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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen und/oder mechanischen Stimulation von Gewebeproben, insbesondere Knorpelgewebeproben.
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Die Regenerationsfähigkeit von hyalinem Knorpel ist aufgrund der geringen Zellzahl und Avaskularität stark eingeschränkt. Eine Beschädigung der Knorpeloberfläche, verursacht durch z.B. Traumata, Osteochondris dissecans und Degeneration, beeinflusst die Biomechanik signifikant, wodurch es zur Entstehung von Osteoarthrose kommt. Bisher existiert noch keine erfolgreiche Therapie, um Osteoarthrose aufzuhalten bzw. den Ausgangszustand wiederherzustellen. Neben konservativen Therapiemöglichkeiten nehmen regenerative Verfahren, wie die autologe Knorpelzelltransplantation, einen hohen Stellenwert in der Behandlung von Knorpeldefekten ein. Jedoch sind diese durch die Bildung von minderwertigem Misch- bzw. Faserknorpel limitiert. Die Hauptursache hierfür sind die fehlenden physiologischen mechanischen und elektrischen Stimulationen, welche für die Gewebehomöostase essentiell sind. Belastungen und Bewegungen bewirken in Geweben einen Flüssigkeitsstrom, welche Dehnungs- und Diffusions-abhängige elektrische Potentiale im Gewebe erzeugen und den Knorpelstoffwechsel stimulieren. Es ist bisher bekannt, dass biophysikalische Reize durch elektrische und mechanische Stimulation den Aufbau von Knochen- und Knorpelgewebe positiv beeinflussen.
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Die Druckschrift
US8367410B2 betrifft ein Anordnung für die Entwicklung von bioartifiziellen Geweben in vitro und ihre Integration mit Spendergeweben nach der Implantation in vivo. Es werden Strategien offenbart, die (a) die Bildung von dreidimensionalen Tissue-Engineering-Konstrukten mit strukturellen und funktionellen Eigenschaften eines nativen Gewebes ermöglichen und (b) die Integration von stimuliertem Gewebe nach der Implantation in das Nativgewebe verbessern. Die Erfindung stellt ferner dreidimensionale Tissue-Engineering-Konstrukte bereit, die als bioartifizielle Gewebeäquivalente für die In-vitro-Forschung und / oder als medizinische Implantate für die Reparatur und den Ersatz von defekten oder beschädigten natürlichen Strukturen verwendet werden können.
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In der Druckschrift
WO2013185818 (A1 ) ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Stimulieren von Zellkulturen offenbart. Insbesondere betrifft die Offenbarung Vorrichtungen und Verfahren zur elektromechanischen Stimulation von Zellkulturen von Knorpel- bzw. Stammzell-Monokulturen und 3D-Kulturen für Tissue-Engineering-Anwendungen. Hierfür wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, um eine Stimulationsvorrichtung mechanisch zu deformieren, um damit eine mechanische Stimulation zu induzieren. Zusätzlich erzeugt ein Paar von Elektroden, die an zwei gegenüberliegenden Seiten des flexiblen Bereichs angeordnet sind, ein elektrisches Feld, um eine elektrische Stimulation zu induzieren. Die mechanische Stimulation wird durch die Kraft eines Magnetfelds eines freien Magneten erreicht. Eine Schwellenkraft des Magneten wird überschritten, die sich auf die elastische Verformung des flexiblen Zellkulturpools der Vorrichtung bezieht, wodurch sich das flexible Zellkulturbecken zu verformen beginnt. Während einer solchen Verformung wird die Vorrichtung verlängert und die resultierende mechanische Stimulation auf die Zellkultur angewendet. Diese Verformung setzt sich fort, bis der freie Magnet ausreichend von einem zweiten eingebetteten Magneten entfernt ist, so dass die Kraft seines Magnetfelds unter der Schwellenkraft liegt, die erforderlich ist, um den flexiblen Zellkulturpool zu verformen.
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Für die Therapie von Knorpeldefekten mittels einer optimierten ex vivo-Kultivierung sind bisher keine geeigneten Vorrichtungen zur kombinierten elektrischen und mechanisch Stimulation bekannt.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Vorrichtung zur elektrischen und/oder mechanischen Stimulation von Proben, insbesondere von Gewebeproben bereitzustellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, in einer in vitro Umgebung die Regeneration von Zellen mittels mechanischer Belastung und elektromagnetischer Felder und induzierter Ströme zu stimulieren und hierfür eine zum Stand der Technik alternative Vorrichtung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur elektrischen und/oder mechanischen Stimulation von Gewebeproben, wobei eine Gewebeprobe bevorzugt ein Knorpelgewebe und/oder Knorpelersatzmaterial ist, wobei die Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen folgende Komponenten aufweist: eine Elektrodenanordnung, eine Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen, wobei die Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen eine Aktuatoranordnung aufweist und eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Elektrodenanordnung und der Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen. Die Steuereinheit ist dafür ausgebildet mittels der Elektrodenanordnung eine elektrische Stimulation in zumindest einer Gewebeprobe zu steuern, und mittels der Aktuatoranordnung, welche mit der Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen mechanisch verbunden ist, eine mechanische Stimulation in der zumindest einen Gewebeprobe zu steuern.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die Aktuatoranordnung zumindest einen mechanischen Aktor auf. Aktoren setzen elektrische Signale (beispielsweise von der Steuereinheit ausgehende Befehle) in mechanische Bewegung um und greifen damit aktiv in den Prozess ein. Die mechanische Bewegung kann durch Schrittmotoren mit einer Gewindestange, Linearantriebe, ein Piezoelement oder vergleichbaren mechanischen Aktoren erzeugt werden. Die mechanische Belastung der Gewebeprobe erfolgt bevorzugt in Form von einer Normalkraft, beispielsweise Druck, und/oder Scherkraft.
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Bevorzugt weist die Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen einen Stempel auf, mit welchem die mechanische Stimulation in Form einer mechanischen Belastung auf die Probe übertragen wird.
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Bevorzugt ist der Stempel für die mechanische Stimulation in mindestens einer der drei Achsen (x, y, z) beweglich gelagert. Diese ermöglicht unter anderem eine mechanische Belastung in Form einer Normalkraft durch die Bewegung des Stempels in der z-Achse und/oder in Form von Scherung durch die Relativbewegung zwischen Stempel und der Probe in der x- und/oder y-Achse.
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Weiterhin ist eine zyklische, aber auch eine azyklische mechanische Belastung der Gewebeprobe möglich. Je nach Erfordernis kann die zyklische oder azyklische mechanische Stimulation von der Steuereinheit mittels der Aktuatorvorrichtung gesteuert werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Probenträger zur Aufnahme der Gewebeprobe auf. Auch die Aufnahme eines Kultivierungsmediums/Nährmediums, in welchem die Gewebeprobe kultiviert wird, ist denkbar. Bevorzugt weist der Probenträger eine mechanische Verbindung zur Aktuatoranordnung auf. Es ist hierdurch möglich den Probenträger mit mechanischen Aktoren zu bewegen und eine mechanische Stimulation zu erzeugen. Es wird dadurch bewirkt wird, dass eine mechanische Stimulation der Gewebeprobe mittels des Stempels und/oder mittels des Probenträgers erfolgt. Weiterhin bevorzugt ist der Probenträger für die mechanische Stimulation in mindestens einer der drei Achsen (x, y, z) beweglich gelagert. Hierbei kann die mindestens eine Achse, in welcher der Probenträger beweglich gelagert ist, verschieden sein von der mindestens einen Achse, in welcher der Stempel beweglich gelagert ist.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die Vorrichtung eine Sensoreinheit auf, welche mit der Steuereinheit elektrisch verbunden ist. Die Sensoreinheit weist zumindest einen Sensor auf, beispielsweise einen Kraftsensor. Dieser kann die mechanische Belastung, welche auf die Gewebeprobe wirkt, erfassen und der Steuereinheit zur Verfügung stellen. Mittels eines Regelkreises kann die mechanische Belastung abhängig vom Ergebnis der Sensoreinheit, insbesondere des Kraftsensors, gesteuert werden. Bevorzugt befindet sich die Sensoranordnung, insbesondere der Kraftsensor im Stempel, besonders bevorzugt befindet sich der Kraftsensor im Stempelkörper. Andere Orte der Vorrichtung, an denen es sinnvoll ist, die Steuereinheit, insbesondere Sensoren anzuordnen, sind denkbar. So ist die Integration weiterer Sensoren, wie beispielsweise Impedanz-, pH-Wert-, Temperatur- und Feuchtesensoren sowie verschiedene Arten von elektrochemischen Sensoren, denkbar.
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Die Elektrodenanordnung der Vorrichtung weist gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen zumindest zwei Elektroden auf. Mittels der zwei Elektroden wird/werden ein elektromagnetisches Feld in der Gewebeprobe erzeugt und/oder Ströme, beispielsweise Wechselströme, in der Gewebeprobe induziert, welches die Gewebeprobe elektrisch stimuliert. Eine Anordnung weiterer Elektroden ist denkbar. Bevorzugt sind die zumindest zwei Elektroden der Elektrodenanordnung im Stempel und/oder im Probenträger angeordnet. Eine Anordnung mindestens einer Elektrode im Stempelkopf und mindestens einer Elektrode im Probenträger bewirkt eine möglichst ortsgenaue Applizierung des elektromagnetischen Feldes bzw. der induzierten Ströme in der Gewebeprobe. Eine Anordnung einer Elektrode derart am Stempelkopf bzw. an der Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen und/oder am Probenträger, dass diese Elektrode die Gewebeprobe direkt berührt (ohne eine isolierende Schicht zwischen Elektrode und Gewebeprobe) ist ebenfalls denkbar.
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Mittels der Steuereinheit erfolgt eine dynamische Ansteuerung der Elektrodenanordnung, um eine Positionsänderung der Elektrodenanordnung zu kompensieren.
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Die Steuereinheit dient einer Ansteuerung der Elektrodenanordnung, wobei die Steuereinheit dafür ausgebildet ist, mittels der Elektrodenanordnung, eine Stimulation bestimmter Bereiche in der Gewebeprobe zu steuern. Die Steuereinheit kann beispielsweise ein Mikrocontroller sein. Mittels eines Computerprogramms ist die Steuereinheit in der Lage die Elektrodenanordnung derart anzusteuern, dass die Gewebeprobe, beispielsweise das Knorpelgewebe oder ein Knorpelersatzgewebe, stimuliert wird. Das Computerprogramm kann vom Benutzer eingestellt werden, so dass, beispielsweise vom Befund und vom Zustand der Gewebeprobe, beispielsweise des Knorpelgewebes, die Ansteuerung der Elektroden geändert werden kann. Das Computerprogramm kann jedoch auch in Abhängigkeit von Parametern arbeiten und anhand dieser Parameter die Stimulation der Elektroden steuern. Diese Parameter können durch die Sensoreinheit erfasst und mittels der Steuereinheit verarbeitet werden. Das Computerprogramm verarbeitet die Parameter und generiert automatisch eine Ansteuerung der Elektroden. Hierdurch ist u.a. ein Ausgleich einer eventuellen Abstandsänderung der Elektroden zueinander und/oder zur Gewebeprobe, welche infolge der mechanischen Stimulation auftreten kann, möglich.
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Die Steuereinheit ist ferner derart eingerichtet, dass die Steuereinheit Signale für die Ansteuerung der Elektrodenanordnung bereitstellt, wobei die Steuereinheit derart eingerichtet ist, dass diese Signale mit verschiedenen Signalformen, mit verschiedenen Frequenzen und/oder Überlagerungen von Wechselstrom-Anteilen und/oder einem Gleichstrom-Anteil bereitstellt. Denkbar sind hier Signalformen wie beispielsweise Sinussignale, Rechtecksignale, Dreiecksignale und weitere. Jedoch sind auch angepasste Signalformen denkbar. Angepasste Signalformen können für die Stimulation von Gewebe, insbesondere Knorpelgewebe und Knorpelersatzmaterialien, sowie für eine positive Beeinflussung des Aufbaus von Knorpelgewebe, von Vorteil sein. Die Frequenz kann einstellbar sein, so dass Größenordnungen bis in den MHz-Bereich erreicht werden können. Neben einer Wechselspannung (AC) soll auch Gleichspannung (DC) angewendet werden, um eine stromgesteuerte Stimulation zu ermöglichen. Eine Mischform von AC und DC ist vorstellbar. Besonders geeignet für die Stimulation von Knorpelgewebe ist jedoch Wechselspannung (AC). Für die Stimulation von Knorpelgewebe sind besonders Signale mit höherer Frequenz geeignet, da im Knorpelgewebe, im Gegensatz zum Knochengewebe, bei einer Stimulation mit höherer Frequenz die Knorpelzellen im richtigen Phänotyp differenzieren und knorpelspezifische Matrix bilden, was zur Regeneration des Defekts bzw. der Läsion mit hyalinem Knorpel führt.
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Weiterhin ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, verschiedenen Elektroden der mehreren Elektroden der Elektrodenanordnung Signale zuzuordnen und/oder den mehreren Elektroden der Elektrodenanordnung verschiedene Signale zur Ansteuerung zuzuordnen.
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Bevorzugt weist die Steuereinheit mehrere Untersteuereinheiten auf. Die mehreren Untersteuereinheiten können derart miteinander verbunden sein, dass diese zur Ansteuerung der Elektrodenanordnung miteinander kommunizieren. Hierfür ist eine Verbindung mittels Kabel aber auch eine drahtlose Verbindung denkbar. Die Untersteuereinheiten können auch Elemente enthalten, welche es ermöglichen die Untersteuereinheiten zu verbinden. Auch die Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen kann mehrere Untereinheiten aufweisen, sowie die Elektrodenanordnung auch mehrere Untereinheiten aufweisen kann. Anstatt der mehreren Untersteuereinheiten ist auch die Anordnung einer zweiten Steuereinheit denkbar. Hierbei ist die erste Steuereinheit oder Untersteuereinheit an einer ersten Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen oder einer Untereinheit einer Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen und einer erste Elektrodenanordnung oder einer Untereinheit einer Elektrodenanordnung angeordnet. Diese Aufteilung in mehrere Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungenen mit einer oder mehrerer Aktuatoranordnungen, Elektrodenanordnungen, Steuereinheiten und/oder den Untereinheiten diese Komponenten ermöglicht einen redundanten Aufbau der Vorrichtung, so dass mehrere Gewebeproben mechanisch und elektrisch unabhängig voneinander stimuliert werden können. Unterstützt durch Untersensoreinheiten, kann auch eine Stimulation (mechanisch und/oder elektrisch) jeder Gewebeprobe, abhängig von ihrem Zustand, welcher durch die Sensoren ermittelt wird, stimuliert werden.
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Bei einem Aufbau mit mehreren Stempeln und einem mehrfachen Probenträger (z.B. Zellkulturplatte) kann durch eine unabhängige Ansteuerung jedes Stempels definierte Normal- und/oder Scherkräfte auf jede Probe appliziert werden.
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Die Steuereinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet eine spannungsgesteuerte Stimulation bereitzustellen, jedoch ist eine durch die Steuereinheit bereitgestellte stromgesteuerte Stimulation auch denkbar.
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Die Erfindung weist mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Sie beseitigt die Nachteile des Standes der Technik und stellt eine Vorrichtung zur elektrischen und/oder mechanischen Stimulation von Gewebeproben, insbesondere von Knorpelgewebeproben und/oder Knorpelersatzmaterialien, bereit.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine elektrische und/oder mechanische Stimulation von Zellen mit und ohne Einbringung von Gewebeersatzmaterialien unter definierten Kulturbedingungen ermöglicht, um die Regeneration von muskuloskeletalen Geweben wie Knorpel und Knochen zu fördern. Die Vorrichtung ermöglicht sowohl die isolierte als auch die simultane (kombinierte) elektrische und mechanische Stimulation in einem Gesamtsystem.
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Insbesondere die Kombination der mechanischen und elektrischen Stimulation führt zu einer Stärkung der Knorpelgewebestruktur. Dadurch wird einer Bildung von minderwertigem Misch- bzw. Faserknorpeln entgegenwirkt. Physiologisch mechanische und elektrische Stimulationen sind für die Gewebehomöostase essentiell. Belastungen und Bewegungen bewirken in Geweben einen Flüssigkeitsstrom, welche Dehnungs- und Diffusionsabhängige elektrische Potentiale im Gewebe erzeugen und den Knorpelstoffwechsel stimulieren. Somit wird eine autologe Knorpelzelltransplantation, welche einen hohen Stellenwert in der Behandlung von Knorpeldefekten einnimmt, effizienter.
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Des Weiteren spielt bei der elektrischen Stimulation die Signalform und die Frequenz eine große Rolle. Diese Parameter können durch einen Mikrocontroller in der Steuerungseinheit variiert werden. Es ist möglich, verschiedene Signalformen, z.B. ein Sinussignal, Rechtecksignal oder Dreieckssignal sowie eigens für diese Anwendung angepasste Signalformen zu erzeugen. Zusätzlich kann die Frequenz variabel gestaltet werden, so dass Größenordnungen bis in den MHz-Bereich erreicht werden können. Neben einer Wechselspannung (AC) soll auch Gleichspannung (DC) angewendet werden, um eine stromgesteuerte Stimulation zu ermöglichen. Eine Mischform von AC und DC ist vorstellbar.
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Ausführung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrischen und/oder mechanischen Stimulation von Gewebeproben, insbesondere Knorpelgewebeproben und/oder Knorpelersatzmaterialien, wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels Zeichnungen näher erläutert:
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Hierbei zeigen
- 1 erfindungsgemäße Vorrichtung in der Seitenansicht
- 2 Ausführungsbeispiel der Vorrichtung in der Seitenansicht
- 3 Seitenansicht einer redundant aufgebauten Ausführungsform der Vorrichtung
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In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die erfindungsgemäße Anordnung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“ usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Zeichnungen verwendet. Die Richtungsterminologie dient der Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung weist gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Elektrodenanordnung 1 und eine Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen 2 auf, wobei die Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen 2 eine Aktuatoranordnung 21 aufweist. Ferner weist die Vorrichtung eine Steuereinheit 3 (hier nicht dargestellt) zur Ansteuerung der Elektrodenanordnung 1 und zur Ansteuerung der Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen 2 auf.
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Die Steuereinheit 3 ist dafür ausgebildet, mittels der Elektrodenanordnung 1, eine elektrische Stimulation in der Gewebeprobe 4 zu steuern. Hierfür ist die Steuereinheit 3 derart eingerichtet, dass die Steuereinheit 3 Signale für die Ansteuerung der Elektrodenanordnung 1 bereitstellen kann. Hierfür kann die Steuereinheit 3 mit der Elektrodenanordnung 1 über Verbindungskabel verbunden werden. Eine kabellose Übertragung der Signale von der Steuereinheit 3 zur Elektrodenanordnung 1, beispielsweise über Bluetooth, WLAN o.ä., ist jedoch auch denkbar.
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Die Steuereinheit 3 ist dabei derart eingerichtet, dass diese Signale mit verschiedenen Signalformen, mit verschiedenen Frequenzen und/oder Überlagerungen von Wechselstrom-Anteilen und/oder einem Gleichstrom-Anteil bereitstellt. Die Signalform, Frequenzen, Wechsel- und/oder Gleichstromanteile sind hierbei bevorzugt über die Steuereinheit 3 einstellbar. Die Steuereinheit 3 kann auch mittels eines externen Bediengerätes, beispielsweise mittels eines Computers, und einer Verbindung vom externen Bediengerät zur Steuereinheit 3, beispielsweise WLAN oder Bluetooth, bedient werden.
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Die Steuereinheit 3 ist zusätzlich dafür ausgebildet die Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen 2 anzusteuern und mittels der Aktuatoranordnung 21, welche mit der Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen 2 mechanisch verbunden ist, eine mechanische Stimulation in der zumindest einen Gewebeprobe 4 zu steuern.
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Bevorzugt weist die Aktuatoranordnung 21 zumindest einen mechanischen Aktor auf. Bevorzugt ist der zumindest eine mechanische Aktor ein Linearaktuator. Die mechanische Anregung kann durch Schrittmotoren mit einer Gewindestange, Linearantriebe, ein Piezoelement oder vergleichbaren mechanischen Aktoren erzeugt werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen 2 einen Stempel 22 auf, um die Kraft, welche auf die Gewebeprobe 4 wirken soll, von der Aktuatoranordnung 21 auf die Gewebeprobe 4 zu übertragen. Der Stempel 22 ist mit der Aktuatoranordnung 21 mechanisch verbunden. Der Stempel ist zumindest in einer der drei Achsen (x, y, z) beweglich gelagert. Bevorzugt ist der Stempel 22 für die mechanische Stimulation in allen drei Achsen (x, y, z) beweglich gelagert. Dadurch wird für die mechanische Stimulation eine Verschiebung des Stempels in der x-y-Ebene sowie eine Verschiebung des Stempels in der z-Achse möglich, wodurch die mechanische Belastung in Form von Normalkräften und/oder Scherung möglich wird. Für diese Ansteuerung ist eine Variante mit zwei verschiedenen Linearaktoren denkbar. Ein Linearaktor dient zur Erzeugung einer Kraft, welche senkrecht (z-Achse) auf die Gewebeprobe 4 wirkt. Dieser Aktor ist bevorzugt mit einem Kraft- und/oder Wegsensor ausgestattet und kann kraft- oder weggesteuert betrieben werden. Ein weiterer Linearaktor dient der Verschiebung des Stempels in der X-Y Ebene, um eine Scherung in der Probe 4 zu erzeugen.
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Die Elektroden der Elektrodenanordnung 1 sind, wie in 1 dargestellt, derart an der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet, dass die Elektroden einen direkten Kontakt zur Gewebeprobe aufweisen. Es ist aber denkbar, dass eine Spannung an den Elektroden galvanisch getrennt angelegt wird, indem die Elektroden von der Gewebeprobe elektrisch isoliert angeordnet sind. Hierfür können die Elektrodenanordnung 1 und/oder die Elektroden der Elektrodenanordnung 1 beispielsweise in der Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen 2 und/oder im Stempel 22 angeordnet ist.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die Vorrichtung einen Probenträger 6 zur Aufnahme der Gewebeprobe 4 auf. Auch eine Aufnahme eines Kultivierungs-/Nährmediums zur Kultivierung der Gewebeprobe ist mit einem Probenträger 6 denkbar. Bevorzugt weist der Probenträger 6 eine mechanische Verbindung zur Aktuatoranordnung 21 auf. Es ist denkbar, dass auch der Probenträger für die mechanische Stimulation in allen drei Achsen (x, y, z) beweglich gelagert ist. (zyklisch/azyklische Belastung möglich). Es ist zudem denkbar, dass der Probenträger 6 Elektroden der Elektrodenanordnung 1 aufweist.
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Besonders bevorzugt erfolgt mittels der Steuereinheit 3 eine dynamische Ansteuerung der Elektrodenanordnung 1. Diese Art der Ansteuerung trägt dazu bei, eine Positionsänderung der Elektrodenanordnung 1 zu kompensieren. Solch eine Positionsänderung kann beispielsweise durch eine Bewegung der Elektrodenanordnung 1 verursacht durch die mechanische Stimulation erfolgen, da die Elektrodenanordnung 1 in oder an den Komponenten angeordnet sein kann, welche für die mechanische Belastung zuständig sind, beispielsweise im Stempel 22 oder im Probenträger 6.
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Die Steuereinheit 3 ist ferner dafür ausgebildet eine spannungsgesteuerte Stimulation bereitzustellen. Alternativ kann die Steuereinheit 3 aber auch eine stromgesteuerte Stimulation bereitstellen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die Elektrodenanordnung 1 mehrere Elektroden auf, mindestens jedoch zwei, welche bei Anlegen einer Spannung ein elektromagnetisches Feld in der Gewebeprobe erzeugen bzw. Strom, beispielsweise Wechselstrom, in die Gewebeprobe induzieren. Die mehreren Elektroden können beispielsweise auf mindestens einem Elektrodenträger angeordnet sein. Die Elektrodenanordnung 1 kann jedoch auch mehrere Elektrodenträgern, beispielsweise zwei Elektrodenträger aufweisen. Bei Verwendung nur eines Elektrodenträgers sind mindestens zwei Elektroden auf dem Elektrodenträger angeordnet.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 3 dafür eingerichtet sein, den verschiedenen Elektroden der mehreren Elektroden der Elektrodenanordnung 1 Signale zuzuordnen, wobei die Signale die gleichen Signale oder verschiedene Signale oder eine Kombination von gleichen und verschiedenen Signalen sein können.
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In 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. 2 bildet eine Seitenansicht gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ab, ähnlich wie die Vorrichtung aus 1, außer wie nachstehend beschrieben. Der Aufbau, der sich aus der Beschreibung von 1 wiederholt, umfasst die gleichen Bezugsnummern. Wie gezeigt weist dieses Ausführungsbeispiel eine Sensoreinheit 5 auf, welche mit der Steuereinheit 5 elektrisch verbunden ist. Die Sensoreinheit 5 kann beispielsweise im Stempel 22 oder im Stempelkopf 23 angeordnet sein. Aber auch eine Anordnung im Probenträger 6 ist denkbar, wobei die abgebildete Ausführungsform keinen Probenträger 6 aufweist. Die Aktuatoranordnung 21 befindet sich in dieser Ausführungsform wie gezeigt sowohl oberhalb des Stempels 22, als auch unterhalb der Gewebeprobe 4. Die Aktuatoranordnung 21 ist mittels dieser Anordnung in der Lage die Gewebeprobe 4 sowohl von oben, als auch von unten mechanisch zu belasten. Es ist auch denkbar, dass die Aktuatoranordnung 21 nur unterhalb der Gewebeprobe 4 angeordnet ist. Es ist zudem denkbar, dass in der gezeigten Ausführungsform ein Probenträger 6, wie auch in 1 beschrieben, zur Aufnahme der Gewebeprobe 4, an der Vorrichtung angeordnet ist und/oder der Probenträger 6 die Aktuatoranordnung 21 oder zumindest einen Teil davon im Probenträger 6 integriert ist, oder der Probenträger 6 mit der Aktuatoranordnung 21 mechanisch verbunden ist.
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Ferner kann die Steuereinheit 3 eine oder mehrere Untersteuereinheiten aufweisen. Die Steuereinheit 3 ist dafür ausgebildet, mit den Untersteuereinheiten zu kommunizieren. Hierfür kann eine drahtgebundene aber auch eine drahtlose Kommunikation möglich sein. Alternativ oder zusätzlich sind die Untersteuereinheiten derart miteinander verbunden und/oder verbindbar, dass diese zur Ansteuerung der Elektrodenanordnung 1 und/oder der Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen 2 miteinander kommunizieren können. In diesem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die Steuereinheit 3 eine Untersteuereinheit zur Ansteuerung der Elektrodenanordnung 1 und/ oder eine Untersteuereinheit zur Ansteuerung der Aktuatoranordnung 21 oberhalb des Stempels und eine Untersteuereinheit zur Ansteuerung der Aktuatoranordnung 21 unterhalb der Gewebeprobe 4 aufweisen. Andere Kombinationen sind denkbar.
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In 3 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. 3 bildet eine Seitenansicht gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ab, ähnlich wie die Vorrichtung aus 1, außer wie nachstehend beschrieben. Wie gezeigt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den wesentlichen Komponenten redundant aufgebaut sein.
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Hierfür weist die Steuereinheit 3 mehrere Untersteuereinheiten auf. Die mehreren Untersteuereinheiten können derart miteinander verbunden sein, dass diese zur Ansteuerung der Elektrodenanordnung 1 miteinander kommunizieren. Hierfür ist eine Verbindung mittels Kabel aber auch eine drahtlose Verbindung denkbar. Die Untersteuereinheiten können auch Elemente enthalten, welche es ermöglichen die Untersteuereinheiten zu verbinden. Auch die Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen 2 kann mehrere Untereinheiten aufweisen, sowie die Elektrodenanordnung 1 auch mehrere Untereinheiten aufweisen kann. Anstatt der mehreren Untersteuereinheiten ist auch die Anordnung einer zweiten Steuereinheit denkbar. Hierbei ist die erste Steuereinheit 3 oder Untersteuereinheit an einer ersten Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen 2 oder einer Untereinheit einer Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen und einer erste Elektrodenanordnung 1 oder einer Untereinheit einer Elektrodenanordnung angeordnet. Diese Aufteilung in mehrere Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungenen 2 mit einer oder mehrerer Aktuatoranordnungen 21, Elektrodenanordnungen 1, Steuereinheiten 3 und/oder den Untereinheiten diese Komponenten ermöglicht einen redundanten Aufbau der Vorrichtung, so dass mehrere Gewebeproben 4 mechanisch und elektrisch unabhängig voneinander stimuliert werden können. Unterstütz durch Untersensoreinheiten, kann auch eine Stimulation (mechanisch und/oder elektrisch) jeder Gewebeprobe 4, abhängig von ihrem Zustand, welcher durch die Sensoren 5 ermittelt wird, stimuliert werden.
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Wie dargestellt, weist die Vorrichtung in dieser Ausführungsform mehrere Einheiten auf: Jede Einheit weist eine Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen 2 mit einer Aktuatoranordnung 21, einem Stempel 22 und einer Sensoreinheit 5, sowie eine Elektrodenanordnung 1 mit jeweils zwei Elekroden, wobei eine Elektrode oberhalb der Gewebeprobe 4 und eine unterhalb der Gewebeprobe 4 angeordnet ist, und einen Probenträger 6 zur Aufnahme der Gewebeprobe 4 auf. Die Aktuatoranordnung 21 ist zudem in diesem Ausführungsbeispiel nicht nur am Stempel 22 angeordnet, sondern auch am Probenträger, so dass eine mechanische Belastung auf die Gewebeprobe 4 von oben und von unten realisiert werden kann.
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Bei einem redundanten Aufbau der Vorrichtung mit mehreren Stempeln 22 und mehreren Aktuatoranordnungen 21 und/oder mehreren Elektrodenanordnungen 1 kann durch die unabhängige Ansteuerung eines jeden Stempels 22 eine definierte Scherkraft für jede Gewebeprobe 4 appliziert werden. Als Probenträger 6 in diesem Ausführungsbeispiel kommt beispielsweise auch ein mehrfacher Probenträger 6, beispielsweise in Form einer Zellkulturplatte in Betracht.
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Ein redundanter Aufbau ermöglicht eine parallele Stimulation verschiedener Proben. Somit können mehrere Versuche in der gleichen Umgebung durchgeführt werden. Die mechanische sowie auch die elektrische Stimulation kann daher für jede Probe individuell und unabhängig eingestellt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein in allen drei Achsen verstellbaren/beweglichen Stempel 22 auf, welcher eine zyklische mechanische Belastung erzeugen kann. Diese mechanische Belastung kann in Form von einer Normalkraft oder als Scherung bzw. einer Kombination aus beiden Varianten ausgeführt werden. Die Gewebeprobe 4 (welche bevorzugt Knorpelgewebe mit Zellen bzw. Knorpelersatzmaterial ist) kann in der Vorrichtung statisch oder dynamisch mechanisch stimuliert werden. Die mechanische Anregung kann durch Schrittmotoren mit einer Gewindestange, Linearantriebe, ein Piezoelement oder vergleichbaren mechanischen Aktoren erzeugt werden. In diesem Falle ist es vorteilhaft, dass der mechanische Stempel 22 des Stimulationssystems mechanisch in allen 3 Achsen separat gesteuert werden kann. Für diese Ansteuerung ist eine Variante mit zwei verschiedenen Linearaktoren vorgesehen. Ein Linearaktor dient zur Erzeugung einer Kraft, welche senkrecht (Z-Achse) auf die Gewebeprobe 4 wirkt. Dieser Aktor ist mit einem Kraftsensor ausgestattet und kann kraft- oder weggesteuert betrieben werden. Ein weiterer Linearaktor dient einer Verschiebung des Stempels in der X-Y Ebene, welche eine Scherung der Gewebeprobe 4 erzeugen kann. Es ist zudem möglich, den Probenträger 6 mit mechanischen Aktoren unabhängig zu bewegen und eine mechanische Stimulation zu erzeugen. Bei einem Aufbau mit mehreren Stempeln und einen mehrfachen Probenträger (z.B. Zellkulturplatte) soll durch die unabhängige Ansteuerung des Stempels eine definierte Scherkraft für jede Probe appliziert werden. Zusätzlich wird eine Elektrode der Elektrodenanordnung 1 im Kopf des Stempels 23 integriert und kann mit einer zweiten Elektrode der Elektrodenanordnung 1, welche sich am Probenträger 6 befindet, ein elektromagnetisches Feld erzeugen oder Ströme in die Gewebeprobe 4 induzieren. Die Elektroden der Elektrodenanordnung können in Form von Flächenelektroden ausgebildet sein, andere Elektrodenformen oder Elektrodenarrays sind jedoch denkbar. Eine intelligente Ansteuerung in Form eines Mikrocontrollers oder ähnliches kann ein elektrisches Gleich- oder Wechselfeld mit einer konstanten oder variablen Feldstärke erzeugen. Eine Änderung des Abstandes (mechanische Stimulation) beider Elektroden wird durch eine dynamische Ansteuerung kompensiert, wodurch eine optimale elektrische Stimulation gewährleistet wird.
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Da es sich bei der vorhergehenden, detailliert beschriebenen Vorrichtung zur elektrischen und/oder mechanischen Stimulation von Gewebeproben um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der Vorrichtung in anderer Form als in der hier beschriebenen folgen. Ebenso kann die Vorrichtung in einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Platzgründen bzw. designtechnischen Gründen notwendig ist. Weiter schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrodenanordnung
- 2
- Vorrichtung zur Applikation von Kräften und/oder Spannungen
- 21
- Aktuatoranordnung
- 22
- Stempel
- 23
- Stempelkopf
- 3
- Steuereinheit
- 4
- Gewebeprobe
- 5
- Sensoreinheit/Sensoren
- 6
- Probenträger
