ES1077105U - Biorreactor para la formación de repuestos de tejidos - Google Patents

Abstract

1. Biorreactor para la formación de repuestos de tejidos, especialmente cartílago, que comprende una cámara herméticamente aislada donde se encuentra instalado el equipo de carga mecánica destinado especialmente a aplicar carga sobre los repuestos de tejido a cultivar caracterizado porque el equipo de carga mecánica comprende una cuba de cultivo con una base (8) sobre la que hay instalada una pieza superior (6) y al menos un indentor rotativo de compresión (13) el cual está conectado con el dispositivo de arrastre (2) que a su vez está unido al motor lineal (1) e instalado con posibilidad de deslizarse por la cuba de cultivo.2. Biorreactor para la formación de repuestos de tejidos de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado porque el estator del motor lineal (1) está conectado con la pieza inferior (5) y la pieza superior (6) de la cuba de cultivo; y, la parte móvil del motor lineal (1) está unida al dispositivo de arrastre (2) mediante el al menos un indentor rotativo (13) que está instalado, con posibilidad de rodamiento, sobre un eje (16) que está instalado de modo deslizante a lo largo de una dirección vertical en la línea de los soportes verticales (11).3. Biorreactor para la formación de repuestos de tejidos de acuerdo a la reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque el eje (16) está unido con al menos un muelle aliviador de tracción (21) y/o muelle de presión (22); y, entre el eje (16) y los muelles (21) y (22) está instalado un detector (17) de tensión.4. Biorreactor para la formación de repuestos de tejidos de acuerdo a la reivindicación 1, 2 ó 3 caracterizado porque a uno y otro lado del indentor rotativo (13) hay un par de bandas de freno (23) que están fijadas a un perfil de unión (10), donde las bandas de freno (23) están unidas a un balancín (27) para asegurar la simetría de la fuerza de tracción en las bandas (23).5. Biorreactor para la formación de repuestos de tejidos de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la pieza superior (6) del recipiente de cultivo (5) está separada por travesaños longitudinales (7) y un travesaño transversal (14) en espacios más pequeños y donde la base (8) dispone de orificios para colocar muestras de cultivo (9).

Description

Biorreactor para la formación de respuestos de tejidos descripción

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La solución técnica se refiere a un biorreactor destinado a la ingeniería funcional de tejidos. El reactor incluye una cámara con separación hermética en la cual está instalado el equipo cargador mecánico, especialmente para aplicar carga a repuestos de tejido del cartílago.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Para producir con éxito repuestos de tejido del cartílago es necesario aplicar carga mecánica sobre los diferentes preparados de tejido, una vez colocadas las células. A la vez es necesario garantizar condiciones adecuadas para que las células puedan seguir desarrollándose. Al cumplir estos requisitos, se creará un implante de tejido funcional que es adecuado para implantar en un entorno con carga biológica. Para simular ciclos de carga en el proceso de maduración del cartílago se utilizan los biorreactores de tejido.

La tarea de los equipos actuales destinados a cultivar tejidos consiste en simular las condiciones ambientales in–vivo, especialmente desde el punto de vista químico y biológico. Este entorno es creado en los tipos actuales de biorreactores, en función del tipo de tejido requerido. En general podemos decir que se trata de un equipo cuya estabilidad química y biológica del medio nutriente está garantizada, la temperatura de incubación del entorno de cultivo regulada y controlada, donde también está garantizada la presión requerida y la concentración de mezclas de medios de servicio y de cultivo. No obstante, para poder garantizar el crecimiento de un tejido vital es necesario que el equipo cumpla los requisitos de fácil esterilización, acceso fácil del medio nutriente a las células cultivadas y del cambio de este medio.

Uno de los diseños más básicos es el sistema Flash (frasco) que contiene el medio de cultivo y también puede contener hasta varios soportes (en inglés denominados “scaffolds”) auxiliares, en función del tamaño. Los frascos son estáticos o mezclados.

Un caso especial lo constituyen, en su caso, los biorreactores para el crecimiento de tejidos cardiacos que son adaptados al flujo pulsante, uni y bidireccional, del medio de cultivo, a través de la estructura de los “scaffolds” auxiliares. O sea que están adaptados de modo que simulan el entorno cardiovascular. Los sistemas HARV (High Aspect Ratio Vessels) y STLV (Slow Turning Lateral Vessels) representan estos biorreactores. STLV está configurado en forma de espacio circular entre dos cilindros convergentes, el interior de ellos sirve como membrana para el intercambio de gases, mientras que HARV es un recipiente cilíndrico con membrana para el intercambio de gases en su fondo. Ambos recipientes funcionan en el plano horizontal y van girando mutuamente.

Otro sistema utilizado es el sistema RWPV (Rotating Wall Perfused Vessels) diseñado por NASA y, entre otros, es utilizado para cultivar el cartílago en el espacio de microgravitación y también en condiciones normales. El medio va circulando continuamente en columnas perforadas. Las cámaras perforadas están diseñadas de modo que el medio vaya pasando continuamente entre la cámara y la membrana exterior.

Hasta el momento no hay una solución bastante buena para la estructura del biorreactor que se utiliza para el cultivo de los repuestos del cartílago, especialmente en la zona de simulación de las condiciones reales de carga. Los reactores de cartílago actuales cargan los diferentes implantes aplicando una carga simple por presión o deslizamiento. En cuanto al cultivo de cartílago in-vivo, siempre tiene lugar la combinación de estas cargas, en consecuencias de la geometría específica, la cinemática y las propiedades de las superficies de contacto.

La desventaja de las soluciones actuales consiste en la estimulación mecánica indirecta del tejido que resulta ser fundamental para el crecimiento apropiado del tejido cultivado.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Las deficiencias arriba mencionadas son, en su mayoría, superadas por el presente biorreactor para la ingeniería funcional de tejidos. El biorreactor incluye una cámara con separación hermética, en esta cámara está instalado el equipo de carga mecánica, especialmente para aplicar carga en los repuestos de tejido de cartílago, según esta solución técnica. La base de la misma es la siguiente: el equipo incluye un recipiente de cultivo con una base para colocar muestras de cultivo y al menos un indentor rotativo de compresión conectado al equipo de arrastre, donde éste último está instalado con posibilidad de deslizarse hacia el recipiente de cultivo.

El equipo dispone de un motor lineal y, el estator de este motor, está conectado con las piezas inferior y superior del recipiente de cultivo; y, la parte móvil del motor lineal, está conectada con el equipo de arrastre con el al menos un indentor rotativo que está montado, con posibilidad de rodadura, en el eje. El eje está montado, con posibilidad de deslizamiento, en la dirección vertical en la línea de los soportes verticales, para aplicar la carga cíclica uniforme mediante el indentor sobre las muestras de cultivo.

El eje dispone de al menos un muelle aliviador de tracción y/o muelle tractor y, entre el eje y los muelles, hay un sensor de tensión intercalado.

Alrededor del indentor rotativo puede instalarse un par de bandas de freno fijadas al perfil de unión. Las bandas de freno están unidas a un basculador que asegura la simetría de la fuerza de tracción en las bandas, para ajustar la rodadura, el deslizamiento o el arrastre completo del indentor sobre la base. La parte superior del recipiente de cultivo, para su provecho, está separada por travesaños longitudinales y por un travesaño transversal obteniendo así zonas de cultivo menores para una base que dispone de orificios para muestras de cultivo. La base es de un material cuyas propiedades mecánicas son similares a las propiedades mecánicas del tejido futuro deseado, para asegurar así la estabilidad y la distribución uniforme de la carga sobre las muestras.

La solución técnica se basa en la colocación de la mesa con indentor rotativo en la cámara de crecimiento del biorreactor. La cámara está separada, de forma hermética, del resto de la zona de laboratorio, y en su interior se mantiene una atmósfera de protección. La cámara del biorreactor se muestra como una caja laminar de laboratorio que se ajusta al tamaño de la cuba de cultivo con las muestras. En comparación con las soluciones técnicas empleadas, se produce la estimulación mecánica directa del tejido cultivado por el indentor rotativo que simula la carga real sobre una articulación.

El indentor rotativo consta de un cilindro con bancada rotativa que, con un grado de compresión ajustada a distintas magnitudes, va pasando a través de las muestras de tejido cultivadas. Otra ventaja importante es la posibilidad de rodadura, deslizamiento parcial, o arrastre completo, y así se logra no solo la estimulación gracias a la carga normal, sino que también se aplicará una componente de carga en la dirección tangencial de la carga de deslizamiento. Con esta solución nos aproximamos considerablemente a las condiciones in-vivo del crecimiento del tejido en el organismo. Las muestras del tejido cultivado están guardadas en cavidades cilíndricas. El resto del espacio de cultivo lleva una base cuyo material dispone de propiedades mecánicas similares a las del tejido futuro deseado. El indentor rotativo se va deslizando sobre la base con las muestras, su movimiento es uniforme y bajo compresión constante, con posibilidad de variar y registrar los diferentes parámetros del movimiento y de compresión. Las muestras y la base están guardadas en una cubeta templada. La solución de la estructura supera algunos defectos de los equipos actuales que se utilizan de modo estándar.

La solución técnica se refiere al concepto nuevo del equipo que estimula el tejido durante su crecimiento. El biorreactor con indentor rotativo para la ingeniería funcional de tejidos para los repuestos de cartílago y con el aporte continuo de nutrientes representa un equipo trifásico con entorno interior controlado, teniendo lugar la entrada regulada de nutrientes y también el estímulo mecánico de las células cultivadas por el indentor rotativo.

La solución técnica diseñada aumenta, por su configuración, la eficacia de la estimulación mecánica del tejido. Esto consiste sobre todo en la eventual carga en deslizamiento, aplicando a la vez la compresión normal. Al aprovechar dos cilindros con cinco superficies funcionales, podemos a la vez realizar el cultivo de hasta 50 muestras a la vez, lo cual significa una mejora económica y bastante ahorro de tiempo.

En comparación con los tipos de equipo más simples representados por el sistema mencionado “Flask“, la solución propuesta es un equipo mucho más complicado desde el punto de vista económico y técnico, no obstante, en cuanto a la técnica del manejo, es más confortable para el operador. El sistema completo incluye una gran cantidad de elementos de control que permiten seguir mejor los procesos dentro del equipo y ajustar los parámetros de servicios con más exactitud. En comparación con los sistemas más complicados y especiales, la comparación mutua es más complicada debido a que los sistemas mencionados “HARV, STLV a RWPV“ están destinados sobre todo para cultivar otros tipos de tejidos respecto al biorreactor de la presente invención. No obstante, se estima que desde el punto de vista estructural, el efecto mecánico final en la estimulación mecánica es inferior al efecto que se produce en el contacto directo entre el cilindro y el tejido.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Conforme a esta solución técnica, el biorreactor será caracterizado más detalladamente en un ejemplo exacto del diseño, con ayuda de dibujos anexos, donde en la figura 1 está ilustrado de forma esquemática, en vista axonométrica, el sistema de estimulación mecánica, en la figura 2 está ilustrado, en forma de detalle, la base del indentor y en la figura 3 está el diseño técnico para el deslizamiento parcial y arrastre completo.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

El equipo, según las figuras 1 y 2, incluye el servomotor lineal (1) que en su parte superior está atornillado a los refuerzos longitudinales (3) y en la superficie inferior está fijado a la cámara del biorreactor. La parte móvil del servomotor lineal (1) está atornillada al arrastre (2) del indentor rotativo (13) el cual está unido, por medio de tornillos (4) a cuatro soportes verticales (11) que llevan ranuras longitudinales para la línea de deslizamiento. Por motivos de solidez, cada pareja de soportes (11) está interconectada mutuamente por medio del perfil de conexión (10) que lleva roscas para los tornillos de regulación (12) de la compresión. Los refuerzos longitudinales (3) están fijados a la pieza inferior del recipiente de cultivo (5). La pieza inferior del recipiente de cultivo (5) incluye una ranura en forma de “S” para el paso del medio calentador y está unida con la pieza superior (6) de modo que no haya escape del medio calentador. La pieza inferior del recipiente de cultivo (5) lleva una ranura circunferencial para extraer el exceso de nutrientes. La pieza superior (6) del recipiente de cultivo (5) está separada por medio de travesaños longitudinales (7) y un travesaño transversal (14), en espacios de cultivo más pequeños. En el interior de los espacios de cultivo se encuentra la base (8) que está hecha de un material con propiedades mecánicas similares a las del tejido futuro deseado con cavidades cilíndricas para guardar muestras de cultivo (9). El indentor rotativo (13) está montado en el eje (16) sobre los rodamientos (15).

En la figura 2 se puede ver el sistema de compresión empleado con graduación de la fuerza resultante. El eje (16) está unido y asegurado con la tuerca (17) con el sensor (18) de tensión – tracción/compresión. En la parte contraria del sensor (18) está atornillado el plato de apoyo (19) del muelle de presión (22) que incluye también la suspensión del muelle de tracción (21). En la parte contraria del muelle de presión (22) se encuentra la suspensión (20) del muelle de tracción (21) que también sirve de base de apoyo para el muelle de presión (22). Al mover con el tornillo (12) se inician tres modos de servicio en total. La posición inicial – el modo I significa que el tornillo (12) está en la posición en que está tensado el muelle de tracción (21) y el indentor (13) no está en contacto con las muestras (9). El modo II se produce en el momento en que el tornillo (12) está en una posición en la que comienza el contacto del indentor (13) con la base (8) y con las muestras de cultivo (9). La magnitud de la compresión en este caso es 0 hasta el valor de compresión derivado del propio peso del indentor (13). El modo III comienza en el momento en que la compresión del indentor

(13) aumenta debido a la carga por la deformación del muelle de presión (22) debida al tornillo (12). Por el motivo de la carga simétrica es necesario ajustar la carga de los tornillos (12) en conformidad de pares, para lo cual se utilizarán los datos del sensor (18).

En la figura 3 está ilustrado el empleo con frenado o bloqueo completo del indentor (13). El frenado del indentor (13) es realizado por un par de bandas (23) que están instaladas en ahuecamientos, fuera de las superficies funcionales. Las bandas (23) por un lado están unidas en firme con el perfil de unión (10) y por el otro lado están fijadas, por medio de tornillos (25), tuercas (24) y arandelas de seguro (26), al balancín rectangular (27) que está atornillado con la tuerca (32) y el tornillo (33) a la varilla (31). Al emplear el balancín (27) montado, con posibilidad de girar, alrededor de los tornillos (25) y (33) quedan aseguradas las fuerzas de tracción iguales en las bandas (23). La magnitud de la fuerza de tracción en las bandas (23) se puede regular con la tuerca (29) con la arandela (30). Para medir la fuerza de tracción en las bandas (23) se puede intercalar un sensor entre la base (30) y el perfil de unión (10).

El indentor rotativo (13) incluidas todas sus partes integrantes – pieza superior (6), travesaños longitudinales (7) que entran en contacto con el tejido cultivado están fabricados de material biocompatible anticorrosivo. Los demás componentes son de acero inoxidable. Las dimensiones de la parte de cultivo son: 200x650 mm. Las dimensiones de las diferentes zonas de cultivo son: 30x300 mm. En cada una de ellas caben 5 muestras cultivadas (9). En total se pueden cultivar hasta 50 a la vez. Las muestras guardadas (9) incluyen la matriz con células de cultivo del tejido. La zona alrededor de las muestras lleva la base (8) que es de un material similar al colágeno cuya fórmula química específica asegura las propiedades químicas y mecánicas correspondientes.

El cultivo transcurre de modo siguiente: bajo las condiciones biológicas y físicas, como por ejemplo la temperatura, la concentración de la solución nutriente y la composición de la atmósfera protectora, se produce la estimulación mecánica de las muestras (9) por el indentor rotativo (13). El equipo permite aplicar carga de forma continua o con pausas entre las cargas según la definición realizada por el usuario. El ajuste de compresión es ajustado y regulado por el operador. Cada cilindro del indentor (13) puede ser ajustado a unos parámetros de carga diferentes, o sea que para diversas condiciones de cultivo. La compresión puede ser ajustada por medio de los tornillos (12) y graduada por medio del sensor (18). Los valores de la compresión pueden ser vigilados y registrados en PC durante el proceso de cultivo.

APLICACIÓN INDUSTRIAL

El biorreactor destinado para la ingeniería funcional de tejidos y diseñado conforme a la presente solución técnica podrá emplearse especialmente en la ingeniería de tejidos y medicina. Y según indican las tendencias actuales, precisamente éste es el camino del desarrollo y de la evolución.

Claims (4)

1. REIVINDICACIONES

   1. Biorreactor para la formación de repuestos de tejidos, especialmente cartílago, que comprende una cámara herméticamente aislada donde se encuentra instalado el equipo de carga mecánica destinado especialmente a aplicar carga sobre los repuestos de tejido a cultivar caracterizado porque el equipo de carga mecánica comprende

   5 una cuba de cultivo con una base (8) sobre la que hay instalada una pieza superior (6) y al menos un indentor rotativo de compresión (13) el cual está conectado con el dispositivo de arrastre (2) que a su vez está unido al motor lineal (1) e instalado con posibilidad de deslizarse por la cuba de cultivo.
2. 2. Biorreactor para la formación de repuestos de tejidos de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado

   porque el estator del motor lineal (1) está conectado con la pieza inferior (5) y la pieza superior (6) de la cuba de cultivo; 10 y, la parte móvil del motor lineal (1) está unida al dispositivo de arrastre (2) mediante el al menos un indentor rotativo

   (13) que está instalado, con posibilidad de rodamiento, sobre un eje (16) que está instalado de modo deslizante a lo largo de una dirección vertical en la línea de los soportes verticales (11).
3. 3. Biorreactor para la formación de repuestos de tejidos de acuerdo a la reivindicación 1 o 2 caracterizado

   porque el eje (16) está unido con al menos un muelle aliviador de tracción (21) y/o muelle de presión (22); y, entre el eje 15 (16) y los muelles (21) y (22) está instalado un detector (17) de tensión.
4. 4. Biorreactor para la formación de repuestos de tejidos de acuerdo a la reivindicación 1, 2 o 3 caracterizado porque a uno y otro lado del indentor rotativo (13) hay un par de bandas de freno (23) que están fijadas a un perfil de unión (10), donde las bandas de freno (23) están unidas a un balancín (27) para asegurar la simetría de la fuerza de tracción en las bandas (23).

   20 5. Biorreactor para la formación de repuestos de tejidos de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la pieza superior (6) del recipiente de cultivo (5) está separada por travesaños longitudinales (7) y un travesaño transversal (14) en espacios más pequeños y donde la base (8) dispone de orificios para colocar muestras de cultivo (9).