DE19911326A1 - Vorrichtung zum Züchten von menschlichem oder tierischem Gewebe - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Züchten von menschlichem oder tierischem Gewebe, bestehend im wesentlichen aus wenigstens zwei Behälterteilen (2, 4), die dicht miteinander verbindbar sind und zwischen sich eine Züchtungskammer (10) bilden. In die Züchtungskammer mündet wenigstens ein Kanal (20, 28) zur Zu- und/oder Abführung von Nährflüssigkeit. Durch die Anordnung und auch Zahl der Kanäle ist der Strom der Nährflüssigkeit besser bestimmbar. Dies hat besondere Bedeutung bei einer Ausführungsform der Vorrichtung, bei der die Züchtungskammer dreidimensional ist und eine Negativform eines zu züchtenden Körperteils bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Durch den Bericht "Tissue engineering: generation of differentiated artificial tissues for biomedical applications" von Minuth, Sittinger und Kloth, in Cell and Tissue Research (1998) 291/1-11, Springer Verlag 1998, ist eine Vorrichtung der im Oberbegriff des An­ spruchs 1 genannten Art bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung werden Zellträger in die geöffnete Zell­ züchtungskammer eingebracht und randseitig eingespannt. Nach Schließen der Kammer werden unterschiedliche Nähr­ flüssigkeiten hinzugeführt, von denen eine oberhalb und die andere unterhalb des Zellträgers entlangströmt, auf dem so ein Gewebewachstum erfolgt, und zwar derart, daß verschiedene Gewebsausdifferenzierungen an der Unter- und Oberseite erzeugt werden, um zum Beispiel Haut zu züchten. Ein Nachteil der Zuchtkammer von Minuth be­ steht darin, daß das Gewebe nur die Form des Zellträ­ gers (im konkreten Fall einem Plättchen) annimmt. Soll­ te es darüber hinauswachsen, würde spätestens, wenn eine derartige Züchtungskammer ab einer gewissen Größe aus­ gefüllt ist, was für eine durch die Kammerform bestimm­ bare Formzüchtung unerläßlich ist, in Teilen des Gewe­ bes zuwenig Interzellularsubstanz gebildet werden oder würden Teile sogar absterben, weil die Gewebeernährung mangels Perfusionsleistung und/oder Sauerstoffversor­ gung nicht mehr ausreichen würde. Ein weiterer Nachteil besteht in der ungenügenden Formstabilität des zu züch­ tenden Gewebes bei mechanischer Belastung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der betreffenden Art zu schaf­ fen, mit der Gewebe in einer gewünschten und stabilen Form und/oder Oberflächenausbildung gezüchtet werden kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Nährflüssigkeit über wenigstens einen diskreten Kanal zuzuführen, so daß in den von der durch den/die Ka­ nal/Kanäle fließenden Nährflüssigkeit jeweils erfaßten Bereichen ein gleichmäßigeres Wachstum erreicht wird. Die Zahl und die Lage der einzelnen Kanäle kann belie­ big variiert werden, um so daß Gewebewachstum in den jeweils erfaßten Bereichen zu beeinflussen. Es können auch vorgezüchtete Geweberohlinge in der Züchtungskam­ mer in eine Form gepreßt und dann in diese Form gezüch­ tet werden. Dies kann auch unter Zugabe von syntheti­ schen oder anderen extrakorporal vorgezüchteten Gewebe­ formteilen geschehen.

Zweckmäßigerweise führen die Kanäle durch die Wan­ dung eines Behälterteils hindurch, und sind die Behäl­ terteile von einem Gehäuse dicht umschlossen, das die Züchtungskammer vollständig einschließt und durch das mit den Kanälen verbundene Zu- und/oder Abführungslei­ tungen für die Nährflüssigkeit einzeln oder in einem oder mehreren Bündeln zusammengefaßt hindurchgeführt sind. Auf diese Weise ist eine gezielte Nährflüssig­ keitszufuhr und/oder -abfuhr und durch das Gehäuse ein zusätzlicher Schutz vor Keimbesiedelung erreichbar.

Wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in den Verbindungsleitungen Mengenregler angeordnet sind, ist es zusätzlich möglich, Geschwindigkeit und Menge der den einzelnen Bereichen zugeführten Nährflüssigkeit anzupassen.

Bei großer Dichte der Kanäle kann deren Herstel­ lung schwierig sein. Aus diesem Grund sieht eine zweck­ mäßige Ausführungsform gemäß der Erfindung vor, daß die Kanäle durch offene Poren eines offenporigen Schaum­ stoffs oder eines Gels gebildet sind.

Um das gezüchtete Gewebe sicher innerhalb der Züchtungskammer zu halten, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, auf der Innenfläche wenigstens eines der Behälterteile ein Filterelement anzuordnen, das eine oder mehrere Filterschichten aufweist.

Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung hat die Innenfläche wenigstens eines der Behälterteile eine dreidimensionale Form. Auf diese Weise ist es möglich, dreidimensionale Gewebestrukturen zu schaffen, insbesondere dann, wenn die durch die dreidimensionalen Formen der Innenflächen der Behälter­ teile gebildete Kammer eine Negativform eines zu züch­ tenden Körperteils ist. Das gewünschte Körperteil er­ hält also unmittelbar beim Züchtungsvorgang die ge­ wünschte Form, beispielsweise eines Ohr- oder Nasen­ knorpels, der dann unmittelbar implantiert werden kann.

Sind die Innenflächen der Behälterteile dreidimen­ sional, so ist es zweckmäßig, auch in diesem Fall die Innenflächen der Behälterteile durch jeweils in glei­ cher Weise dreidimensional geformte Filterelemente ab­ zudecken, die ebenfalls eine oder mehrere Filterschich­ ten aufweisen können.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können grundsätzlich Gewebeteile mit oder ohne Stützgerüst und mit oder ohne Zellträger in eine Form gezüchtet werden. Das Stützgerüst und/oder der Zellträger wird dann ein­ fach bei Beginn des Züchtungsvorganges, bereits mit Zellen bedeckt und/oder hiermit durchsetzt, in die Züchtungskammer gebracht. Ist die Züchtungskammer dabei gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform entspre­ chend einem zu züchtenden Körperteil dreidimensional geformt, so ergeben sich zwangsläufig auf dem Stützge­ rüst unterschiedlich dicke Gewebequerschnitte. Dies kann dazu führen, daß die Ernährung des Gewebes teil­ weise unzureichend ist, mit der Folge, daß das Gewebe abstirbt, oder aber die Festigkeit der Gewebestruktur an einzelnen Stellen und/oder insgesamt leidet.

Aus diesem Grund sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, daß die Züchtungskammer von einem Perfu­ sionsröhrchen oder mehreren Perfusionsröhrchen durch­ setzt ist/sind zur Zu- und/oder Abfuhr von Nährflüssig­ keit, wobei das Röhrchen bzw. die Röhrchen durch das Zuchtgewebe hindurchführt/hindurchführen. Vorzugsweise bestehen die Röhrchen aus zwei steckbaren und damit trennbaren Teilen oder bestehen wenigstens an einer Stelle aus auflösbarem Material, so daß sie nach Ab­ schluß der Züchtung zum Erhalt der Sterilität des Gewe­ beblockes zu beiden Seiten herausgezogen werden können.

Wenn der innerhalb des Gewebeblockes befindliche Teil des Röhrchens so beschaffen ist, daß er sich auf­ löst, muß das Röhrchen nicht zweigeteilt sein; es wer­ den dann vor Implantation lediglich die äußeren Enden abgetrennt oder aus dem Gewebeblock herausgezogen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist/sind das Perfusionsrohr/die Perfusionsröhrchen auf seiner Außenfläche/ihrer Außenflächen wenigstens im Bereich der Durchbrüche durch wenigstens ein Filterelement, das eine oder mehrere Filterschicht/-en aufweisen kann, abgedeckt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es mög­ lich, dem zu züchtenden Gewebe von außen eine Form zu verleihen, die es auch unter späterer mechanischer Be­ lastung, zum Beispiel nach Implantation, beibehält. Bei dieser Formung von außen wird auch die gewünschte Form erzielt und/oder während der Gewebezüchtung beibehal­ ten, wenn mechanische Einflüsse von außen, wie zum Bei­ spiel Druckschwankungen (Ultraschall) oder Rotationen einwirken.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die dem zu züchtenden Gewebe zugewandte Oberflä­ che des Filterelementes eine Höhenstruktur auf, welche dem zu züchtenden Gewebe eine entsprechend komplementä­ re Oberflächenausbildung verleiht, was für das Einwach­ sen von großer Bedeutung ist. So kann zum Beispiel ein schnelles und/oder festes Einwachsen von bestimmten Teilen und ein verzögertes und/oder lockeres Einwachsen von anderen Teilen vorausbestimmt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besitzt das Filterelement auf der dem Zuchtgewebe abge­ wandten Seite eine weitere oder mehrere weitere Filter­ schichten, die in tangentialer Richtung offenporig aus­ gebildet ist/sind und/oder Kanäle aufweist/aufweisen. Durch diese Ausbildung kann die Verteilung der Nähr­ lösung verbessert werden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung an Aus­ führungsbeispielen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt im Schnitt ein erstes Ausführungs­ beispiel, und

Fig. 2 zeigt schematisch ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt im Schnitt zwei Behälterteile 2 und 4, die zwischen ihren dreidimensional geformten Innen­ flächen 6 und 8 eine dreidimensionale Züchtungskammer 10 einschließen.

Zwischen den Rändern der Behälterteile 2 und 4 befindet sich eine Dichtung 12, gegen die die Ränder der Behälterteile 2 und 4 durch Klemmbacken 14 und 16 gepreßt sind, so daß die Züchtungskammer 10 seitlich dicht verschlossen ist. Die Klemmbacken 14 und 16 sind durch eine schematisch dargestellte Spannschraube 18 festziehbar.

In beiden Behälterteilen 2 und 4 befinden sich Kanäle 20, 28, die jeweils durch Verbindungsleitungen 22 und als Ventile ausgebildete Mengenregler 24 mit einer gemeinsamen Leitung 26 oder mit unterschiedlichen Leitungen zur Zuführung und/oder Abführung von Nähr­ flüssigkeit verbunden sind. Aus Gründen der Übersicht­ lichkeit sind nur einige der Verbindungsleitungen 22 und Mengenregler 24 gezeigt; natürlich sind alle Kanäle 18, 20 in gleicher Weise an die gemeinsame Leitung oder verschiedene Leitungen 26 angeschlossen.

Die Innenflächen 6 und 8 der Behälterteile 2 und 4 sind über ihre gesamte Ausdehnung durch komple­ mentär zu den Innenflächen 6 und 8 dreidimensional ge­ formte Filterelemente 30 und 32 abgedeckt, die sich in den Bereich der Dichtung 12 erstrecken, so daß in der Züchtungskammer 10 befindliches, schematisch dar­ gestelltes Zuchtgewebe 34 vollständig von den Filter­ elementen 30, 32 umschlossen und somit von den Zu- und Abflüssen der Kanäle 20, 28 getrennt ist. Die Filter­ elemente 30, 32 haben außerdem die Aufgabe, die durch die Kanäle 20 und/oder 28 zuströmende Nährflüssigkeit gleichmäßig der Oberfläche des Zuchtgewebes 34 zuzufüh­ ren. Dies gilt in entsprechender Weise für den Abfluß in die Kanäle 20 und/oder 28.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel ähnlich gemäß Fig. 1. Gleiche oder sich entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen, so daß insofern auf die Beschreibung der Fig. 1 verwiesen wird.

Die Kanäle 20, 28 zur Zu- und/oder Abführung der Nährflüssigkeit führen durch die Wandung der Behälter­ teile 2 und 4 hindurch. Die Behälterteile 2, 4 sind von einem Gehäuse 38, 46 umschlossen, das die Züchtungs­ kammer 10 voll einschließt. Durch das Gehäuse 38, 40 sind mit den Kanälen verbundene Zu- und/oder Abfüh­ rungsleitungen 22 für die Nährflüssigkeit einzeln oder in einem oder in mehreren Bündeln zusammengefaßt hin­ durchgeführt.

Die Züchtungskammer 10 ist von einem Perfusions­ rohr 52 oder von mehreren Perfusionsrohren durchsetzt, das bzw. die durch das zu züchtende Gewebe 34 hindurch­ geführt ist/sind. Das Perfusionsrohr 52 dient zur Ver­ sorgung des Zuchtgewebes mit Nährflüssigkeit von innen. Hierzu weist das Perfusionsröhrchen 52 vorzugsweise Öffnungen 58 auf, über die es in offener Verbindung mit der Zuchtkammer 10 steht. Durch das Gehäuse 38, 40 sind mit dem Perfusionsrohr 52 verbundene Zu- und/oder Ab­ führungsleitungen 22' hindurchgeführt.

Wie in der Fig. 2 dargestellt, besteht das Perfu­ sionsröhrchen 52 vorzugsweise aus zwei steckbaren und damit trennbaren Teilen, so daß diese nach Abschluß der Züchtung zum Erhalt der Sterilität des Gewebeblockes zu beiden Seiten herausgezogen werden können. Das Perfu­ sionsröhrchen kann aber auch so ausgebildet sein, daß es wenigstens in einem Bereich auflösbar ist, so daß es ebenfalls beidendig nach Abschluß der Züchtung heraus­ gezogen werden kann.

Das Perfusionsröhrchen 52 kann auf seiner Außen­ fläche wenigstens im Bereich der Öffnungen 58 durch ein Filterelement 60 abgedeckt sein, das ein oder mehrere Filterschichten aufweist.

Das Filterelement 60 kann auf der dem Zuchtgewebe abgewandten Seite eine weitere oder mehrere weitere Filterschichten aufweisen, die in tangentialer Richtung offenporig ausgebildet ist/sind und/oder Kanäle auf­ weist/aufweisen zur Erzielung eines Nährlösungsstromes tangential zur Gewebeoberfläche, wodurch eine bessere Verteilung der Nährlösung erreicht werden kann. Eine derartige Ausbildung können auch die Filterelemente 30, 32 aufweisen.

Die dem zu züchtenden Gewebe zugewandte Oberfläche des Filterelementes 60 und/oder der Filterelemente 30, 32 kann eine bestimmte Höhenstruktur aufweisen (nicht dargestellt), welche dem zu züchtenden Gewebe eine ent­ sprechend komplementäre Oberflächenausbildung verleiht.

Die Höhenstruktur kann örtlich unterschiedlich sein. Dies kann für das Einwachsen von großer Bedeutung sein. So kann zum Beispiel ein schnelles und/oder festes Ein­ wachsen von bestimmten Teilen und ein verzögertes und/oder lockeres Einwachsen von anderen Teilen vor­ ausbestimmt werden.

Claims (18)

1. Vorrichtung zum Züchten von menschlichem oder tieri­ schem Gewebe, mit wenigstens zwei Behälterteilen, die dicht miteinander verbindbar sind und zwischen denen sich eine Züchtungskammer befindet, und mit Zuführmit­ teln zur Zuführung von Nährflüssigkeit und mit Ablei­ tungsmitteln zur Ableitung der Nährflüssigkeit oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungs- und Abführungsmittel wenigstens einen Kanal (20, 28) aufweisen, der in einer Innenfläche (6, 8) eines Behäl­ terteils (2, 4) mündet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (20, 28) durch die Wandung eines Behäl­ terteils (2, 4) hindurchführen und daß die Behälter­ teile (2, 4) von einem Gehäuse (38, 46) dicht umschlos­ sen sind, das die Züchtungskammer (10) vollständig ein­ schließt und durch das mit den Kanälen verbundene Zu- und/oder Abführungsleitungen (22) für die Nährflüssig­ keit einzeln oder in einem oder mehreren Bündeln zu­ sammengefaßt hindurchgeführt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (20, 28) mit im wesentlichen gleichem Abstand oder unterschiedlichem Abstand zueinander an­ geordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle durch offene Poren eines offenporigen Schaumstoffs oder eines Gels gebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Kanal/Kanäle (20, 28) jeweils an eine/an individuelle/individuellen Verbindungsleitung/Ver­ bindungsleitungen (22) zur Zuführung und/oder Ab­ führung von Nährflüssigkeit angeschlossen ist/sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in der/den Verbindungsleitung/Verbindungs­ leitungen (22) Mengenregler (24) zur Einstellung der Menge der durchfließenden Nährflüssigkeit angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenfläche (6, 8) wenigstens eines der Behälterteile (2, 4) ein Filterelement (30, 32), das eine Filterschicht oder mehrere Filterschichten auf­ weist, angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (6, 8) wenigstens eines der Behäl­ terteile (2, 4) eine dreidimensionale Form hat.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die dreidimensionalen Formen der Innen­ flächen (6, 8) der Behälterteile (2, 4) gebildete Züch­ tungskammer (10) eine Negativform eines zu züchtenden Körperteils ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Innenflächen (6, 8) der Behälterteile (2, 4) durch jeweils in gleicher Weise dreidimensional geformte Filterelemente (30, 32), die eine Filter­ schicht oder mehrere Filterschichten aufweisen, abge­ deckt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Züchtungskammer (10) von einem Perfu­ sionsröhrchen (52) oder mehreren Perfusionsröhrchen durchsetzt ist zur Zu- und/oder Abfuhr von Nährflüs­ sigkeit von innen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Innenraum des Perfusionsröhrchens (52) oder der Perfusionsröhrchen über im Mantel der Röhrchen ausgebildete Öffnungen (58) in offener Verbindung mit der Züchtungskammer (10) steht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Perfusionsröhrchen (52) oder die Perfusionsröhrchen in zwei oder mehreren Teilen trenn­ bar ausgebildet ist/sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Perfusionsröhrchen (52) oder die Perfusionsröhrchen wenigstens teilweise aus einem sich auflösenden Material bestehen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Perfusionsröhrchen (52) oder die Perfusionsröhrchen auf seiner/ihrer Außenflä­ che wenigstens im Bereich der Öffnungen (58) durch we­ nigstens ein Filterelement (60), das eine oder mehrere Filterschichten aufweist, abgedeckt ist/sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 7, 10 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die dem zu züchtenden Gewebe zu­ gewandte Oberfläche des Filterelementes (60) und/oder der Filterelemente (30, 32) eine Höhenstruktur auf­ weist, welche dem zu züchtenden Gewebe eine entspre­ chend komplementäre Oberflächenausbildung verleiht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Höhenstruktur örtlich unterschiedlich ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß das Filterelement(60) und/oder die Filterele­ mente (30, 32) auf der dem Zuchtgewebe abgewandten Sei­ te eine weitere Filterschicht oder mehrere weitere Fil­ terschichten besitzt/besitzen, die in tangentialer Richtung offenporig ausgebildet ist/sind und/oder Kanä­ le aufweist/aufweisen.