DE102005049905A1

DE102005049905A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Gelenkersatzes

Info

Publication number: DE102005049905A1
Application number: DE102005049905A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. med. Jagodzinski; Christian Prof. Dr. med. Krettek
Original assignee: Medizinische Hochschule Hannover
Current assignee: Medizinische Hochschule Hannover
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2007-04-19
Also published as: EP1937325A1; US20090041826A1; WO2007045619A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gelenkersatzes, bei welchem ein vorzugsweise mit Zellen besiedelter Formkörper (2) aus einem festen und porösen Material und eine mit Zellen vermischte flüssige Substanz (3), insbesondere Kollagen, miteinander verbunden werden. Die Substanz (3) und der Formkörper werden zunächst in einem Behälter (6) übereinander geschichtet. Anschließend wird die flüssige Substanz (3) derart mit einem in Richtung des Formkörpers (2) wirkenden Druck und/oder Unterdruck beaufschlagt, dass eine Entwässerung und Verfestigung der flüssigen Substanz (3) erfolgt und dass sich die entwässerte und verfestigte Substanz (3) und der Formkörper (2) zu einem Zellkonstrukt miteinander verbinden. Durch die Kombination von Durck und Unterdruck werden die Zusammensetzung und die Festigkeit des Zellkonstruktes kontrolliert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gelenkersatzes aus einem vorzugsweise mit Zellen besiedelten Formkörper aus einem festen porösen Material und einer mit Zellen vermischten flüssigen Substanz, insbesondere Kollagen.

Durch Verletzungen, Tumoren und Infektionen sowie nach der Implantation von Prothesen in den menschlichen Körper entstehen Defekte, welche bisher ausschließlich durch körpereigenes, durch körperfremdes oder aber durch ein künstlich erzeugtes Gewebe aufgefüllt werden. Ziel des so genannten "Tissue Engineering" ist die Kultivierung von Zellen auf geeigneten Trägersubstanzen außerhalb des menschlichen Körpers. Für die Zellkultur sind Verfahren erforderlich, die die Kulturbedingungen herstellen, bei welchen sich die Zellen ausreichend vermehren und sich zu einem bestimmten und gewünschten Zelltyp und einem Gewebeverbund entwickeln. Bioreaktoren zur Durchführung eines derartigen Verfahrens sind beispielsweise aus DE 102 01 259 A1 bekannt. Bei diesen Bioreaktoren werden zwei- bzw. dreidimensionale Zellkulturen durch einen kontinuierlichen Durchfluss mit einem Nährmedium kultiviert. Hierdurch lassen sich einfache Gewebe, wie beispielsweise Hautzellen, erfolgreich anzüchten. Die Erzeugung eines funktionellen und belastbaren Gewebes, beispielsweise eines Gelenkersatzes, gelingt mittels dieser Verfahren nicht bzw. unvollständig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch welches ein Gelenkersatz mit einem funktionellen und belastbaren Gewebe hergestellt werden kann. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels welcher ein Gelenkersatz mit einem funktionellen und belastbaren Gewebe erzeugt werden kann.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist den Unteransprüchen 2 bis 13 zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Herstellung eines Gelenkersatzes vorgesehen, bei welchem ein vorzugsweise mit Zellen besiedelter Formkörper aus einem festen und porösen Material und eine mit Zellen vermischte flüssige Substanz, insbesondere Kollagen, in einem Behälter übereinander geschichtet werden und die flüssige Substanz anschließend derart mit einem in Richtung des Formkörpers wirkenden Druck und/oder Unterdruck beaufschlagt wird, dass eine Entwässerung und Verfestigung der flüssigen Substanz erfolgt und dass sich die entwässerte und verfestigende Substanz und der Formkörper zu einem Zellkonstrukt miteinander verbinden. Durch die Anwendung von Druck wird der flüssigen Substanz Flüssigkeit, insbesondere enthaltenes Wasser, entzogen und die Substanz verfestigt sich. Durch den Unterdruck entsteht ein Sog, welcher flüssige und sich bereits verfestigte Bestandteile der Substanz in den porösen Formkörper eingesaugt, wodurch wiederum eine besonders feste Verbindung zwischen der Substanz und dem Formkörper hergestellt wird. Durch die Kombination von Druck und Unterdruck werden die Zusammensetzung und die Festigkeit des Zellkonstruktes kontrolliert und ein funktionelles und belastbares Gewebe erzeugt. Hierdurch ergibt sich ein Zellkonstrukt mit einer hohen mechanischen Belastbarkeit bei gleichmäßig verteilten Zellen.

Vorteilhafterweise wird der Formkörper bereits vor der Anordnung in dem Behälter derart bearbeitet, dass er im Wesentlichen der Form, Gestalt und Größe des zu ersetzenden Gelenkes entspricht. Hierdurch muss der Gelenkersatz nach der Herstellung nicht mehr nach Patientenvorgaben mechanisch bearbeitet werden, wodurch Beschädigungen und Verunreinigungen des Zellkonstruktes bzw. des Gewebes reduziert werden können.

Dabei erweist es sich als besonders zweckmäßig, dass der Formkörper, eine den Formkörper zumindest teilweise aufnehmende Halterung und die flüssige Substanz durch eine Öffnung derart in den Behälter eingeführt werden, dass die flüssige Substanz und der Formkörper übereinander geschichtet sind. Vorteilhafterweise wird zunächst der in der Halterung eingebettete Formkörper durch die Öffnung in den Behälter eingebracht, so dass die flüssige Substanz anschließend durch die Öffnung in den Behälter eingegossen werden kann. Durch diese Öffnung kann das Zellkonstrukt im Anschluss auch wieder problemlos entnommen werden, ohne den Behälter dabei zu beschädigen oder zu zerstören.

Hierbei erweist es sich als besonders praxisnah, dass ein im Behälter angeordneter Druckstempel derart relativ zu dem im Behälter angeordneten Formkörper verschoben wird, dass die zwischen dem Druckstempel und dem Formkörper angeordnete flüssige Substanz mit dem Druck beaufschlagt wird. Der Druckstempel wird in die Öffnung des Behälters eingeführt und während des Verschiebens durch die Behälterwand geführt. Durch das Verschieben des Kolbens relativ zum Formkörper besteht die Möglichkeit, immer den Druck auf die flüssige Substanz einwirken zu lassen, welcher für die Entwässerung erforderlich ist. Da das Volumen der Substanz durch die Entwässerung reduziert wird, ist es erforderlich den Druckstempel während des Verfahrens kontinuierlich oder schrittweise in Richtung des Formkörpers zu bewegen.

Dadurch dass die aus der flüssigen Substanz austretende Flüssigkeit, insbesondere Wasser, ausschließlich durch den Formkörper hindurch geleitet wird, wird erreicht, dass feste Bestandteile der Substanz, sowie in der Substanz enthaltene Zellen mit der Flüssigkeit in das Innere des porösen Formkörpers hineingeschwemmt werden. Hierdurch werden die Zellen gleichmäßig über den Formkörper verteilt und eine feste Verbindung zwischen dem Formkörper und der Substanz erzeugt.

Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass durch eine auf einer der flüssigen Substanz abgewandten Seite des Formkörpers angeordnete Membran feste Bestandteile der Substanz zurückgehalten und flüssige Bestandteile durchgelassen werden. Diese flüssigkeitspermeable Membran verhindert ein Ausschwemmen von festen und zellbesiedelten Bestandteilen der Substanz bzw. des Formkörpers während des Ableitens der nicht mehr benötigten Flüssigkeit.

Eine besonders feste Verbindung zwischen Formkörper und Substanz wird auch dadurch erreicht, dass die entwässerte und sich verfestigende Substanz durch den mittels des Druckstempels erzeugten Druck zumindest teilweise in den Formkörper hineingedrückt wird und sich dadurch mit dem Formkörper verbindet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass eine dem Formkörper abgewandte Oberfläche der sich verfestigenden Substanz durch eine dem Druckstempel zugeordnete dreidimensionale Struktur derart verformt wird, dass die Oberfläche der sich verfestigten Substanz im Wesentlichen der Form und Gestalt der zu ersetzenden Gelenkoberfläche entspricht. Hierdurch kann der hergestellte Gelenkersatz ohne anschließende mechanische Bearbeitung in den menschlichen Körper implantiert werden. Die dreidimensionale Struktur wird vor der Durchführung des Verfahrens nach Patientenvorgaben für jeden einzelnen Gelenkersatz individuell angefertigt.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der auf die flüssige Substanz wirkende Unterdruck durch ein formkörperseitig angeordnetes, einstellbares Vakuum erzeugt. Durch ein Vakuum in unmittelbarer Nachbarschaft des Formkörpers entsteht ein Sog, durch welchen ein in Richtung des Formkörpers gerichteter Unterdruck in der flüssigen Substanz erzeugt wird.

Zweckmäßigerweise wird das Vakuum mittels einer mit einer Hohlkammer verbundenen Unterdruckeinrichtung erzeugt. Hierdurch lässt sich der Unterdruck je nach Einsatzfall variieren und an die jeweiligen Gegebenheiten anpassen.

Eine andere besonders zweckmäßige Variante des vorliegenden Verfahrens wird auch dadurch erreicht, dass das Zellkonstrukt anschließend mit einer oder mehreren Flüssigkeiten, insbesondere Nährmedien, versorgt wird, welche das Zellkonstrukt zumindest teilweise überströmen oder/und durchströmen. Das Zellkonstrukt wird dabei kontinuierlich über wenigstens eine oder mehrere voneinander abgetrennte Leitungen mit einem oder verschiedenen Nährmedien durch- bzw. überströmt. Diese Nährmedien können an unterschiedlichen Stellen des Zellkonstruktes in Kontakt mit den Zellen gelangen, um eine Veränderung des Zelltyps und somit der Gewebeart zu erzeugen. Es können in einer Zellkultur aus dem gleichen Zelltyp unterschiedliche Zellarten erzeugt werden, die nebeneinander wachsen und sich gegenseitig beeinflussen. Die Eigenschaften dieser Nährmedien können mit geeigneten Messsonden überwacht und gesteuert werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Zellkonstrukt mit einem zyklisch veränderbaren hydraulischen Druck beaufschlagt. Durch den hydraulischen Druck wird in dem Zellkonstrukt eine Steigerung der Zellzahl und der Zellmatrixerzeugung erreicht. Dabei kann je nach Stärke und Wiederholungszahl des hydraulischen Drucks die Gewebeeigenschaft verändert werden. Hierbei wird das in dem Behälter angeordnete Zellkonstrukt mit einem Pumpensystem verbunden, welches einen oder mehrere Kreisläufe versorgt, die unabhängig voneinander zyklischen hydraulischen Druck auf das Zellkultursystem übertragen. Dabei können verschiedene Arten von Schwingungen, beispielsweise sinus- oder sägezahnförmige Schwingungen, erzeugt werden, wobei die Geschwindigkeit, Größe und Schwingungsform eingestellt und die Kraftübertragung auf das Zellkonstrukt bzw. das Gewebe durch einen Sensor überwacht werden.

Dagegen wird durch eine weitere Abwandlung des Verfahrens eine Möglichkeit geschaffen, dass das Zellkonstrukt mit einem zyklisch veränderbaren mechanischen Zug und/oder Druck und/oder Scherkräften beaufschlagt wird. Diese Zug-, Druck- und Scherkräfte erzeugen einer Veränderung der Ausrichtung der Zellen, wobei sich die Art und Richtung der Zellen in Abhängigkeit von der Dauer und Stärke der Stimulation ändert. Beispielsweise kann über einen oder mehrere Motoren eine zyklische Längenänderung des Zellkonstruktes erzeugt werden. Die auf das Zellkonstrukt übertragenden Kräfte können durch einen Zug-Drucksensor überwacht werden.

Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.

Die weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist den Unteransprüchen 15 bis 21 zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gelenkersatzes aus einem vorzugsweise mit Zellen besiedelten Formkörper aus einem festen porösen Material und einer mit Zellen vermischten flüssigen Substanz, insbesondere Kollagen, vorgesehen, wobei der in einer Halterung angeordnete Formkörper und die flüssige Substanz in einem Behälter übereinander geschichtet angeordnet sind und die flüssige Substanz zur Entwässerung und Verfestigung mit einem in Richtung des Formkörpers wirkenden Druck und/oder Unterdruck beaufschlagbar ist, wobei die Halterung zur Aufnahme des Formkörpers eine Durchbrechung aufweist und einen Bereich zwischen dem Formkörper und der Behälterwand flüssigkeitsdicht verschließt. Durch den Druck bzw. den Unterdruck wird die flüssige Substanz zunächst entwässert, wobei sich durch die Entwässerung die Substanz dann auch verfestigt. Gleichzeitig entsteht durch den Druck bzw. Unterdruck eine Verbindung zwischen dem porösen Formkörper und der entwässerten Substanz. Es wird ein funktionelles Gewebe erzeugt, welches eine hohe mechanische Belastbarkeit aufweist. Durch die flüssigkeitsdichte Halterung wird verhindert, dass die aus der Substanz austretende Flüssigkeit zwischen Formkörper und Behälterwand hindurch tritt. Die aus der Substanz austretende Flüssigkeit wird infolge des Druckes bzw. Unterdruckes durch den Formkörper hindurch und durch die Durchbrechung in der Halterung geleitet und abgeführt.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Vorrichtung wird auch dadurch geschaffen, dass die Halterung elastisch ausgebildet ist. Durch die elastische Ausbildung schmiegt sich die Halterung einerseits an den Formkörper und andererseits auch an die Behälterwand an. Hierdurch wird einerseits eine optimale Fixierung des Formkörpers realisiert und andererseits eine effektive Abdichtung des Bereiches zwischen der Halterung und der Behälterwand gewährleistet.

Dabei erweist es sich als besonders praxisnah, dass die Vorrichtung einen auf die Behälterquerschnittfläche abgestimmten verfahrbaren Druckstempel aufweist, welcher auf eine dem Formkörper abgewandte Oberfläche der flüssigen Substanz einwirkt. Zur Ausübung eines Drucks wird der Druckstempel in Richtung des Formkörpers bewegt, wobei die Behälterwand als Führung für den Druckstempel ausgebildet ist.

Dieser Erfindungsgedanke lässt sich dadurch ergänzen, dass der Druckstempel in dem auf die flüssige Substanz einwirkenden Bereich ein auf die Behälterquerschnittsfläche abgestimmtes Dichtungselement aufweist. Hierdurch wird verhindert, dass die aus der flüssigen Substanz austretende Flüssigkeit zwischen dem Druckstempel und der Behälterwand hindurch austreten kann.

In einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Dichtungselement in einem dem Formkörper zugewandten Bereich eine die Oberfläche des Gelenkersatzes formende dreidimensionale Struktur aufweist. Hierdurch kann die Oberfläche der entwässerten Substanz entsprechend der Patientenvorgaben geformt werden, so dass die Oberfläche der Substanz im Wesentlichen der Oberfläche des zu ersetzenden Gelenks entspricht.

Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass auf der der flüssigen Substanz abgewandten Seite des Formkörpers eine Hohlkammer angeordnet ist, welche einen Anschluss für eine Unterdruckeinrichtung aufweist. Diese Hohlkammer befindet sich beispielsweise unterhalb des Formkörpers und wird einerseits durch die Behälterwand und einen Behälterboden begrenzt und luftdicht abgeschlossen, so dass durch die angeschlossene Unterdruckeinrichtung in der Hohlkammer ein Vakuum erzeugt werden kann.

Um die Variabilität und die Effektivität der Vorrichtung zu verbessern, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Unterdruck in der Hohlkammer einstellbar ist.

Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass auf der der flüssigen Substanz abgewandten Seite des Formkörpers eine Membran angeordnet ist, welche den Austritt von Flüssigkeiten ermöglicht und den Austritt von festen Bestandteilen verhindert. Ein Ausschwemmen von festen und zellbesiedelten Bestandteilen der Substanz oder des Formkörpers wird durch diese flüssigkeitspermeable Membran erfolgreich verhindert.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung des Grundprinzips des Verfahrens und der Vorrichtung ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1, eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Gelenkersatzes mit einem Druckstempel in einer ersten Stellung;
2 eine Prinzipskizze der Vorrichtung aus 1 mit einem Druckstempel in einer zweiten Stellung;
3 eine prinzipielle Darstellung eines Bioreaktors zum Kultivieren von Zellen in einer ersten Ausführungsform;
4 eine prinzipielle Darstellung eines Bioreaktors zum Kultivieren von Zellen in einer zweiten Ausführungsform
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Gelenkersatzes aus einem mit Zellen besiedelten Formkörper 2 aus einem festen und porösen Material und einer mit Zellen besiedelten flüssigen Substanz 3, insbesondere aus Kollagen. Der Formkörper 2 ist in einer Durchbrechung 4 einer elastischen, beispielsweise aus Silikon bestehenden, Halterung 5 eingebettet und in einem Behälter 6 angeordnet. Der Formkörper 2 kann zusammen mit der Halterung 5 durch eine Öffnung 7 in den Behälter 6 eingeführt werden. Die flüssige Substanz 3 kann ebenfalls durch diese Öffnung 7 in den Behälter 6 eingefüllt werden und ist oberhalb des Formkörpers 2 bzw. der Halterung 5 angeordnet. Die Halterung 5 ist flüssigkeitsdicht ausgebildet, so dass ein Abfließen der flüssigen Substanz 3 aus dem Behälter 6 verhindert wird. Weiterhin weist die Vorrichtung 1 einen Druckstempel 8 auf, welcher durch die Öffnung 7 in den Behälter 6 eingeführt und durch den Behälter 6 bzw. die Behälterwand 9 verschiebbar geführt ist. In einem dem Formkörper 2 zugewandten Bereich weist der Druckstempel 8 ein Dichtungselement 10 mit einer dreidimensionalen Struktur 11 auf.
Auf einer der flüssigen Substanz 3 abgewandten Seite des Formkörpers 2 ist eine flüssigkeitspermeable Membran 12 angeordnet, welche ein Austreten von Flüssigkeit ermöglicht, aber ein Austreten von in der Flüssigkeit befindlichen festen Bestandteilen der Substanz 3 oder des Formkörpers 2 verhindert. Außerdem weist der Behälter 6 im der Öffnung 7 abgewandten Bereich eine Hohlkammer 13 auf, welche von einem Behälterboden 14 und der Behälterwand 9 begrenzt und luftdicht verschlossen wird. Diese Hohlkammer 13 weist einen Anschluss 15 für eine nicht dargestellte Unterdruckeinrichtung auf, mittels welcher in der Hohlkammer 13 ein Vakuum erzeugt werden kann.
Zu Beginn der Herstellung eines Gelenkersatzes befindet sich der Druckstempel 8 in der in 1 dargestellten ersten, oberen Stellung. Durch eine Bewegung des Druckstempels 8 in Vorschubrichtung (Pfeil 16) wird ein Druck auf die flüssige Substanz 3 ausgeübt. Dieser Druck führt dazu, dass in der flüssigen Substanz 3 enthaltene Flüssigkeit, insbesondere Wasser, aus dieser austritt. Gleichzeitig wird mittels der Unterdruckeinrichtung in der Hohlkammer 13 ein Vakuum erzeugt, durch welches ein Sog entsteht, welcher dafür sorgt, dass die aus der Substanz 3 austretende Flüssigkeit durch den Formkörper 2 eingesaugt wird. Der Druckstempel 8 wird kontinuierlich in die in 2 dargestellte zweite, untere Stellung überführt. Das am Druckstempel 8 angeordnete Dichtungselement 10 verhindert ein Austreten der Flüssigkeit durch den Bereich zwischen Druckstempel 8 und Behälterwand 9. Mittels der dreidimensionalen Struktur 11, welche beispielsweise, wie die Halterung 5, auch aus Silikon besteht, wird die sich bereits verfestigte Substanz 3 derart geformt, dass die Oberfläche in etwa der Oberfläche des Gelenkes entspricht, welches durch den Gelenkersatz ersetzt werden soll. Die sich verfestigende Substanz 3 wird durch den Druck des Druckstempels 8 in die offenen Poren des Formkörpers 2 hineingedrückt, wodurch eine besonders feste Verbindung zwischen der Substanz 3 und dem Formkörper 2 entsteht. Die entwässerte und sich verfestigte Substanz 3 weist gegenüber dem Formkörper 2 eine wesentlich höhere mechanische Belastbarkeit auf.
Anschließend wird das derart hergestellte, aus Formkörper 2 und sich verfestigter Substanz 3 bestehende, Zellkonstrukt 17 mit einem oder verschiedenen unterschiedlichen Nährmedien durch- bzw. überströmt. Gleichzeitig wird das Zellkonstrukt 17 einem zyklischen hydraulischen Druck und/oder mechanischen Druck- oder/und Zug- oder/und Scherkräften ausgesetzt.
3 zeigt eine erste Ausführungsform eines Bioreaktors 18 zur Kultivierung von Zellen auf dem Zellkonstrukt 17. Der Bioreaktor 18 weist ein Behältnis 19 auf, welches mittels zwei Dichtscheiben 20, 21 flüssigkeitsdicht verschlossen ist. Das zu kultivierende Zellkonstrukt 17 befindet sich in einem in dem Behältnis 19 angeordneten Führungsrohr 22. In diesem Führungsrohr 22 sind zwei hohlförmig ausgebildete Stempel 23, 24 in einem Abstand a zueinander angeordnet, wobei das Zellkonstrukt 17 genau zwischen diesen beiden Stempel 23, 24 angeordnet ist. Der erste Stempel 23 ist fest und am Bioreaktor 18 bzw. der Dichtscheibe 21 fixiert. Der zweite Stempel 24 ist mittels einer Hohlwelle 25 und einem elastisches Element 26 mit einem vorzugsweise elektromagnetischen Motor 27 verbunden, dessen Achse 28 verschleißfrei gelagert ist. Der Betrieb des Motors 27 führt dazu, dass sich der zweite Stempel 24 relativ zum ersten Stempel 23 in dem Führungsrohr 22 verschiebt, wodurch der Abstand a zwischen den beiden Stempeln 23, 24 zyklisch verkürzt oder verlängert wird. Hierdurch wird das zwischen den beiden Stempeln 23, 24 angeordnete Zellkonstrukt 17 zyklischen Druckkräften ausgesetzt. Gleichzeitig wird das Zellkonstrukt 17 mittels eines Nährmediums durchströmt. Für den Eintritt des Nährmediums in das Innere des Führungsrohres 22 weist der Bioreaktor 18 eine erste als Steckverbindung ausgebildete Zuflusseinrichtung 29 auf. Das Nährmedium wird durch das Innere der Hohlwelle 25 und den hohl ausgebildeten zweiten Stempel 24 zum Zellkonstrukt 17 sowie durch das Zellkonstrukt 17 und den hohl ausgebildeten ersten Stempel 23 hindurch zu einer ersten als Steckverbindung ausgebildeten Abflusseinrichtung 30 geleitet. Weiterhin besteht die Möglichkeit das Zellkonstrukt 17 über weiter Zuflusseinrichtungen 31, 32 und Abflusseinrichtungen 33, 34 mit weiteren Nährmedien zu versorgen.
Eine zweite Ausführungsform eines Bioreaktors 18 ist in 2 dargestellt. Hierbei ist das aus der sich verfestigten Substanz 3 und dem Formkörper 2 bestehende Zellkonstrukt 17 ebenfalls zwischen zwei Stempeln 23 und 24 angeordnet. Die sich verfestigte Substanz 3 wird über den zweiten Stempel 24 mit einem Nährmedium versorgt. Hierbei wird das Nährmedium durch einen Hohlkanal 35 in eine Kontaktplatte 36 des Stempels 24 geführt. Diese Kontaktplatte 36 liegt an der sich verfestigten Substanz 3 an, so dass das durch die Kontaktplatte 36 geführte Nährmedium die Substanz 3 überströmt. Anschließend wird das Nährmedium durch einen zweiten Hohlkanal 37 zu einer Abflusseinrichtung 38 geführt und von hier zu den Abflusseinrichtungen 33, 34 oder den Zuflusseinrichtungen 31, 32 des Bioreaktors 18 geleitet. Der Formkörper 2 des Zellkonstruktes 17 dagegen wird über einen in dem ersten Stempel 23 angeordneten Hohlkanal 39 mit einem anderen Nährmedium versorgt. Hierbei wird das Nährmedium durch die am Formkörper 2 anliegende Kontaktplatte 40 hindurch in den Formkörper 2 geleitet, durchströmt diesen und tritt dann durch die Abflusseinrichtungen 41, 42 wieder aus.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gelenkersatzes, bei welchem ein vorzugsweise mit Zellen besiedelter Formkörper (2) aus einem festen und porösen Material und eine mit Zellen vermischte flüssige Substanz (3), insbesondere Kollagen, in einem Behälter (6) übereinander geschichtet werden und die flüssige Substanz (3) anschließend derart mit einem in Richtung des Formkörpers (2) wirkenden Druck und/oder Unterdruck beaufschlagt wird, dass eine Entwässerung und Verfestigung der flüssigen Substanz (3) erfolgt und dass sich die entwässerte und verfestigte Substanz (3) und der Formkörper (2) zu einem Zellkonstrukt (17) miteinander verbinden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (2) vor der Anordnung in dem Behälter (6) derart bearbeitet wird, dass er im Wesentlichen der Form, Gestalt und Größe des zu ersetzenden Gelenkes entspricht.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (2), eine den Formkörper (2) zumindest teilweise aufnehmende Halterung (5) und die flüssige Substanz (3) durch eine Öffnung (7) derart in den Behälter (6) eingeführt werden, dass die flüssige Substanz (3) und der Formkörper (2) übereinander geschichtet sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Behälter (5) angeordneter Druckstempel (8) derart relativ zu dem im Behälter (6) angeordneten Formkörper (2) verschoben wird, dass die zwischen dem Druckstempel (8) und dem Formkörper (2) angeordnete flüssige Substanz (3) mit dem Druck beaufschlagt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der flüssigen Substanz (3) austretende Flüssigkeit, insbesondere Wasser, ausschließlich durch den Formkörper (2) hindurch geleitet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine auf einer der flüssigen Substanz (3) abgewandten Seite des Formkörpers (2) angeordnete Membran (12) feste Bestandteile der Substanz (3) zurückgehalten und flüssige Bestandteile durchgelassen werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die entwässerte und sich verfestigende Substanz (3) durch den mittels des Druckstempels (8) erzeugten Druck zumindest teilweise in den Formkörper (2) hineingedrückt wird und sich mit dem Formkörper (2) verbindet.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Formkörper (2) abgewandte Oberfläche der sich verfestigenden Substanz (3) durch eine dem Druckstempel (8) zugeordnete dreidimensionale Struktur (11) derart verformt wird, dass die Oberfläche der sich verfestigendem Substanz (3) im Wesentlichen der Form und Gestalt der zu ersetzenden Gelenkoberfläche entspricht.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die flüssige Substanz (3) wirkende Unterdruck durch ein formkörperseitig angeordnetes, einstellbares Vakuum erzeugt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum mittels einer mit einer Hohlkammer (13) verbundenen Unterdruckeinrichtung erzeugt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Zellkonstrukt (17) anschließend mit einer oder mehreren Flüssigkeiten, insbesondere Nährmedien, versorgt wird, welche das Zellkonstrukt (17) zumindest teilweise überströmen oder/und durchströmen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellkonstrukt (17) mit einem zyklisch veränderbaren hydraulischen Druck beaufschlagt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellkonstrukt (17) mit einem zyklisch veränderbaren mechanischen Zug und/oder Druck und/oder Scherkräften beaufschlagt wird.
Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Gelenkersatzes aus einem vorzugsweise mit Zellen besiedelten Formkörper (2) aus einem festen porösen Material und einer mit Zellen vermischten flüssigen Substanz (3), insbesondere Kollagen, wobei der in einer Halterung (5) angeordnete Formkörper (2) und die flüssige Substanz (3) in einem Behälter (6) übereinander geschichtet angeordnet sind und die flüssige Substanz (3) zur Entwässerung und Verfestigung mit einem in Richtung des Formkörpers (2) wirkenden Druck und/oder Unterdruck beaufschlagbar ist, wobei die Halterung (5) zur Aufnahme des Formkörpers (2) eine Durchbrechung (4) aufweist und einen Bereich zwischen dem Formkörper (2) und der Behälterwand (9) flüssigkeitsdicht verschließt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (15) elastisch ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 14 oder 15, gekennzeichnet durch, durch einen auf eine Behälterquerschnittfläche abgestimmten verfahrbaren Druckstempel (8), welcher auf eine dem Formkörper (2) abgewandte Oberfläche der flüssigen Substanz (3) einwirkt.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstempel (8) in dem auf die flüssige Substanz (3) einwirkenden Bereich einen auf die Behälterquerschnittsfläche abgestimmtes Dichtungselement (10) aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (10) in einem dem Formkörper (2) zugewandten Bereich eine die Oberfläche des Gelenkersatzes formende dreidimensionale Struktur (11) aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der flüssigen Substanz (3) abgewandten Seite des Formkörpers (2) eine Hohlkammer (13) angeordnet ist, welche einen Anschluss (15) für eine Unterdruckeinrichtung aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterdruck in der Hohlkammer (13) einstellbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der flüssigen Substanz (3) abgewandten Seite des Formkörpers (2) eine Membran (12) angeordnet ist, welche den Austritt von Flüssigkeiten ermöglicht und den Austritt von festen Bestandteilen verhindert.