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Bereich der Technik
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Die technische Lösung betrifft den Bioreaktor für das funktionelle Gewebe Engineering, der sich aus einer hermetisch abgetrennten Kammer zusammensetzt, in der eine Einrichtung insbesondere für die mechanische Belastung des Knorpelgewebeersatzes angebracht ist.
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Bisheriger Stand der Technik
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Für eine erfolgreiche Erzeugung der Knorpelgewebeersätze sind die einzelnen Gewebepräparate nach Besetzen mit den Zellen mechanisch zu beschweren. Zugleich ist das Milieu sicher zu stellen, wo sich die gegebenen Zellen weiterentwickeln können. Es kommt bei der Erfüllung solcher Anforderungen zur Erzeugung eines funktionellen Gewebeimplantates, das für die Implantation der biologischen Belastung vorbereitet ist. Die Gewebe-Bioreaktoren werden im Prozess der Knorpelreifung für die Simulation der zu belastenden Zyklen ausgenutzt.
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Der Sinn der gegenwärtigen zur Gewebekultivierung bestimmten Einrichtungen ist die Nachahmung der in-vivo Bedingungen und zwar vorzugsweise aus dem chemischen und biologischen Gesichtspunkt. Dieses Milieu wird in den gegenwärtigen Typen der Bioreaktoren abhängig vom Typ des gewünschten Gewebes gebildet. Allgemein kann festgestellt werden, dass es sich um solche Einrichtung handelt, wo die chemische und biologische Nachhaltigkeit des Ernährungsmediums sichergestellt, wo die Inkubationstemperatur des Kultivierungsraumes reguliert und überwacht wird und wo der erforderliche Druck und die Konzentration von der Mischungen der Betriebs- und Kultivierungsmedien sichergestellt wird. Nichtsdestoweniger dazu, dass ein lebensfähiges Gewebe wachsen kann, muss die Einrichtung die Anforderungen auf einfache Sterilisierung, lässigen Zutritt des Ernährungsmediums zu den zu kultivierenden Zellen und ihre Variation erfüllen.
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Eine der grundlegendsten Ausführungen stellt das sgn. Flask-(Kolben)System dar, welches das Kultivierungsmedium enthält und kann auch mehrere unterstützende Scaffolds [Gerüst-Übersetzeranmerkung] abhängig von der Größe enthalten. Der (die) Kolben wird (werden) entweder statisch oder gemischt betrieben. Einen speziellen Fall können die Bioreaktoren für das Wachstum der kardialen Gewebe darstellen, die dem einbahnigen sowie zweibahnigen Pulsationsfluss des Wachstumsmediums über die Konstruktion der Stütz-Scaffolds angepasst werden. Sie werden also so angepasst, um das kardiovaskuläre Milieu zu simulieren. Repräsentanten dieser Bioreaktoren sind die HARV-(High Aspect Ratio Vessels) und STLV-(Slow Turning Lateral Vessels)System. Das STLV ist wie ein ringförmiger Raum zwischen zwei konzentrischen Zylindern konfiguriert, wovon der innere die Membrane für den Gasaustausch darstellt, während das HARV ein Zylindergefäß mit der Membran zur Gasaustausch in seinem Boden ist. Beide Gefäße befinden sich im Raum in der horizontalen Ebene und drehen sich gegenseitig.
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Das weitere verwendete System ist das RWPV-(Rotating Wall Perfused Vessels)System, das durch die NASA entwickelt wurde und außer anderem zur Knorpelkultivierung im Raum der Mikrogravitation sowie auch unter normalen Verhältnissen angewendet wurde. Das Medium zirkuliert durchlaufend in den perfudierten Säulen. Die perfudierten Kammern sind so entworfen, dass das Medium zwischen der Kammer und der Außenmembran durchlaufend läuft.
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Es wurde bisher die Konstruktion des Bioreaktors für das Wachstum des Knorpelersatzes und zwar namentlich im Bereich der Simulation der realistischen Belastungsbedingungen nicht ausreichend aufgelöst. Die bestehenden Knorpelreaktoren beschweren die einzelnen Implantate durch einfache Belastung auf die Weise Druck oder Rutsch. Beim Knorpel in-vivo kommt es immer zur Kombination dieser Belastungen infolge der spezifischen Geometrie, Kinematik und Eigenschaften der Kontaktflächen.
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Der Nachteil der bisherigen Lösungen ist die indirekte mechanische Stimulierung des Gewebes, die als prinzipiell für das geeignete Wachstum des gepflegten Gewebes erscheint.
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Grund für technische Lösung
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Die oben angeführten Mängel werden in ziemlichem Maße durch den Bioreaktor für das funktionelle Gewebe Engineering bestehend aus einer hermetisch abgetrennten Kammer, in der die Einrichtung für die mechanische Belastung insbesondere der Gewebeersätze des Knorpels angebracht ist, nach dieser technischen Lösung beseitigt. Ihre Basis besteht darin, dass die Einrichtung durch ein Kultivierungsgefäß mit der Unterlage für die Einlagerung der Kultivierungsmuster und wenigstens einem zum Mitnehmer verbundenen rotierenden Andruck-Indentor gebildet ist, wobei der Mitnehmer gegenüber dem Kultivierungsgefäß schieb bar gelagert ist.
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Die Einrichtung ist mit einem Linearmotor vorteilhaft gebildet, zu dessen Statur der untere Teil des Kultivierungsgefäßes und der obere Teil des Kultivierungsgefäßes angeschlossen sind und zu dem beweglichen Teil des Linearmotors ist der Mitnehmer mit wenigstens einem rotierenden an der Achse wälzgelagerten Inventor angeschlossen. Die Achse ist schieb bar in der vertikalen Richtung in Führungen der senkrechten Stege für die gleichmäßigen zyklischen Belastungen der Kultivierungsmuster durch den Indentor gebettet.
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Mit Vorteil ist zur Achse wenigstens eine entlastende Zugfeder und/oder Druckfeder angekoppelt, wobei zwischen der Achse und den Federn der Spanungsabtaster eingelegt ist.
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Rund um den Rotations-Indentor kann ein Paar von den zu dem Bindeprofil befestigten Bremsbändern umgürtet werden. Zu den Bremsbändern ist ein Waagebalken für die Sicherstellung der Symmetrie der Zugkraft in Bändern für die Einstellung des Abrollens, Schlupfes oder vollständigen Gleitens des Indentors nach der Unterlage, angeknüpft.
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Der obere Teil des Kultivierungsgefäßes ist in einer vorteilhaften Ausführung durch längliche Zwischenwände und einer Querwand auf kleinere Kultivierungsräume für die Unterlage mit Öffnungen für die Kultivierungsmuster gegliedert. Die Unterlage ist aus dem Material gemacht, das analoge mechanische Eigenschaften hat, wie die mechanischen Eigenschaften des künftigen verlangten Gewebes für die Sicherstellung der Stabilität und der gleichmäßigen Verteilung der Belastung auf den Mustern sind.
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Die Basis der technischen Lösung besteht in der Anbringung des Tisches mit dem rotierenden Indentor in die Wachstumskammer des Bioreaktors. Die Kammer ist von dem umliegenden Labormilieu hermetisch abgetrennt und im Innen wird die Schutzatmosphäre gehalten. Die Bioreaktorkammer stellt praktisch eine laminare Labor box, die der Größe der Kultivierungswanne mit Mustern angepasst ist. Gegenüber den benutzten technischen Lösungen kommt es hierbei zum direkten mechanischen Anreiz des gepflegten Gewebes durch den Rotations-Indentor, der die reale Belastung des Gelenkes simuliert.
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Den Rotations-Inventor bildet ein Zylinder mit der Rotationslagerung, der mit verschiedener Stärke des eingestellten Anpressdrucks über die zu kultivierenden Gewebemuster überfährt. Zu einem weiteren Beitrag gehört die Möglichkeit des Abrollens, teilweisen Schlupfes oder vollständigen Gleitens, womit nicht nur die Stimulierung von der Normal Belastung erzielt wird, sondern es macht sich auch die Komponente in der Tangentialrichtung von der Rutsch Belastung. Mit dieser Lösung nähern wir uns ausdrucksvoll den in-vivo Bedingungen des Gewebewachstums im Organismus. Die Muster des zu kultivierenden Gewebes sind in zylinderförmigen Öffnungen gelagert. Der Rest des Kultivierungsraumes ist mit der Unterlage aus dem Material, mit den analogen mechanischen Eigenschaften ausgefüllt, wie die mechanischen Eigenschaften des künftigen verlangten Gewebes sind. Der Rotations-Inventor bewegt sich nach der Unterlage mit Mustern in einer gleichmäßiger Bewegung und einem konstanten Anpressdruck, wobei die einzelnen Parameter der Bewegung und des Anpressdruckes während der Kultivierung können geändert und verzeichnet werden. Die Muster und Wanne sind in einer kleiner temperierten Wanne gelagert. Die Konstruktionslösung beseitigt irgendwelche Mängel der bestehenden als Standard verwendeten Einrichtungen.
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Die technische Lösung betrifft das neue Einrichtungskonzept, welche das Gewebe im Laufe des Wachstums stimuliert. Der Bioreaktor mit dem Rotations-Inventor für das funktionelle Gewebe Engineering der Knorpelersätze und mit dem kontinuierlichen Ergänzen der Nährstoffe stellt eine Dreiphaseneinrichtung dar, in dem die innere Atmosphäre gesteuert wird, fernerhin die Zuführung der Nährstoffe reguliert wird und nicht zuletzt kommt es zum mechanischen Anreiz durch den Inventor der kultivierten Zellen.
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Die entworfene technische Lösung erhöht durch ihre Anordnung den Wirkungsgrad der mechanischen Gewebestimulierung. Das besteht hauptsächlich in der möglichen Belastung im Rutsch unter dem gleichzeitig applizierten Normal-Anpressdruck. Durch die Nutzung von zwei Zylindern mit fünf Funktionsflächen wird es ermöglicht, die Kultivierung von bis 50 Mustern gleichzeitig durchzuführen, was einen ökonomischen Beitrag und eine ziemliche Zeitersparung bedeutet. Gegenüber einfacheren Einrichtungstypen, vertreten durch das oben genannten „Flask”-System, stellt die vorgeschlagene Lösung ökonomisch sowie technisch mehr anspruchsvolle Einrichtung dar, die aus dem Gesichtspunkt der technischen Ansprüchigkeit der Steuerung in ihrer Schlussfolge für das Bedienungspersonal bequemer ist. Das ganze System ist mit einer Menge an Kontroll- und Steuerungselemente ausgestattet, die es ermöglichen, die Gänge im Innen der Einrichtung und genauere Einstellungen der Betriebsparameter besser zu verfolgen. Gegenüber den mehr komplizierten und speziellen Systemen ist die gegenseitige Vergleichung darin knifflig, dass die oben erwähnten Systeme „HARV, STLV und RWPV”, für die Kultivierung anderer Gewebetypen als von uns entworfener Bioreaktor primär bestimmt sind. Dessen ungeachtet kann vorausgesetzt werden, dass mit der Rücksicht auf die Konstruktion der resultierende mechanische Effekt für die mechanische Stimulierung niedriger als beim direkten Kontakt des Zylinders und Gewebes ist.
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Übersicht der Bilder auf den Zeichnungen
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Der Bioreaktor wird nach dieser technischer Lösung auf einem konkreten Ausführungsfall mit Hilfe anliegender Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wo das System der mechanischen Stimulierung auf dem Bild 1 schematisch im axonometrischen Anblick, auf dem Bild 2 die Einbettung des Indentors im Detail und auf dem Bild 3 die technische Ausführung für den Teilschlupf und vollständiges Gleiten dargestellt sind.
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Beispiele der Ausführung der technischen Lösung
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Die Einrichtung nach dem Bild 1 und 2 besteht aus dem linearen Servomotor 1, worauf im oberen Teil mit Schrauben zu den länglichen Streben 3 angeschlossen ist und auf der unteren Fläche zur Bioreaktor-Kammer befestigt ist. Auf den beweglichen Teil des linearen Servomotoren 1 ist mit Schrauben der Mitnehmer 2 des Rotations-Indentors 13 befestigt und dazu sind mit Hilfe der Schrauben 4 vier senkrechte Stege 11 befestigt, die mit länglichen Rillen für die Gleitführung versehen sind. Jedes Paar der Stege 11 ist, um die nötige Steifigkeit zu erzielen, gegenseitig mit dem Bindeprofil 10 verbunden, worin sich Gewinde für die Stellschrauben 12 vom Anpressdruck befinden. Die länglichen Streben 3 sind zu dem unteren Teil des Kultivierungsgefäßes 5 angemacht. Der untere Teil 5 ist für den Durchzug des Heizmediums mit der s-förmigen Nute versehen und ist mit dem oberen Teil 6 so verbunden, dass der Verlust des Heizmediums verhindert wird. Der untere Teil 5 ist weiterhin nach dem Umfang mit einer Nute für die Abführung der überflüssigen Ernährung versehen. Der obere Teil 6 des Kultivierungsgefäßes 5 wird mit länglichen Querwänden 7 und der Querwand 14 in kleinere Kultivierungsräume gegliedert. Im Inneren der Kultivierungsräume befindet sich die Unterlage 8 aus Material von analogen mechanischen Eigenschaften, wie die künftigen gewünschten Gewebe sind, die mit Öffnungen für die Lagerung der zylinderförmigen Kultivierungsmuster 9 versehen ist. Das rollt nach der Unterlage 8 ganz ab, bei teilweisem Schlupf oder vollkommen gleiten durch Rotations-Indentor 13, der mit Lagern 15 auf der Achse 16 rotierend gebettet ist.
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Auf dem Bild 2 ist das verwendete Anpresssystem mit der Bemessung der abgeleiteten Kraft dargestellt. Mit der Achse 16 ist fest verbunden und mit der Mutter 17 der Spanungsgeber 18 – Zug/Druck sichergestellt. An der Gegenseite des Gebers 18 ist die Stützschale 19 der Druckfeder 22 zugeschraubt, Bestandteil derer auch die Schleppkupplung der Zugfeder 21 ist. An der Gegenseite der Druckfeder 22 befindet sich die Schleppkupplung 20 der Zugfeder 21, die gleichfalls auch wie eine Stützunterlage für die Druckfeder 22 dient. Durch die Bewegung der Schraube 12 gesamt drei Betriebsmodi. Die Ausgangsposition – Modus I. heißt, dass die Schraube 12 befindet sich in der Position, wann die Zugfeder 21 aufgezogen ist und der Indentor 13 befindet sich in keinem Kontakt mit Mustern 9. Modus II. entsteht dann, wenn sich die Schraube 12 in solcher Position befindet, wann es zum Kontakt des Indentors 13 mit der Unterlage 8 und den Kultivierungsmustern 9 kommt. Die Anpressgröße beträgt in diesem Fall 0 bis zum Wert der Anpressgröße, der durch das eigene Gewicht des Indentors 13 abgeleitet wird. Modus III. entsteht dann, wenn sich zum Anpressdruck vom Inventar 13 die Belastung von der Verformung der Druckfeder 22 hervorgerufen durch die Schraube 12 anschließt. Auf Grund der Symmetrie der Belastung muss die Belastung von den Schrauben 12 in beiderseitiger Übereinstimmung eingestellt werden und dazu dienen die Angaben vom Geber 18.
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Auf dem Bild 3 ist die Nutzung als Bremssystem oder mit voll blockiertem Indentor 13 dargestellt. Die Inventur- 13 Bremsung wird durch das Bänderpaar 23 realisiert, das die Lücke außer funktionellen Flächen umgürtet. Die Bänder 23 sind auf einer Seite mit dem Bindeprofil 10 fest verbunden und auf der anderen Seite sind mittels Schrauben 25, Muttern 24, Sicherungsunterlagen 26 zum rechteckigen Waagebalken 27 befestigt, der mit der Mutter 32 und der Schraube 33 zur Zugstange 30 schraubig verbunden ist. Es wird durch die Nutzung des Waagebalkens 27 mit der Drehlagerung rund um die Schrauben 25 und 33 die gleiche Zugkraft in den Bändern 23 sichergestellt. Die Größe der Zugkraft in den Bändern 23 kann durch die Mutter 29 mit der Unterlage 30 reguliert werden. Für die Zugkraft-Messung in den Bändern 23 kann zwischen der Unterlage 30 und dem Bindeprofil 10 der Geber eingelegt werden.
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Der Rotations-Indentor 13 inkl. seiner Bestandteile – des oberen Teils 6, der länglichen Querwand 7, die mit dem zu kultivierenden Gewebe in Kontakt kommen, werden aus dem antikorrosiven biokompatiblen Material hergestellt. Die sonstigen Komponenten werden aus dem antikorrosiven Stahl hergestellt. Die Abmessungen des Kultivierungsteiles betragen 200 × 650 mm. Die Größe der einzelnen Kultivierungsräume beträgt 30 × 300 mm. Es kommen in jeden davon 5 zu kultivierende Muster 9 herein. Auf einmal können also insgesamt davon bis 50 gepflegt werden. Die gelagerten Muster 9 bestehen aus der Matrize besetzt mit den Kultivierungszellen des Gewebes. Der umliegende Raum ist neben den Mustern mit der Unterlage 8 ausgefüllt, die aus dem analogen Material wie das Kollagen ist, von der spezifischen chemischen Zusammensetzung, welche die entsprechenden chemisch-mechanischen Eigenschaften sicherstellt.
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Die Kultivierung erfolgt so, dass es unter exakt festgesetzten biologisch-physikalischen Bedingungen, wie z. B. Temperatur, Konzentration der Nährlösung und Zusammensetzung der Schutzatmosphäre sind, zur mechanischen Stimulierung der Muster 9 durch den Rotations-Indentor 13 kommt. Die Einrichtung ermöglicht die kontinuierliche Belastung oder die Belastungen mit Pausen, die vom Benutzer definiert werden. Die Einstellung des Anpressdrucks wird vom Bediener gewählt und nachgestellt. Jeder der Zylinder des Indentors 13 kann auf andere Belastungsparameter eingestellt werden, d. h. also auch für verschiedene Bedingungen der Kultivierung. Der Anpressdruck kann mit Hilfe der Schrauben 12 und mit der Bemessung mittels des Gebers 18 eingestellt werden. Die Anpresswerte können während der Kultivierung verfolgt und datentechnisch aufgenommen werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Der Bioreaktor für das funktionelle Gewebe Engineering nach dieser technischen Lösung findet Anwendung insbesondere im Gewebe Engineering und der Medizin. Die gegenwärtigen Trends zeigen, dass sich gerade durch diese Richtung die Forschung und Entwicklung begeben.
