DE10349688A1

DE10349688A1 - Bioreaktor für das Tissue Engineering sowie zur ex situ Testung tissue engineerter und biologischer Materialien

Info

Publication number: DE10349688A1
Application number: DE2003149688
Authority: DE
Inventors: Ulrich A. Dr.med. Stock; Günter Dipl.-Ing. Ditze; Günther SAMMLER
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2005-06-02

Abstract

Aufgabe war es, einen möglichst kleinvolumigen, kompakten Bioreaktor zu schaffen, mit welchem das Tissue Engineering und die ex situ Testung des Biomaterials aufwandgering, bedienungstechnisch gut handhabbar sowie unter definierten systolischen wie auch diastolischen Druckverhältnissen in der physiologischen Norm durchgeführt werden können.
Erfindungsgemäß ist ein Träger (8) mit zumindest einer von einem flüssigen Medium (3) durchströmbaren Aufnahme (7) für das Biomaterial (2) im Reaktorgehäuse (1) bewegbar angeordnet und besitzt zusätzlich eine ventilartige Öffnung (9, 10) zum richtungsabhängigen Durchfluss des Mediums (3). Außerdem weist die Reaktorkammer (1) mindestens eine Druckluft- und/oder Gas-Zuführung (23, 24, 25, 26) zur Drucksteuerung bzw. -anpassung im Reaktionsraum auf.
Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die Biotechnologie und die Medizintechnik.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bioreaktor für die Züchtung und Regenerierung von Biomaterialien sowie zur ex situ Testung tissue engineerter und biologischer Materialien, wie Herzklappen, Blutgefäße und Gefäßflicken.

Es sind bereits eine Reihe unterschiedlicher Bioreaktoren zur Testung von biologischen kardiovaskulären Implantaten bekannt (z. B. US 6,174,719 ; US 5,792,603 ; US 5,846,828 ). Alle bisher beschriebenen Apparate sind zwar in der Lage, systolische Spitzendrücke von über 200 mmHg zu erzeugen, die diastolischen Druckwerte sind jedoch im Minusbereich angesiedelt. Damit sind solche Bioreaktoren für eine physiologische Gewebezucht mit anschließender physiologischer in vitro Testung nicht geeignet.

Bioreaktoren, in welchen auch diastolische Druckwerte innerhalb der physiologischen Norm generiert werden können, und die mit diesen Druckbedingungen erst die Voraussetzungen zur physiologischen Gewebezucht und in vitro Testung gewährleisten, sind nicht bekannt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen möglichst kleinvolumigen, kompakten, Bioreaktor zu schaffen, der Tissue Engineering und die ex situ Testung des Biomaterials mit geringem Aufwand, bedienungstechnisch gut handhabbar sowie unter definierten systolischen, wie auch diastolischen Druckverhältnissen in der physiologischen Norm ermöglicht.

Erfindungsgemäß verkörpert die Reaktorkammer für das Züchten und/oder Testen von Biomaterialien selbst das Umwälzsystem für das flüssige Medium, indem ein vom Medium (Nähr- bzw. Testflüssigkeit) richtungsabhängig durchströmbarer Träger zur Aufnahme der Biomaterialien antriebsgesteuert in der Reaktorkammer bewegt wird. Außerdem enthält die Reaktorkammer ein oder mehrere gemeinsame oder getrennte Zuführungselemente zur Einleitung eines Druckluft-Gas-Gemisches.

Der Träger wird vorteilhaft durch eine passgenau in der Reaktorkammer (hoch und runter) bewegbare Scheibe realisiert, welche durch einen extern steuerbaren und im Reaktor integrierbaren Linearantrieb, beispielsweise einen periodisch durch Druckluft versorgten Rollmembranzylinder, angetrieben ist. Zusätzliche Mittel für die Umwälzung, Bewegung, Zu- bzw. Abführung sowie Speicherung und Vorratshaltung des Mediums sind nicht erforderlich. Das Medium verbleibt in der Reaktorkammer und ist lediglich in dem Volumenvorrat notwendig, dass der Träger mit dem aufgenommenen Biomaterial bei seiner Bewegung vollständig im Medium verbleibt. Auf diese Weise wird das Infektionsrisiko des Mediums begrenzt. Die Vorrichtung lässt sich gut handhaben.

Über das Druckluft-Gas-Gemisch ist es möglich, sowohl definierte systolische als auch diastolische Druckverhältnisse in der Reaktionszone einzustellen. Dadurch können für die unterschiedlichsten Einsatzfälle mit einfachen Mitteln jeweils zweckmäßige Zuchtbedingungen beim Tissue Engineering und auch vorteilhafte Testvoraussetzungen, insbesondere unter realitätsnahen Anwendungsbedingungen, für das Biomaterial geschaffen werden.

Die Mittel für die Zuführung und Dosierung des Druckluft-Gas-Gemisches, für die Realisierung des durchströmbaren Trägers sowie für dessen steuerbaren Bewegungsantrieb können auf unterschiedlichste Weise und ggf. als Module für unterschiedliche Einsatzfälle austauschbar bereit gestellt werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines schematisch in der Zeichnung dargestellten Inkubators als Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Der Inkubator besteht im Wesentlichen aus einer Reaktorkammer 1, in welcher ein zu züchtendes und/oder zu testendes Biomaterial 2, beispielsweise eine symbolisiert dargestellte Herzklappe oder ein Blutgefäß, relativ zu einem flüssigen Medium 3, insbesondere als Nährflüssigkeit, bewegt wird. Die Reaktorkammer 1 besteht aus einem Borosilikatglasrohr 4, wobei ein Kammerboden 5 (aus Übersichtsgründen nicht näher dargestellt) mit Silikonkleber angesetzt und ein Kammerdeckel 6 mit einer unverlierbaren Silikondichtung (ebenfalls nicht näher dargestellt) eingebracht sind.
Das Biomaterial 2 befindet sich in einer Aufnahme 7 einer vertikal im Medium 3 der Reaktorkammer 1 bewegbaren scheibenförmigen Trägerplatte 8 aus einem speziellen Gusspolymer. Diese mit geringen Toleranzen passgenau im Borosilikatglasrohr 4 der Reaktorkammer 1 antriebsgesteuert gleitende Trägerplatte 8 besitzt ein ventilartiges Durchflusselement 9 mit einer Rückschlagklappe 10, um bei ihrer besagten Vertikalbewegung ein Durchströmen des flüssigen Mediums 3 in nur einer Richtung (durch Pfeildarstellung symbolisiert) zu gewährleisten. Der Bewegungsantrieb der Trägerplatte 8 wird durch einen an sich bekannten Rollmembranzylinder 11 realisiert, welcher sich innerhalb eines durch Klammern 12 fixierten Gehäuseaufsatzes 13 über dem Kammerdeckel 6 der Reaktorkammer 1 befindet und seine lineare Antriebskraft 14 (ebenfalls mit Pfeildarstellung angedeutet) durch einen Durchgriff 15 im Kammerdeckel 6 über einen durch einen Faltenbalg 16 flüssigkeits- und gasdicht gegenüber dem Kammerdeckel 6 abgedichteten Edelstahlbolzen 17 sowie über ein Verbindungselement 18 auf die Trägerplatte 8 überträgt. Mit einer Rückholfeder 19 zum Gehäuseaufsatz 13 wird der Edelstahlbolzen 17 in seiner Bewegung rückgestellt.
Der Rollmembranzylinder 11 ist temperaturneutral und stört die Temperaturkonstante der Inkubatorvorrichtung nicht. Alle Teile der Inkubatorvorrichtung sind bei 121 °C autoklavierbar. Angetrieben wird der Rollmembranzylinder 11 über eine Druckleitung 20 mittels in Labors und Kliniken an sich verfügbarer Pressluft, welche durch einen steuerbaren Spannungs-Druckwandler 21 (beispielsweise Control Air Typ 900) eingestellt wird. Diese Steuerung wird durch einen Spannungsgenerator 22 bewirkt, der im übrigen vorteilhaft rechnergestützt realisiert werden kann.
Mit der spannungsgesteuerten Druckluftmodulation bewegt der Rollmembranzylinder 11 die Trägerplatte 8 in der Reaktorkammer 1 periodisch auf und nieder. Bei dieser Bewegung strömt das flüssige Medium 3 unter Druckausgleich jeweils durch die Aufnahme 7, das zu züchtende und/oder zu testende Biomaterial 2 und das Durchflusselement 9 mit der Rückschlagklappe 10 richtungsabhängig durch die Trägerplatte 8 hindurch (vgl. symbolische Darstellung), so dass sich zwischen dem in der Aufnahme 7 befindlichen Biomaterial 2 und dem Medium 3 einzig durch den besagten Druckausgleich eine Relativbewegung ausbildet, ohne diesen Prozess von außen durch Pumpen oder durch Zu- bzw. Abführung des Mediums 3 forcieren oder unterstützen zu müssen. Das Medium 3 bewegt sich ausschließlich in einem internen Kreislauf und mit dem vorhandenen Flüssigkeitsvorrat. Demzufolge entfallen auch ansonsten erforderliche Vorratsbehälter und größere Mengen an deponierter Nähr- bzw. Testflüssigkeit. Das Medium verbleibt ausschließlich am Ort (Reaktionsbereich). Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Züchten und/oder Testen des Biomaterials 2 ist gleichzeitig das Umwälzsystem für das Medium 3 in einem internen Kreislauf, was nicht zuletzt auch ein niedriges Infektionsrisiko gewährleistet sowie eine gute und sichere Handhabbarkeit der Inkubatorvorrichtung sicherstellt.
Im Gehäuseaufsatz 13 befindet sich ein Zuführungselement 23, über welches ein Druckluft-Gas-Gemisch in den Reaktionsraum der Inkubatorvorrichtung eingeleitet werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, unmittelbar in der Reaktions- bzw. Testzone der Aufnahme 7 für das Biomaterial 2 nicht nur definierte systolische, sondern auch diastolische Druckverhältnisse zu schaffen, welche eine Behandlung des Biomaterials unter optimalen Zuchtbedingungen und/oder realistischen Testbedingungen gestattet. Anstelle der gemeinsamen Zuführung für das Druckluft-Gas-Gemisch könnten auch getrennte Zuführungselemente 24, 25, 26 für Druckluft und Gas sowie zur individuellen Probenentnahme von Medium 3 realisiert werden.
Zur universellen Verwendung unterschiedlichster Biomaterialien 2 ist es zweckmäßig, die Trägerplatte 8 mit der Aufnahme 7 oder lediglich die Aufnahme 7 in der Trägerplatte 8 austauschbar zu gestalten.

1: Reaktorkammer
2: Biomaterial
3: Medium
4: Borosilikatrohr
5: Kammerboden
6: Kammerdeckel
7: Aufnahme
8: Trägerplatte
9: Durchflusselement
10: Rückschlagklappe
11: Rollmembranzylinder
12: Klammern
13: Gehäuseaufsatz
14: Antriebskraft
15: Durchgriff
16: Faltenbalg
17: Edelstahlbolzen
18: Verbindungselement
19: Rückholfeder
20: Druckleitung
21: Spannungs-Druckwandler
22: Spannungsgenerator
23, 24, 25, 26: Zuführungselement

Claims

Bioreaktor für das Tissue Engineering sowie zur ex situ Testung tissue engineerter und biologischer Materialien, wie Herzklappen, Blutgefäße und Gefäßflicken, bestehend aus einer hermetisch verschließbaren Reaktorkammer, beispielsweise aus Borosilikatglas, in welchem sich ein Träger zur Aufnahme eines zu behandelnden, d. h. zu generierenden, zu rekonstruierenden bzw. in seiner Funktion zu testenden, Biomaterials und ein mit dem Biomaterial in Kontakt zu bringendes Medium, insbesondere als Nährflüssigkeit, befinden, wobei das Medium durch einen vorzugsweise steuerbaren mechanischen Antrieb relativ zum Biomaterial bewegt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (8) zum Zweck der Relativbewegung zwischen dem Medium (3) und dem Biomaterial (2) mit zumindest einer vom Medium (3) durchströmbaren Aufnahme (7) für das oder die Biomaterialien (2) im Reaktorgehäuse (1) bewegbar angeordnet ist und zusätzlich eine ventilartige Öffnung (9, 10) zum richtungsabhängigen Durchfluss des Mediums (3) besitzt, und dass die Reaktorkammer (1) wenigstens eine Druckluft-Gas-Zuführung (23) zur Drucksteuerung bzw. -anpassung im Reaktionsraum aufweist.
Bioreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorkammer (1) mindestens ein Zuführungselement (23) für ein Druckluft-Gas-Gemisch aufweist.
Bioreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktorkammer (1) zumindest zwei Zuführungselemente (23, 24, 25, 26) für eine getrennte Zuführung und gesteuerte Ableitung von Druckluft und Gas vorgesehen sind.
Bioreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (8) im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist.
Bioreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Medium (3) durchströmbare Aufnahme (7) im oder am Träger (8) zur Verwendung von Biomaterial (2) unterschiedlicher An und Größe austauschbar gestaltet ist.
Bioreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ventilartige Öffnung im Träger (8) aus einem Durchflusselement (9) mit Rückschlagklappe (10) besteht.
Bioreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewegung des Trägers (8) ein Linearantrieb (11) vorgesehen ist, dessen Kraft über eine gegenüber dem Medium (3) durch einen Faltenbalg (16) abgedichtete Schubstange (17), vorzugsweise aus Edelstahl, auf den Träger (8) übertragen wird.
Bioreaktor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb durch einen Rollmembranantrieb (11) ohne Eigenerwärmung realisiert ist, welcher mit einem steuerbaren Spannungs-Druck-Wandler (21) in Verbindung steht.