DE10202872A1

DE10202872A1 - Bioreactor for cell culture comprises chamber divided by vertical partitions into sub-chambers, though which microporous horizontal capillaries are mounted to feed different solutions to each sub-chamber

Info

Publication number: DE10202872A1
Application number: DE2002102872
Authority: DE
Inventors: Klaus Affeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-14
Filing date: 2002-01-14
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: DE10202872B4

Abstract

Bioreactor for culture of cells (2) comprises a sealed chamber (1) which is divided at each end by vertical partitions (5) into sub-chambers (6). Microporous horizontal capillaries (4) are mounted across the reactor so that they feed different solutions at different rates of flow to each of the sub-chambers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Versorgung von Zellkulturen, der aus einem abgeschlossenen Gefäss mit Bündeln von unterschiedlich durchströmten mikroporösen Kapillaren aufgebaut ist und ein Verfähren zur Herstellung desselben. The invention relates to a bioreactor for the supply of cell cultures a closed vessel with bundles of different flows microporous capillaries is built and a method of manufacture thereof.

Bioreaktoren werden benötigt, um Zellen zu kultivieren und Nutzen aus ihrer Vermehrung oder aus ihren Stoffwechselprozessen zu ziehen. Dazu müssen die entsprechenden Lebensbedingungen geschaffen werden. Die Zellen werden hierzu in einer Nährlösung kultiviert, die alle erforderlichen Stoffe enthält. Mit den Lebensfunktionen werden jedoch Nährstoffe verbraucht und es werden Stoffwechselabbauprodukte gebildet. Das ursprüngliche Gleichgewicht geht verloren und die verbrauchten Nährstoffe müssen neu zugeführt werden und die Stoffwechselabbauprodukte müssen entfernt werden. Dies geschieht gewöhnlich mit wässerigen Lösungen oder Gasen, die entweder direkt oder durch Mischung und Konvektion zugeführt werden. Dies wird vor allem für Kulturen von Einzellern wie beispielsweise Hefepilzen genutzt. Bioreactors are needed to cultivate and benefit from their cells To multiply or draw from their metabolic processes. To do this, the appropriate living conditions are created. The cells will for this, cultivated in a nutrient solution that contains all the necessary substances. With the However, vital functions are consumed and there are nutrients Metabolic breakdown products formed. The original balance goes lost and the used nutrients have to be added again and the Metabolic breakdown products must be removed. This usually happens with aqueous solutions or gases, either directly or by mixing and convection. This is especially true for single cell cultures such as yeasts.

Zellen von mehrzelligen Lebewesen wie Pflanze, Tier oder Mensch können als einzelne Zellen in einer Lösung jedoch meist nicht gedeihen. Sie benötigen eine Oberfläche oder andere Zellen, an die sie sich anhaften können. Es bildet sich ein Zellverbund. In diesem Fall muss die Versorgung und Entsorgung der Zellen durch Diffusion geschehen. Besteht die Zellkultur aus nur wenigen Zellen, so gelingt diese Aufgabe leicht, handelt es sich jedoch um eine grössere Zellmenge, so ist die Versorgung der Zellen mit Nährstoffen und die Entsorgung der Stoffwechselabbauprodukte schwierig, weil die Diffusionswege zu lang sind. Kurze Diffusionswege erreicht man hingegen, wenn man Zellen im Inneren von Kapillarschläuchen kultiviert und von der Kapillarschlauchaußenseite diffusiv mit Nährstoffen versorgt. Jedoch ist in diesem Fall durch den kleinen Kapillarschlauchdurchmesser auch die Menge der Zellen begrenzt. Cells from multicellular organisms such as plants, animals or humans can be used as however, individual cells in a solution usually do not thrive. You need one Surface or other cells to which they can adhere. It imagines Cell assembly. In this case, the supply and disposal of the cells must be carried out Diffusion happen. If the cell culture consists of just a few cells, it works this task is easy, however, if there is a larger amount of cells, it is the supply of cells with nutrients and the disposal of the Metabolic breakdown products difficult because the diffusion paths are too long. Short diffusion paths, on the other hand, can be achieved by placing cells inside Capillary tubes cultivated and diffusely from the outside of the capillary tube Nutrients. However, in this case the small one Capillary tubing diameter also limits the amount of cells.

In der Patentschrift DE 199 32 439 A1 wird ein Bioreaktor beschrieben, bei dem eine gewebeartige Aufnahmeeinrichtung für die Anhaftung der Zellen vorgesehen ist, die konvektiv durchströmt wird. Durch eine Schichtung der Aufnahmeeinrichtung kann eine Kultivierung auch einer größeren Zellmenge erreicht werden. Mit wachsender Erfahrung mit der Kultivierung von Zellen hat man aber die Erfahrung gemacht, daß man auf die konvektive Durchströmung verzichten muß. Durch das Wachstum der Zellen entstehen nämlich Zellhaufen ohne Zwischenräume, die als Konvektionskanäle dienen könnten. In the patent DE 199 32 439 A1 a bioreactor is described in which a tissue-like receiving device is provided for the adhesion of the cells which is flowed through convectively. By layering the The receiving device can also cultivate a larger amount of cells can be achieved. With growing experience in cell cultivation but it has been experienced that the convective flow must do without. The growth of cells creates cell clusters without gaps that could serve as convection channels.

In der natürlichen Umgebung der Zellen dagegen werden Konvektionskanäle gebildet, weil in einer größeren Zellmenge neue Kapillarblutgefäße entstehen. Durch ein Einsprossen von Kapillarblutgefäßen wird also die konvektive Durchströmung eines Zellhaufens gewährleistet. Man hat versucht, diese konvektive Durchströmung der Zellenhaufen durch ein enges Netzwerk von mikroporösen Kapillarschläuchen, die mit wässerigen Lösungen oder Gasen durchströmt werden, zu erreichen. Auf diese Weise kann man bei kurzen Diffusionswegen einen konvektiven Transport von Nährstoffen und Stoffwechselabbauprodukten erreichen. Die Porengrösse der Kapillarschläuche wird so gewählt, dass die erforderlichen Stoffe die Wände durch Diffusion durchdringen und so die Zellen erreichen können. Die Porengrösse der Kapillarschläuche kann weiterhin so gewählt werden, dass der Austausch von immunaktiven Substanzen und Zellen verhindert werden kann. Auf diese Weise kann die Zellkultur auch vor der Kontamination mit anderen Einzellern wie Bakterien geschützt werden. In contrast, in the natural environment of the cells are convection channels formed because new capillary blood vessels are formed in a larger number of cells. By sprouting capillary blood vessels, the convective becomes Flow through a cell cluster guaranteed. You tried this convective flow of cells through a narrow network of microporous capillary tubing containing aqueous solutions or gases to be flowed through to achieve. This way you can with short Diffusion paths a convective transport of nutrients and Reach metabolic breakdown products. The pore size of the capillary tubing is chosen so that the required materials cover the walls by diffusion penetrate and so can reach the cells. The pore size of the Capillary tubing can also be selected so that the exchange of immune-active substances and cells can be prevented. In this way the cell culture can also be contaminated with other unicellular organisms such as Bacteria are protected.

Die Anwendung dieses Prinzips wird in der Patentschrift DE 42 30 194 C2 beschrieben. In dem dort beschriebenen Bioreaktor werden beispielsweise Leberzellen eines Tieres in einem von der Außenwelt abgeschlossenen Raum durch Diffusion am Leben und in ihren spezifischen Funktionen gehalten. Dies wird ermöglicht durch eine Vielzahl von mikroporösen Kapillarschläuche, die vom Blut eines leberkranken Patienten durchströmt werden. Die Poren dieser mikroporösen Kapillarschläuche sind so gestaltet, dass immunaktive Stoffe und Zellen sie nicht durchdringen können. So können die Zellen eines Tieres mit dem Blut eines Menschen am Leben und in ihren spezifischen Funktionen gehalten und genutzt werden. Es werden Bündel von Kapillarschläuchen mit unterschiedlichen Eigenschaften und unterschiedlichen Aufgaben verwendet: ein Bündel für die Versorgung mit Sauerstoff, eins für die Durchströmung mit dem Blutplasma des Patienten und eins für die Abfuhr der Galle. Die mikroporösen Kapillarschläuche bilden so ein dreidimensionales Netz, in dessen Zwischenräumen die Zellen wachsen. Dieses dreidimensionale Netz ist jedoch schwierig zu fertigen, weil die Bündel einerseits kompakt an den beiden Enden an unterschiedliche Versorgungswege angeschlossen werden müssen und auf der anderen Seite in der Mitte sich dispersiv durchdringen sollen. Das Einbringen von möglicherweise erforderlichen weiteren Kapillarschlauchbündel würde eine Fertigung noch weiterhin erschweren. The application of this principle is described in the patent specification DE 42 30 194 C2 described. In the bioreactor described there, for example Liver cells of an animal in a room isolated from the outside world kept alive and in their specific functions by diffusion. This is made possible by a variety of microporous capillary tubes, which Blood flowing through a liver patient. The pores of this Microporous capillary tubes are designed so that immunologically active substances and Cells cannot penetrate them. So the cells of an animal can with the Blood of a human being kept alive and in its specific functions and be used. There are bundles of capillary tubes with different properties and different tasks used: a Bundle for the supply of oxygen, one for the flow with the Blood plasma from the patient and one for bile discharge. The microporous Capillary tubes thus form a three-dimensional network in which In between the cells grow. However, this three-dimensional network is difficult to manufacture because the bundles are compact on the one hand at the two ends different supply routes must be connected and on the other side in the middle should be dispersive. The introduction of any additional capillary tubing bundle required would be a Manufacturing still complicate.

Diese Schwierigkeit dieses und anderer Bioreaktoren ist darin begründet, daß die im natürlichen Blutgefäßsystem vorkommenden Verteilung eines zentralen Blutstroms auf viele einzelne periphere kleine Blutströme in den Kapillaren technisch nicht leicht nachzuahmen ist. In der Fertigung werden die Kapillarschläuche nämlich durch Extrusion oder Spinnen hergestellt. Diese Methode ermöglicht die Fertigung von Kapillarschläuchen großer Länge, die aber keine Verzweigungen enthalten, wie sie in den natürlichen Blutgefäßen zu finden sind. This difficulty of this and other bioreactors is due to the fact that the distribution of a central one occurring in the natural blood vessel system Blood flow to many individual peripheral small blood flows in the capillaries is technically not easy to imitate. In manufacturing, the Capillary tubes namely made by extrusion or spinning. This Method enables the production of capillary tubes of great length, however does not contain any branches, such as those found in the natural blood vessels are.

Allen diesen Bioreaktoren ist gemeinsam, daß sie entweder zu wenig Zellen enthalten oder daß sie zu schwierig zu fertigen sind. All these bioreactors have in common that they either have too few cells contain or that they are too difficult to manufacture.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile der bisherigen Lösungen zu vermeiden und die Aufgabe auf technisch bessere und sichere Weise zu lösen. Insbesondere soll das Problem der Verteilung eines zentralen Flüssigkeitsstroms auf viele einzelne periphere kleine Flüssigkeitsströme in den Kapillarschläuchen gelöst werden, so daß unterschiedliche Lösungen durch unterschiedliche Kapillarschläuche geleitet werden können. The invention is therefore based on the object, the disadvantages mentioned above to avoid the previous solutions and the task on technically better ones and safe way to solve. In particular, the problem of distributing a central fluid flow to many individual peripheral small Liquid flows in the capillary tubes are released so that different solutions passed through different capillary tubes can be.

Dies wird dadurch erreicht, daß der Bioreaktor aus Bündeln von parallel nach Art eines Flachbandkabels angeordneten unterschiedlich mikroporösen Kapillarschläuchen aufgebaut wird, die im Montageprozeß auf einfache Weise von Automaten gefügt und geöffnet werden können. Auf diese Weise können Verteilerräume geschaffen werden, die die jeweils unterschiedlichen bioaktiven wässerigen Lösungen oder Gase in die entsprechenden mikroporösen Kapillarschläuche leiten. So kann beispielsweise ein mikroporöser Kapillarschlauch von Blutplasma durchströmt werden, ein weiterer mit Sauerstoff für die Oxygenierung, ein weiterer mit Kohlendioxyd für die Regulation des pH- Wertes, ein weiterer mit einer Dialysatflüssigkeit, ein weiterer kann zur Ableitung von Galle dienen, wenn die Zellkultur aus Leberzellen besteht. Auch können Fluide nach der Passage für die Diagnose ausgewertet werden. In die Bündel können weiterhin Lichtleiter eingefügt werden für die Einkopplung von Licht für die Synthese im Bioreaktor oder auch für die Auskopplung von Licht für die Diagnose durch Bioluminiszens. Einkopplung und Auskopplung des Lichts erfolgt dabei zweckmäßig durch die Stirnflächen der Lichtleiter 15 an den Abschlußwänden 11 und 12. Die Lichtleiter 15 können dabei mit einer Oberflächenstruktur an den Mantelflächen versehen sein, um die Einkopplung und Auskopplung des Lichts an der Mantelfläche zu erleichtern. Wenn es sich beispielsweise um eine Zellkultur von Nervenzellen handelt, so können dem Bündel weiterhin für die Zuleitung und Ableitung von elektrischen Impulsen elektrische Leiter beigefügt werden, die in ihrer Länge eine Isolierung tragen und an bestimmten Stellen Kontaktstellen tragen. Zweckmäßig werden solche elektrische Leiter in der Form von Flachbandkabeln hergestellt. Die Freilegung der Kontaktbereiche kann in gleicher Weise wie bei den Kapillarschläuchen durch mechanische oder optische Mittel von Automaten erfolgen. This is achieved in that the bioreactor is constructed from bundles of differently microporous capillary tubes arranged parallel to one another in the manner of a ribbon cable, which can be joined and opened in a simple manner by machines in the assembly process. In this way, distribution spaces can be created that guide the different bioactive aqueous solutions or gases into the corresponding microporous capillary tubes. For example, a microporous capillary tube can be flowed through by blood plasma, another with oxygen for oxygenation, another with carbon dioxide for regulating the pH value, another with a dialysate liquid, another can be used to drain bile when the cell culture is out Liver cells. Fluids can also be evaluated for diagnosis after passage. Light guides can also be inserted into the bundle for the coupling of light for synthesis in the bioreactor or for the coupling out of light for diagnosis by bioluminescence. Coupling and uncoupling of the light is advantageously carried out through the end faces of the light guides 15 on the end walls 11 and 12 . The light guides 15 can be provided with a surface structure on the lateral surfaces in order to facilitate the coupling and decoupling of the light on the lateral surface. If, for example, it is a cell culture of nerve cells, electrical conductors can be added to the bundle for the supply and discharge of electrical impulses, the length of which is insulated and has contact points at certain points. Such electrical conductors are expediently produced in the form of ribbon cables. The contact areas can be exposed in the same way as with the capillary tubes by mechanical or optical means of automatic machines.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die parallele Anordnung von unterschiedlich mikroporösen Kapillarschläuchen die Diffusionswege zu den Zellen kurz sind, weil der Abstand der einzelnen Kapillarschläuche im Bündel zueinander und der Abstand von Bündel zu Bündel optimal auf die Diffusionsgeschwindigkeit der gelösten Stoffe in den jeweiligen wässerigen Lösungen eingestellt werden kann. The advantages achieved by the invention are in particular that the parallel arrangement of different microporous capillary tubes Diffusion paths to the cells are short because of the distance of each Capillary tubes in the bundle to each other and the distance from bundle to bundle optimal on the diffusion rate of the dissolved substances in the respective aqueous solutions can be adjusted.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. The invention is illustrated by one in the drawing Embodiment described in more detail.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines Bioreaktors. Fig. 1 shows a longitudinal section of a bioreactor.

In dem abgeschlossenen Raum 1 für die Zellen 2 befinden sich die Kapillarschlauchbündel 3, die sich jeweils aus parallel angeordneten einzelnen Kapillarschläuchen 4 zusammensetzen. Sie durchdringen die Trennwände 5. Mit ihren offenen Enden sind die Kapillarschläuche mit den jeweiligen unterschiedlichen Verteilerräumen 6 für die Zuleitungen 7 und Ableitung 8 verbunden. Die Pfeile 9 und 10 zeigen die Richtung der Durchströmung für einen Kapillarschlauch. Durch die quer zur Längsachse der Kapillarschläuche angeordneten Trennwände 5 wird erreicht, das jeder Kapillarschlauch mit der ihm eigenen Porengröße mit dem entsprechenden Vereilerraum verbunden ist und somit mit der dafür geeigneten bioaktiven wässerigen Lösung durchströmt werden kann. Die Abschlußwände 11 und 12 bilden dabei den Abschluss des Bioreaktors. In the closed space 1 for the cells 2 there are the capillary tube bundles 3 , which are each composed of individual capillary tubes 4 arranged in parallel. They penetrate the partition walls 5 . With their open ends, the capillary tubes are connected to the respective different distributor spaces 6 for the feed lines 7 and discharge line 8 . Arrows 9 and 10 show the direction of flow for a capillary tube. The partition walls 5 , which are arranged transversely to the longitudinal axis of the capillary tubes, ensure that each capillary tube with its own pore size is connected to the corresponding distributor space and can therefore be flowed through with the suitable bioactive aqueous solution. The end walls 11 and 12 form the end of the bioreactor.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausbildung der Erfindung. In diesem Fall durchdringen die Bündel 3 der Kapillarschläuche 4 alle Trennwände 5. Die nebeneinander parallel angeordneten und unterschiedlich mikroporösen Kapillarschläuche 4 sind hier durch Klebung, Schweißung oder durch gesonderte Verbinder 13 nach der Art eines Flachbandkabels miteinander verbunden und bilden so ein Bündel 3. Durch ein mechanisches Schneidwerkzeug, durch einen Laser oder durch andere Mittel können die einzelnen Kapillarschläuche durchtrennt werden und so die für die spätere Durchströmung erforderlichen Öffnungen 14 erhalten. Dieser Vorgang kann sehr gut automatisiert werden, da durch die Anordnung der Kapillarschläuche in einem Flachband das Schneidwerkzeug durch nur zwei Koordinaten zugeordnet werden kann. Weiterhin ist hier ein Lichtleiter 15 dargestellt, der in jedem Bündel 3 enthalten ist und der eine oder beide der Abschlußwände 11 und 12 durchdringt. Auf diese Weise kann Licht in den Bioreaktor eingebracht werden und auch herausgeleitet werden. Fig. 2 shows a further embodiment of the invention. In this case, the bundles 3 of the capillary tubes 4 penetrate all the partition walls 5 . The differently microporous capillary tubes 4, which are arranged next to one another in parallel, are connected to one another here by adhesive bonding, welding or by separate connectors 13 in the manner of a ribbon cable and thus form a bundle 3 . The individual capillary tubes can be severed by a mechanical cutting tool, by a laser or by other means and thus the openings 14 required for the later flow can be obtained. This process can be automated very well, since the arrangement of the capillary tubes in a flat band means that the cutting tool can be assigned by only two coordinates. Furthermore, a light guide 15 is shown here, which is contained in each bundle 3 and which penetrates one or both of the end walls 11 and 12 . In this way, light can be introduced into the bioreactor and can also be led out.

Fig. 3 zeigt die Herstellung einer Trennwand 5. Die einzelnen Kapillarschläuche 4 unterscheiden sich hier beispielsweise auch in Bezug auf ihren Durchmesser. Durch die Verbinder 13 werden sie zu zu flachen Bündeln 3 zusammengefügt und beispielsweise durch Wickeln in Lagen übereinander gelegt und durch eine Masse 16 aneinander gefügt und so verbunden. Diese Masse 16 kann beispielsweise ein aus einer Düse 17 ausströmender Heißkleber sein oder eine schnell selbst aushärtende Masse oder eine durch Strahlung aushärtende Masse sein. Auf diese Weise können die Bündel 3 Lage um Lage miteinander verbunden werden, wobei entweder eine Endwand oder eine Trennwand - wie in Fig. 2 dargestellt - gebildet wird. Die einzelnen Bündel 3 werden mit einem Abstand zwischen ihnen so gefügt, daß Zwischenräume entstehen, durch die das Fluid in den Verteilerräumen 6 quer zur Längsachse der Kapillarschläuche 4 strömen kann. Bei dem Vorgang des Fügens oder auch vorher kann das Freischneiden der einzelnen Kapillarschläuche 4 und damit die Bildung der Öffnungen 14 erfolgen. Auch können die Verbinder 13 endlose Bänder bilden, wenn dies für die Fertigung zweckmäßig erscheint. Fig. 3 shows the production of a partition wall 5. The individual capillary tubes 4 also differ here, for example, in terms of their diameter. By means of the connectors 13 , they are joined to form flat bundles 3 and, for example, are layered one above the other and joined together by a mass 16 and thus connected. This mass 16 can be, for example, a hot glue flowing out of a nozzle 17 or a fast self-hardening mass or a radiation-hardening mass. In this way, the bundles 3 can be connected layer by layer, with either an end wall or a partition wall being formed, as shown in FIG. 2. The individual bundles 3 are joined at a distance between them so that spaces are created through which the fluid in the distribution spaces 6 can flow transversely to the longitudinal axis of the capillary tubes 4 . In the process of joining or even beforehand, the individual capillary tubes 4 can be cut free and thus the openings 14 can be formed. The connectors 13 can also form endless strips if this appears expedient for production.

Claims

1. bioreactor for the culture of plant, animal or human cells characterized by a closed space 1 for the cells 2 , which is traversed by bundles 3 of parallel arranged and differently flowed through microporous capillary tubes 4 with the same or different pore size and on both sides of the closed space 1 has a plurality of partition walls 5 arranged transversely to the longitudinal axis of the capillary tubes, the distributor spaces 6 form for supplying and disposing of the cells by means of different bioactive aqueous solutions which flow through the different capillary tubes.

2. Bioreactor according to claim 1, characterized in that each of the parallel arranged capillary tubes one for the appropriate supply or Disposal has optimal pore size.

3. Bioreactor according to claim 1 or 2, characterized in that the juxtaposed parallel and the same or different microporous capillary tubes 4 are connected to each other by gluing, welding or by separate elements 13 in the manner of a ribbon cable and thus form a bundle 3 .

4. Bioreactor according to one of the preceding claims, characterized in that the bundles 3 extend over the entire distribution spaces 6 and the assignment of the respective capillary tube 4 to the respective distribution space 6 is carried out by a cutting process.

5. Bioreactor according to one of the preceding claims, characterized in that one or more of the capillary tubes 4 are used for an analysis of the state of the cell culture.

6. Bioreactor according to one of the preceding claims, characterized in that the bundles 3 of the capillary tubes contain 4 light guides which are used for the coupling of light into the cell culture and for the coupling out of light for the purpose of analysis.

7. Bioreactor according to one of the preceding claims, characterized in that the bundles 3 of the capillary tubes 4 contain electrical conductors which can conduct electrical impulses to the outside.

8. Bioreactor according to one of the preceding claims, characterized in that the elements of the bundle 3 are made in different colors in order to facilitate identification during the opening process.

9. Bioreactor according to one of the preceding claims, characterized in that part of the capillary tubes 4 is flowed through in countercurrent to the rest.