DE19720655A1 - Method for measuring time characteristic of permeability of materials or tissues to fluids or fluid materials - Google Patents

Method for measuring time characteristic of permeability of materials or tissues to fluids or fluid materials

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DE19720655A1 DE1997120655 DE19720655A DE19720655A1 DE 19720655 A1 DE19720655 A1 DE 19720655A1 DE 1997120655 DE1997120655 DE 1997120655 DE 19720655 A DE19720655 A DE 19720655A DE 19720655 A1 DE19720655 A1 DE 19720655A1
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Abstract

The method involves maintaining the filling level of a fluid or a fluid material (2) at a constant level above a natural or artificial material or tissue (1) to be teste, by topping up the level with defined quantities. The volume added corresponds to the fluid or the fluid material which has permeated the material or tissue. All the components required to perform this task can be controlled by suitable hardware and software. The inflow side (4) and the outflow side (5) may be separated from each other in two areas.

Description

(Kurzbeschreibung)(Short description)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff der Ansprüche 1-14.The invention relates to a method and an apparatus according to the Preamble of claims 1-14.

(Anwendungsgebiet)(Field of use)

In vielen Bereichen, unter anderem in der Biologie, wird die Durchlässigkeit (Permeabilität) von Stoffen oder Geweben gemessen. Je nach Art oder Funktion des Stoffes oder Gewebes sind unterschiedliche Durchlässigkeiten ermittelbar. Durch Zugabe bestimmter Substanzen kann die Durchlässigkeit des Stoffes oder Gewebes beeinflußt werden.In many areas, including biology, permeability becomes (Permeability) of substances or fabrics measured. Depending on the type or The function of the fabric or fabric are different permeabilities detectable. By adding certain substances, the permeability of the substance or fabric are affected.

In der Biologie zum Beispiel wird die Durchlässigkeit von kultivierten Zell- oder Gewebsschichten gemessen.In biology, for example, the permeability of cultured cells or Tissue layers measured.

(Stand der Technik)(State of the art)

Zur Messung der Permeabilität wird ein Verfahren verwendet, welches das Fluid-Volumen ermittelt, das durch den Stoff oder das Gewebe getreten ist.A method is used to measure the permeability, which is the Volume of fluid determined that has passed through the substance or tissue.

Zu vermessende Stoffe oder Gewebe werden in eine Vorrichtung gegeben. Der obere Teil mit einem Fluid gefüllt und verschlossen. Ein Anschluß dient der Zugabe des durch den Stoff oder das Gewebe tretenden Mediums und zum Aufbau eines hydrostatischen Druckes auf den Stoff oder das Gewebe. Substances or fabrics to be measured are placed in a device. Of the upper part filled with a fluid and closed. A connection serves the Addition of the medium passing through the substance or tissue and to Building up a hydrostatic pressure on the fabric.  

Die Durchlässigkeit wird auf der Abstromseite ermittelt. Dies geschieht über die Auswertung des Anstiegs in einer Bürette, welche den Füllstand anzeigt. Als kleinste Durchflußvolumina können 10 µl abgelesen werden. Fluide werden über einen Vorratsbehälter, der gleichzeitig einen hydrostatischen Druck auf das Gewebe aufbaut, bereitgestellt. (Siehe dazu: "Journal of Physiology, 431, Great Britain 1990, pp. 379-401, Hans-J. Schnittlerand others").The permeability is determined on the downstream side. This happens through the Evaluation of the increase in a burette, which shows the level. As smallest flow volumes can be read 10 µl. Become fluids via a reservoir, which is simultaneously a hydrostatic pressure builds up the tissue. (See: "Journal of Physiology, 431, Great Britain 1990, pp. 379-401, Hans-J. Schnittlerand others ").

(Nachteile des Standes der Technik)(Disadvantages of the prior art)

Bei dem Stand der Technik wird der Vorratsbehälter zum Erzeugen eines Druckes verwendet, was dazu führt, daß der Füllstand in diesem mit der Zeit fällt, da Fluid durch das Gewebe abfließt und der hydrostatische Druck absinkt. Eine Druckschwankung auf die zu vermessende Schicht ist die Folge. Das weiteren besteht keine Gasversorgung, mit der ein Mischgas in das System geleitet werden kann, um definierte Bedingungen zu schaffen und dadurch Langzeitmessungen zuzulassen (Zufuhr von erforderlichen Bestandteilen, Metabolitenabtransport, pH-Wert-Beeinflussung). Während des Versuches kann der Druck auf den Stoff oder das Gewebe nicht variiert werden. Durch das Ablesen der Werte an der Bürette wird nur eine Meßgenauigkeit von 10 µl/min erreicht, und diese reicht in bestimmten Fällen nicht aus.In the prior art, the reservoir is used to generate a Pressure is used, which leads to the level in this over time falls because fluid flows through the tissue and the hydrostatic pressure drops. The result is a pressure fluctuation on the layer to be measured. The further there is no gas supply with which a mixed gas enters the system can be directed to create defined conditions and thereby Allow long-term measurements (supply of necessary components, Removal of metabolites, influencing pH value). During the trial the pressure on the fabric or fabric cannot be varied. By the Reading the values on the burette only results in a measuring accuracy of 10 µl / min reached, and this is not sufficient in certain cases.

(Aufgabe der Erfindung)(Object of the invention)

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche Messungen der Durchlässigkeit von Stoffen oder Geweben ermöglichen und dabei definierte Drücke auf Zu- und Abstromseite, eine Gaszufuhr, Gasumwälzung und Temperierung der Stoffe oder Gewebe erlaubt. Bei bestimmten Untersuchungen (z. B. bei biologischen Zellen) muß das Gas zur Zufuhr von erforderlichen Bestandteilen (z. B. O2) und zum Abtransport von Metaboliten (z. B. CO2) umgewälzt werden. Das System soll Meßgenauigkeiten unter 10 µl/lmin ermöglichen.The object of the invention is to provide a method and a device which enable measurements of the permeability of substances or fabrics and thereby allow defined pressures on the inflow and outflow side, a gas supply, gas circulation and temperature control of the substances or fabrics. In certain investigations (e.g. in biological cells) the gas has to be circulated in order to supply the necessary constituents (e.g. O 2 ) and to remove metabolites (e.g. CO 2 ). The system should enable measuring accuracies below 10 µl / lmin.

Die Messung soll bei gewünschten Temperaturen oder Temperaturprofilen erfolgen können. The measurement should take place at desired temperatures or temperature profiles can be done.  

(Lösung der Aufgabe)(Solution of the task)

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1-14 gelöst.These tasks are accomplished by a method and an apparatus with the Features of claims 1-14 solved.

(Vorteile der Erfindung)(Advantages of the Invention)

Bei dem Verfahren der Messung über die Konstanthaltung eines Flüssigkeit- Niveaus ist es möglich, über der Flüssigkeit einen definierten Druck mittels eines Gases geregelt aufzubauen. Je nach Art und Zusammensetzung des Gases kann dieses in Reaktion mit dem Fluid treten. Über Diffusion in das Fluid kann der Stoff oder das Gewebe beeinflußt werden (z. B. Atemgaszufuhr, Nährstoffzufuhr und Metabolitenabtransport, PH-Wert-Beeinflussung).In the process of measuring by keeping a liquid constant Levels, it is possible to apply a defined pressure across the liquid to build a gas regulated. Depending on the type and composition of the Gases can react with the fluid. About diffusion into the fluid can the substance or tissue be influenced (e.g. breathing gas supply, Nutrient supply and metabolite removal, pH value influence).

Beim Konstanthalten des Fluid-Niveaus ist diese Vorrichtung in der Lage, Fluidmengen im Nanoliter-Bereich zu dosieren. Die Meßgenauigkeit des Systems wird dadurch bestimmt und liegt ebenfalls im Nanoliter-Bereich.By keeping the fluid level constant, this device is able to Dosing fluid quantities in the nanoliter range. The measuring accuracy of the Systems is determined by this and is also in the nanoliter range.

Da die Abstromseite für die Ermittlung des Durchflußvolumens bei konstanten Durchströmungsbedingungen nicht benötigt wird, können Flüssigkeits-Proben zur Untersuchung hier in beliebiger Menge entnommen werden. Zusätzlich kann auf dieser Seite ein Druck zum Aufbau von Druckgradienten aufgebracht werden. Auch auf der Zustromseite können Stoffe zugegeben oder abgenommen werden. Since the downstream side for the determination of the flow volume at constant Flow conditions are not needed, liquid samples can be taken can be taken here for examination in any quantity. In addition can apply pressure to build up pressure gradients on this page will. Substances can also be added on the inflow side be removed.  

Beispielbeschreibung einer PatentanmeldungExample description of a patent application

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in FIG. 1 and is described in more detail below.

Gewählt wurde ein Beispiel aus der Biologie, bei welchem es wünschenswert ist, die Permeabilität von einer Zellschicht (Stoff oder Gewebe [1]) zu ermitteln.An example from biology was chosen in which it is desirable to determine the permeability of a cell layer (substance or tissue [ 1 ]).

Es zeigtIt shows

Fig. 1 Aufbau einer möglichen Messung
Aufbau der Versuchsanordnung: Fig. 1 Structure of a possible measurement
Structure of the experimental setup:

Es wird die Zell- oder Gewebeschicht [1] in einem entsprechenden Halter [3] gezüchtet. Als zu untersuchendes Material wird eine einschichtige Lage Endothelzellen verwendet. Diese regeln im physiologischen Zustand im menschlichen Körper die Permeabilität von Gefäßen (z. B. Blutgefäße) oder Kapillaren.The cell or tissue layer [ 1 ] is grown in an appropriate holder [ 3 ]. A single-layer layer of endothelial cells is used as the material to be examined. In the physiological state, these regulate the permeability of vessels (e.g. blood vessels) or capillaries in the human body.

Dieser Halter [3] wird in ein geteiltes Gefäß gegeben und dieses mit Hilfe eines Flansches [15] dicht verbunden und in zwei Bereiche, Zustromseite [4] und Abstromseite [5] getrennt.This holder [ 3 ] is placed in a divided vessel and this is tightly connected using a flange [ 15 ] and separated into two areas, the inflow side [ 4 ] and the outflow side [ 5 ].

Über entsprechende druckdichte Anschlüsse werden eine Dosierung [13] und ein Meßsensor zur Füllstandsmessung [14] in das System integriert. Über eine Druckregelung [7] kann mittels Gasdruckquelle [8] und Gasanschluß [6] ein Gasdruck im Raum der Zustromseite [4] aufgebaut werden. Durch die Anordnung des Anschlusses [9] und der Drosselung [10] wird der Gasaustausch beeinflußt.Dosing [ 13 ] and a measuring sensor for level measurement [ 14 ] are integrated into the system via appropriate pressure-tight connections. A gas pressure in the space on the inflow side [ 4 ] can be built up via a pressure control [ 7 ] by means of gas pressure source [ 8 ] and gas connection [ 6 ]. The gas exchange is influenced by the arrangement of the connection [ 9 ] and the throttling [ 10 ].

Durch Anbringen einer Heizung oder Einbringen der gesamten Anordnung in eine klimatisierte Kammer kann die Temperatur des Systems beeinflußt werden.By attaching a heater or placing the entire assembly in an air-conditioned chamber can affect the temperature of the system will.

Der Anschluß [11] und der höhenverstellbare Anschluß [12] sind vorgesehen um eine Umwälzung des Fluids auf der Abstromseite [5] zu ermöglichen und zur Entnahme von Proben für weitere Analysen. Zudem kann über die Anschlüsse [11+12] zur Erzeugung eines beliebigen Druckgradienten über dir Zell- oder Gewebsschicht ein geregelter Druck/Druckprofil aufgebracht werden.The connection [ 11 ] and the height-adjustable connection [ 12 ] are provided to allow circulation of the fluid on the downstream side [ 5 ] and to take samples for further analysis. In addition, a regulated pressure / pressure profile can be applied via the connections [ 11 + 12 ] to generate any pressure gradient above the cell or tissue layer.

Einstellen eines Fluid-Füllstandes:
Die Meßsonde [14] ermittelt den Füllstand des Fluids [2] über den Zellen oder dem Gewebe [1] in dem Halter [2]. Ist dieser zu niedrig wird über eine Regelung die Dosierung [13] eingeschaltet und der Füllstand solange korrigiert, bis ein gewünschtes Niveau erreicht ist.Setting a fluid level:
The measuring probe [ 14 ] determines the level of the fluid [ 2 ] above the cells or tissue [ 1 ] in the holder [ 2 ]. If this is too low, the dosing [ 13 ] is switched on via a control and the level is corrected until a desired level is reached.

Meßvorgang zur Bestimmung der Durchlässigkeit:
Beim Durchtreten von Fluid oder fließfähigen Stoffen durch die Zell- oder Gewebsschicht [1] in die Abstromseite [5] sinkt der Füllstand des Fluids [2] oberhalb der Zell- oder Gewebsschicht. Dieses Absinken wird durch den von der Meßsonde [14] gelieferten Wert an die Regelung weitergegeben. Die Regelung schaltet die Dosierung [13] ein, und der Füllstand wird auf seinen gewünschten Wert korrigiert. Die nachdosierte Menge entspricht bei konstanten Durchflußverhältnissen der Menge an Fluid, welche durch die Zell- oder Gewebsschicht abgeflossen ist.Measuring process for determining the permeability:
When fluid or flowable substances pass through the cell or tissue layer [ 1 ] into the downstream side [ 5 ], the level of the fluid [ 2 ] above the cell or tissue layer drops. This drop is passed on to the control system by the value supplied by the measuring probe [ 14 ]. The control switches on the dosing [ 13 ] and the level is corrected to its desired value. At constant flow ratios, the amount metered in corresponds to the amount of fluid that has flowed through the cell or tissue layer.

Dieser Meßvorgang wird zyklisch wiederholt.This measuring process is repeated cyclically.

Steuerung und Datenaufbereitung:
Der Wert des Meßsensors [14] zur Ermittlung des Füllstandes wird elektrisch mit einem Sollwert verglichen. Ist der Füllstand zu niedrig, wird die Nachdosierung [13] aktiviert und eine definierte Menge an Fluid wird dem System zugegeben. Im Gleichgewichtsfall entspricht dieses Volumen der abgeflossenen Menge und dieser Wert wird als Durchflußrate ausgegeben.Control and data preparation:
The value of the measuring sensor [ 14 ] for determining the fill level is compared electrically with a target value. If the level is too low, the replenishment [ 13 ] is activated and a defined amount of fluid is added to the system. In the case of equilibrium, this volume corresponds to the flow rate and this value is output as the flow rate.

Um bei längeren Meßzeiten Daten zu reduzieren, werden die Werte der Dosierung über mehrerer Meßzyklen integriert und zum Beispiel im Minutentakt ausgegeben.In order to reduce data during longer measuring times, the values of the Dosing integrated over several measuring cycles and, for example, every minute spent.

Genauigkeit des Verfahrens:
Durch Verwendung eines Meßsensors [14] mit entsprechender Genauigkeit und einer Dosierung [13] mit der Möglichkeit sehr kleine Volumina zu dosieren kann die Permeabilität im Nanoliterbereich ermittelt werden. Accuracy of the procedure:
The permeability in the nanoliter range can be determined by using a measuring sensor [ 14 ] with appropriate accuracy and a metering [ 13 ] with the possibility of metering very small volumes.

Weitere Anwendungen des Systems:
Mit diesem Verfahren können auch andere Stoffe und Gewebe hinsichtlich ihrer Durchlässigkeit untersucht werden. So zum Beispiel auch künstlich hergestellte Membranen oder Gewebe.Other applications of the system:
This method can also be used to examine other substances and fabrics with regard to their permeability. For example, artificially produced membranes or fabrics.

Durch Einbringen eines für Flüssigkeit undurchlässigen Materials in den Halter [3] anstelle der Zell- oder Gewebsschicht [1] kann die Verdunstung verschiedener Flüssigkeiten im Nanoliterbereich ermittelt werden. Dabei können Druck, Temperatur und Gasdurchfluß geregelt werden.The evaporation of various liquids in the nanoliter range can be determined by introducing a liquid-impermeable material into the holder [ 3 ] instead of the cell or tissue layer [ 1 ]. Pressure, temperature and gas flow can be regulated.

Claims (14)

1. Verfahren zum Messen des Zeitverhaltens der Permeabilität von Stoffen, Geweben [1], künstlicher oder biologischer Herkunft, gegenüber Flüssigkeiten und/oder fließfähigen Stoffen [2], dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstand einer Flüssigkeit und/oder fließfähiger Stoffe [2] über dem Stoff oder Gewebe [1] durch Nachdosierung von definierten Mengen konstant gehalten wird, und das nachdosierte Volumen der Menge der durchgeflossenen Flüssigkeit und/oder der fließfähigen Stoffe entspricht.1. A method for measuring the time behavior of the permeability of substances, tissues [ 1 ], artificial or biological origin, towards liquids and / or flowable substances [ 2 ], characterized in that the level of a liquid and / or flowable substances [ 2 ] about the substance or fabric [ 1 ] is kept constant by the addition of defined amounts, and the volume added corresponds to the amount of the liquid and / or the flowable substances. 2. Vorrichtung [Fig. 1] zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitliche Verhalten der Permeabilität von dem zu untersuchenden Material [1] gegenüber Flüssigkeiten und/oder fließfähigen Stoffen [2] gemessen wird.2. Device [ Fig. 1] for performing the method according to claim 1, characterized in that the temporal behavior of the permeability of the material to be examined [ 1 ] to liquids and / or flowable substances [ 2 ] is measured. 3. Vorrichtung [3] zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf Permeabilität zu untersuchende Material [1] in geeigneter Form befestigt wird.3. Device [ 3 ] for performing the method according to claim 1, characterized in that the material to be examined for permeability [ 1 ] is fastened in a suitable form. 4. Vorrichtung [16] zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf Permeabilität zu untersuchende Material [1] mechanisch stabilisiert wird und Durchflüsse reproduzierbar gewährleistet.4. Device [ 16 ] for performing the method according to claim 1, characterized in that the material to be examined for permeability [ 1 ] is mechanically stabilized and flow rates are reproducibly ensured. 5. Vorrichtung [3] zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zustromseite [4] und Abstromseite [5] in zwei Bereiche getrennt werden.5. Device [ 3 ] for performing the method according to claim 1, characterized in that the inflow side [ 4 ] and the outflow side [ 5 ] are separated into two areas. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum auf der Zustromseite [4] des auf Permeabilität zu untersuchenden Materials [1] über eine Leitung [6] und eine Druckregelung [7] mit einer Druckgasquelle [8] verbunden ist. 6. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that the space on the inflow side [ 4 ] of the material to be examined for permeability [ 1 ] via a line [ 6 ] and a pressure control [ 7 ] with a compressed gas source [ 8 ] connected is. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum auf der Zustromseite [4] des auf Permeabilität zu untersuchenden Materials [1] über einen Anschluß [9] und eine Drosselung [10] mit der Atmosphäre verbunden ist.7. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that the space on the inflow side [ 4 ] of the material to be examined for permeability [ 1 ] is connected to the atmosphere via a connection [ 9 ] and a throttle [ 10 ] . 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einen Anschluß [9] eine Komponente zur Wahrung der Sterilität auf der Zustromseite [4] angebracht wird.8. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that a component for maintaining sterility on the inflow side [ 4 ] is attached to a connection [ 9 ]. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstand des Fluids [2] auf der Zustromseite [4] des auf Permeabilität zu untersuchenden Materials [1] gemessen wird.9. A device for performing the method according to claim 1, characterized in that the level of the fluid [ 2 ] on the inflow side [ 4 ] of the material to be examined for permeability [ 1 ] is measured. 10. Vorrichtung [13] zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flüssigkeit und/oder fließfähige Stoffe auf der Zustromseite [4] in definierter Menge dosiert werden können.10. The device [ 13 ] for performing the method according to claim 1, characterized in that a liquid and / or flowable substances on the inflow side [ 4 ] can be metered in a defined amount. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über Anschlüsse [11+12] ein Gegendruck aufgebaut werden kann.11. A device for performing the method according to claim 1, characterized in that a back pressure can be built up via connections [ 11 + 12 ]. 12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über Anschlüsse [11+12] Proben entnommen, Konzentrationsgradienten eingestellt, Flüssigkeitsumwälzungen und Metabolitenabtransporte angeschlossen werden können.12. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that samples can be taken via connections [ 11 + 12 ], concentration gradients set, liquid circulation and metabolite removal can be connected. 13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf Permeabilität zu untersuchende Material [1] temperiert werden kann.13. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that the material to be examined for permeability [ 1 ] can be tempered. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ansprüchen 2-13 beschriebenen Komponenten mittels geeigneter Hard- und Software regelbar sind.14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that that the components described in claims 2-13 means suitable hardware and software can be regulated.
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