu indentoru 13 s podložkou & a kultivačními vzorky 9. Velikost přítlaku je v tomto případě 0 až hodnota přítlaku vyvozená vlastní hmotností indentoru 13. Režim ΙΠ. nastává tehdy, když k přítlaku od indentoru 13 se připojí zatížení od deformace tlačné pružiny 22 vyvozené šroubem 12. Z důvodu symetrie zatěžování je nutné nastavit zatížení od Šroubů 12 v párové shodě a k tomu slouží údaje ze snímače 1£.

Na obr. 3 je znázorněno užití s brzděním nebo úplnou blokací indentoru 13. Brzdění indentoru 13 je realizováno dvojicí pásů 23, které jsou opásány ve vybráních mimo funkční plochy. Pásy 23 jsou na jedné straně pevně spojeny se spojovacím profilem 10 a na druhé straně jsou připevněny pomocí šroubů 25. matic 24. pojistných podložek 26 k obdélníkovému vahadlu 27. které je šroubově spojeno maticí 32 a šroubem 33 k táhlu 30. Užitím vahadla 27 s otočným uložením kolem šroubů 25 a 33 je zajištěno stejné tažné síly v pásech 23. Velikost tažné síly v pásech 23 je možné regulovat maticí 29 s podložkou IQ. Pro měření tažné síly v pásech 23 lze vložit snimač 18 mezi podložku 30 a spojovací profil IQ.

Rotační indentor 13 a součásti horní díl 6, podélné příčky 7 a indentor 13 přicházející do kontaktu s kultivovanou tkání jsou vyrobeny z antikorozního biokompatibilního materiálu. Ostatní komponenty jsou vyrobeny z antikorozní oceli. Kultivační část je o rozměrech 200 * 650 mm. Jednotlivé kultivační prostory jsou o velikosti 30 x 300 mm. Do každého z nich se vejde 5 kultivovaných vzorků 9. Celkem jich je tedy možné pěstovat až 50 najednou. Uložené vzorky 9 se skládají z matrice osazené kultivačními buňkami tkáně. Okolní prostor vedle vzorků je vyplněn podložkou 8, která je z materiálu obdobného kolagenu o specifickém chemickém složení, které zajišťuje odpovídající chemicko mechanické vlastnosti.

-3CZ 21539 U1

Kultivace probíhá tak, že za přesně stanovených biologicko-fyzikálních podmínek, jako je např. teplota, koncentrace živného roztoku a složení ochranné atmosféry, dochází k mechanické stimulaci vzorků 9 rotačním indentorem 13. Zařízení umožňuje kontinuální zatěžování nebo s uživatelsky definovanými pauzami mezi zatěžováním. Samotné nastavení přítlaku je voleno a nastavováno obsluhou. Každý z válců indentoru 13. lze nastavit na jiné parametry zatížení a tedy pro různé podmínky kultivace. Přítlak lze nastavit pomocí šroubů 12 a odměřováním pomocí snímače Hodnoty přítlaku lze během kultivace sledovat a zaznamenávat pomocí PC.

Průmyslová využitelnost

Bioreaktor pro funkční tkáňové inženýrství podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění zejména v tkáňovém inženýrství a medicíně. Současné trendy ukazují, že právě tímto směrem se ubírá výzkum a vývoj.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (5)

1. Bioreaktor pro funkční tkáňové inženýrství sestávající z hermeticky oddělené komory, ve které je umístěno zařízení pro mechanické zatěžování, zejména tkáňových náhrad chrupavky, vyznačující se tím, že zařízení je tvořeno kultivační nádobou (5) s podložkou (8) pro uložení kultivačních vzorků (9) a alespoň jedním přítlačným rotačním indentorem (13) připojeným k unášeči (2), přičemž unášeč (2) je uložen suvně vůči kultivační nádobě (5).

2. Bioreaktor podle nároku 1, vyznačující se tím, že je tvořen lineárním motorem (1), k jehož statoru je připojen spodní díl kultivační nádoby (5) a horní díl (6) kultivační nádoby (5) a k pohyblivé Části lineárního motoru (1) je připojen unášeč (2) s alespoň jedním rotačním indentorem (13) valivě uloženým na ose (16) posuvně uložené ve vertikálním směru ve vedení svislých stojin pro rovnoměrné cyklické zatěžování kultivačních vzorků (9) indentorem (13).

3. Bioreaktor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, žek ose (16) je připojena alespoň jedna nadlehčovací tažná pružina (21) a/nebo tlačná pružina (22), přičemž mezi osou (16) a pružinami (21,22) je vložen snímač (18) napětí.

4. Bioreaktor podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že kolem rotačního indentoru (13) je opásána dvojice brzdných pásů (23), připevněných ke spojovacímu profilu (10), přičemž k brzdným pásům (23) je připojeno vahadlo (27) pro zajištění symetrie tažné síly v pásech (23) pro nastavení odvalování, prokluzu nebo úplného smýkání indentoru (13) po podložce (8).

5. Bioreaktor podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že horní díl (6) kultivační nádoby (5) je členěn podélnými příčkami (7) a příčnou příčkou (14) na menší kultivační prostory pro podložku (8) s otvory pro kultivační vzorky (9), přičemž podložka (8) je z materiálu obdobných mechanických vlastností, jako jsou mechanické vlastnosti budoucí požadované tkáně pro zajištění stability a rovnoměrného rozložení zatížení na vzorcích (9).