Stützstru,ktur für einen Bioreaktor und Bioreaktor Support structure for a bioreactor and bioreactor
Die Erfindung betrifft eine Stützstruktur für einen Bioreaktor mit einer porösen Membrane und einer in unmittelbarer Nähe angeordneten textilen Struktur sowie einem aus dieser Stützstruktur aufgebauten Bioreaktor.The invention relates to a support structure for a bioreactor with a porous membrane and a textile structure arranged in the immediate vicinity and a bioreactor constructed from this support structure.
Eine solche Stützstruktur ist aus der Zeitschrift „Tissue Engineering for Therapeutic Use 3" aus den „Proceedings of the Third International Symposium of Tissue Engineering for Therapeutic Use, Tokyo, 4-5 September 1998" aus dem Artikel „Scaffold struc- ture for a bioartificial liver support System" von J. Mayer, E. Kara uk, K. Interevic, T. Akaike und E. Wintermantel auf den Seiten 87 bis 97 bekannt. Dort ist insbesondere in der Fig. 1B eine Struktur erläutert, die für das gemeinsame Kultivieren von Hepatozyten und nicht-parenchymalen Zellen geeignet ist. Der An- satz liegt in der Notwendigkeit der möglichst dichten Anordnung der Hepatozyten zu den nicht-parenchymalen Zellen über eine poröse Polymermembran. Diese poröse Polymermembran ist teilweise biodegradabel, so dass die einzelnen Zellen in dichten Kontakt zueinander treten können. Zwischen dem verwebten Polymergewebe sind Hohlräume, die zur Aufnahme der Hepatozyten dienen. Das Gewebe ist aus Monofilamenten aufgebaut.Such a support structure is from the magazine "Tissue Engineering for Therapeutic Use 3" from the "Proceedings of the Third International Symposium of Tissue Engineering for Therapeutic Use, Tokyo, 4-5 September 1998" from the article "Scaffold structure for a bioartificial liver support system "by J. Mayer, E. Kara uk, K. Interevic, T. Akaike and E. Wintermantel on pages 87 to 97. There, in particular, FIG. 1B explains a structure that is used for the common cultivation of hepatocytes and non-parenchymal cells The approach lies in the necessity of arranging the hepatocytes as closely as possible to the non-parenchymal cells via a porous polymer membrane, which is partially biodegradable, so that the individual cells come into close contact There are cavities between the woven polymer fabric, which are used to hold the hepatocytes, and the fabric is made up of monofilaments t.
Es werden jeweils zwei poröse Polymermembranen bzw. zwei textile Materialien gegenüber angeordnet, um Zwischenräume für den Plas- ma-/Mediumfluss zu erhalten. Die Stützstruktur • verfügt in der Membran über eine flache, filmartige Seite und eine strukturierte Gewebeseite mit Poren zwischen 800 und 50 μ entsprechend dort vorgeschlagenen Geweben. Der Film der Membran wird in mechani-
scher Weise an und zwischen den Fasern angelagert.Two porous polymer membranes or two textile materials are arranged opposite each other in order to obtain spaces for the plasma / medium flow. The support structure • has a flat, film-like side in the membrane and a structured fabric side with pores between 800 and 50 μ corresponding to the fabrics proposed there. The film of the membrane is mechanically attached to and between the fibers.
Für den geplanten Einsatzzweck solcher Stützstrukturen bei stoffwechselaktiven Zellen ist ein intensiver Stoffaustausch notwendig. Dies kann in der Abgabe und Aufnahme von Stoffen bestehen, z.B. dem Toxinmetabolismus in der Leber, dem Insulinstoffwechsel der Bauchspeicheldrüse oder dem Harnstoffwechsel der Niere. Der Stand der Technik nutzt die Membran sowohl als stoffliche Barriere mit einem Diffusionswiderstand als auch als die Oberfläche, an der die Zellen angelagert werden. Dabei wird insbesondere bei dem Einsatz von zumindest teilweise biode- gradablen Membranen auf den möglichst engen räumlichen Kontakt zwischen auf gegenüberliegenden Seiten der Membran liegenden Zellen hingearbeitet.An intensive exchange of substances is necessary for the intended use of such support structures in metabolically active cells. This can consist in the delivery and absorption of substances, e.g. the metabolism of toxins in the liver, insulin metabolism in the pancreas or urea metabolism in the kidney. The prior art uses the membrane both as a material barrier with a diffusion resistance and as the surface on which the cells are attached. In particular, when using at least partially biodegradable membranes, efforts are made to ensure the closest possible spatial contact between cells lying on opposite sides of the membrane.
Die bei dieser Stützstruktur erreichbaren Vorsorgungs- und Zell- wachstumswerte bilden einen ersten Schritt zu einem künstlichen Organsystem zum Beispiel zu einem Leberunterstützungssystem. Sie reichen aber noch nicht aus.The precautionary and cell growth values that can be achieved with this support structure form a first step towards an artificial organ system, for example a liver support system. But they are not enough.
Aus der GB 2 297 980 ist ein plattenförmiger Bioreaktor bekannt, der im wesentlich flächig aufgebaut ist. Er wird in der Fläche in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen mit Plasma und Sauerstoff sowie in einer Querrichtung dazu mit Nährstoffen ver- sorgt. Hier werden für die Versorgung insbesondere Hohlfasern eingesetzt. Der Nachteil dieses Aufbaus liegt in der begrenzten Dicke, da sämtliche Versorgungswege in der Längsrichtung aufgebaut sind und keine Möglichkeit der Variation der Stützstrukturen in vertikaler Richtung gestattet.From GB 2 297 980 a plate-shaped bioreactor is known, which is essentially flat. The surface is supplied with plasma and oxygen in two directions perpendicular to each other and with nutrients in a transverse direction. Hollow fibers in particular are used for the supply. The disadvantage of this construction is the limited thickness, since all supply paths are constructed in the longitudinal direction and do not allow any variation of the support structures in the vertical direction.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Stützstruktur für einen Bioreaktor und einen Bioreaktor anzugeben, der günstigere Bedingungen für Dif-
ferenzierung und metabolische Leistung sowie bessere Transporteigenschaften ermöglicht.On the basis of this prior art, the object of the invention is to provide a support structure for a bioreactor and a bioreactor which has more favorable conditions for dif differentiation and metabolic performance as well as better transport properties.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss für eine Stützstruktur für einen Bioreaktor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass auf der Membran ein weiteres Gewebe direkt angeordnet ist, welches zwischen der Membran und dem besagten ersten Gewebe liegt. Dieses weist eine erheblich feinere Struktur auf.This object is achieved according to the invention for a support structure for a bioreactor with the features of the preamble of claim 1 in that a further tissue is arranged directly on the membrane, which lies between the membrane and said first tissue. This has a considerably finer structure.
Durch das Vorsehen dieses weiteren Gewebes wird die Anlagerung von Zellen von der Membran losgelöst und somit besteht für diese Zellen kein Diffusionswiderstand an der Textiloberflache. Dies ermöglicht eine verbesserte Nährstoffversorgung lokal, wobei die Anhaftung der Zellen im jeweiligen, grobmaschigen Zwischenraum optimiert ist.By providing this additional tissue, the attachment of cells is detached from the membrane and therefore there is no diffusion resistance on the textile surface for these cells. This enables an improved nutrient supply locally, whereby the adhesion of the cells in the respective, coarse-meshed interspace is optimized.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Gewebes eine weitere mit dem zweiten Gewebe im wesentlichen identische feine Gewebestruktur aufgebracht, so dass sich ein Zellwachstumshohlraum zwischen den groben Maschen des ersten Gewebes ausbildet. Auf diesem dritten Gewebe wird ein zweites grossmaschiges Gewebe aufgebracht, welches beispielsweise eine halbe Maschenweite aufweist und einen Fliesskanal für die Blutversorgung bildet.In one exemplary embodiment of the invention, a further fine tissue structure which is substantially identical to the second tissue is applied on the opposite side of the first tissue, so that a cell growth cavity is formed between the coarse meshes of the first tissue. A second large-mesh fabric is applied to this third fabric, which has, for example, half a mesh size and forms a flow channel for the blood supply.
Damit ist ein Bioreaktor herstellbar, der beliebige Dicken erreichen kann und sich somit von den nachteiligen länglichen Rohrreaktoren abhebt.This makes it possible to produce a bioreactor that can reach any thickness and thus stands out from the disadvantageous elongated tubular reactors.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Nachstehend wird nun die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Stützstruktur für einen Bioreaktor gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 2 eine Stützstruktur für einen Bioreaktor gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 3 eine Darstellung eines Bioreaktors gemäss der Erfindung, und Fig. 4 eine vergrösserte Ausschnittdarstellung zur Verteilung von Nährstoffen in einem Bioreaktor nach Fig. 3.Further advantageous exemplary embodiments are characterized in the subclaims. The invention will now be described by way of example using exemplary embodiments in the drawings. 1 shows a support structure for a bioreactor according to a first embodiment, FIG. 2 shows a support structure for a bioreactor according to a second embodiment, FIG. 3 shows an illustration of a bioreactor according to the invention, and FIG. 4 shows an enlarged detail illustration for the distribution of 3 in a bioreactor.
Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stützstruktur 1 für einen Bioreaktor gemäss der Erfindung. Ein andere Begriff für das Element 1 ist auch Zellträger. Die schematische Darstellung basiert auf einer porösen Membran, insbesondere einer Polymermembran, welche das Entweichen von Zellen verhindert, aber den Durchtritt von Nährstoffen und Gasen durch Diffusion gestattet. Ein solche Polymermembran 2 kann z.B. aus expandiertem Teflon, PEEK oder anderen Polymermaterialien bestehen. Auf dieser in einem Bioreaktor beispielsweise eingespannten Membran 2 ist ein engmaschiges Sieb 3 und auf diesem ein weitmaschiges Gewebe 4 aufgelegt. Dabei handelt es sich jeweils um flächige Gebilde mit definierter Porosität, die eine periodische Struktur aufweisen. Dabei kann es sich auch um extrudiertes Gewebe aus Polymermaterial handeln. Ferner sind Metallnetze, z.B. aus Titan möglich. Alle diese Ausführungsformen sind unter dem Begriff „textiles Gebilde" zusammengefasst, welches synonym zu „Gewebe" oder „textiles Gewebe" verwendet wird.1 shows a first exemplary embodiment of a support structure 1 for a bioreactor according to the invention. Another term for element 1 is also cell carrier. The schematic representation is based on a porous membrane, in particular a polymer membrane, which prevents the escape of cells, but allows the passage of nutrients and gases through diffusion. Such a polymer membrane 2 can e.g. made of expanded Teflon, PEEK or other polymer materials. On this membrane 2, which is clamped in a bioreactor, for example, a close-meshed sieve 3 is placed and on this a wide-mesh fabric 4. These are flat structures with defined porosity, which have a periodic structure. It can also be extruded fabric made of polymer material. Metal nets, e.g. made of titanium. All of these embodiments are summarized under the term “textile structure”, which is used synonymously with “fabric” or “textile fabric”.
Unter dem Begriff engmaschiges Sieb 3 ist eine als Diaphragma wirkende feine Struktur mit Porengrössen zwischen 3 und 50 μm zu verstehen, wohingegen ein weitmaschiges Netz 4 mit Porengrössen zwischen 50 und 800 μm aufweist. Diese textile Gebilde können
aus Monofilamenten bestehen, die eine Grosse zwischen 10 und 100 μm aufweisen.The term close-mesh sieve 3 is to be understood as a fine structure acting as a diaphragm with pore sizes between 3 and 50 μm, whereas a wide-mesh network 4 has pore sizes between 50 and 800 μm. These textile structures can consist of monofilaments that have a size between 10 and 100 microns.
In dem Bereich 5 zwischen zwei Maschen des weitmaschigen Netzes 4 lagern sich insbesondere Zellen 6 ab, von denen schematisch der Umriss und der Zellkern dargestellt ist. Mit Hilfe einer solchen Stützstruktur wird ein Hohlraum erzeugt, durch welchen in Pfeilrichtung 7 ein Nährstoffmittelfluid durchgeleitet wird, welches durch noch im Zusammenhang mit der Fig. 4 zu beschrei- bende Mittel auf die Zellen 6 ausgerichtet wird (Pfeil 8) und diese durchdringt.In the area 5 between two meshes of the wide-mesh network 4, cells 6 in particular are deposited, of which the outline and the cell nucleus are shown schematically. With the aid of such a support structure, a cavity is created, through which a nutrient fluid is passed in the direction of the arrow 7, which fluid is aligned with the cells 6 by means to be described in connection with FIG. 4 (arrow 8) and penetrates them.
Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in der Basis gleich aufgebaut ist, d.h. die Stützstruk- tur 11 verfügt über eine Membran 2, ein feinmaschiges Netz 3 und ein grobmaschiges Netz 4. Die Stützstruktur 11 ist dann aber auf der der feinen Struktur 3 gegenüberliegenden Seite der groben Struktur 4 mit einem weiteren feinmaschigen Netz 13 belegt, welches zu der Hohlraumbildung 15 zwischen den beiden Netzen 13 und 3 führt. Weiterhin ist ein zweites grobmaschiges Netz auf dem zweiten feinmaschigen Netz 13 aufgelegt, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die halbe Maschenweite aufweist. Die halbe Maschenbreite gestattet eine grössere Verwirbelung von in Pfeilrichtung 17 einfliessenden Fluiden in Richtung auf das zweite feinmaschige Netz 13. Mit dem Bezugszeichen 16 sind pa- raenchymale Zellen bezeichnet, die sich auf dem zweiten feinmaschigen Gewebe 13 ablagern. Hiermit wird ein direkter Kontakt zwischen den Zellen 15 und den weiteren Zellen 16 über die Poren des zweiten feinmaschigen Gewebes 13 ermöglicht.Fig. 2 shows a second embodiment of the invention, which has the same basic structure, i.e. the support structure 11 has a membrane 2, a fine-mesh network 3 and a coarse-mesh network 4. However, the support structure 11 is then covered on the side of the coarse structure 4 opposite the fine structure 3 with a further fine-mesh network 13, which to the Cavitation 15 between the two networks 13 and 3 leads. Furthermore, a second coarse-mesh network is placed on the second fine-mesh network 13, which in the exemplary embodiment shown has half the mesh size. The half mesh width allows a greater swirling of fluids flowing in the direction of arrow 17 in the direction of the second fine-meshed network 13. The reference numeral 16 denotes parenchymaic cells which are deposited on the second fine-meshed tissue 13. This enables direct contact between the cells 15 and the further cells 16 via the pores of the second fine-mesh fabric 13.
Die Fig. 3 zeigt einen Bioreaktor mit Stützstruktur gemäss den Fig. 1 und 2. In allen Zeichnungen werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwandt. Der Ausschnitt aus dem Bioreak-
tor zeigt mehrere, hier 4, übereinander angeordnete Stützstrukturen 11, die jeweils kopfüber angeordnet sind. Zwischen zwei Membranen besteht ein Hohlraum 25 in der Grosse von beispielsweise 30 Mikrometer, so dass entsprechende Nährflüssigkeiten oder Sauerstoff hindurchgeführt werden können. Zwischen den beiden feinmaschigen Netzen 13 ist nur ein zweites grobmaschiges Netz 14 angeordnet, so dass sich hier jeweils ein Hohlraum 35 ausbildet, durch den ein Fluidfluss 17 hindurchgeführt wird. Alternativ wäre dieser Hohlraum auch durch den Einsatz röhrenför- miger Strukturen (z.B. sogenannte „micro tubes") zu erzeugen.FIG. 3 shows a bioreactor with a support structure according to FIGS. 1 and 2. In all drawings, the same reference symbols are used for the same features. The excerpt from the bioreak Tor shows several, here 4, stacked support structures 11, which are each arranged upside down. Between two membranes there is a cavity 25, for example of the size of 30 micrometers, so that appropriate nutrient liquids or oxygen can be passed through. Only a second coarse-mesh network 14 is arranged between the two fine-mesh networks 13, so that a cavity 35 is formed here, through which a fluid flow 17 is passed. Alternatively, this cavity could also be created by using tubular structures (eg so-called “micro tubes”).
In der Fig. 4 ist hier zu sehen, dass durch die symmetrisch angeordneten Monofilamente des zweiten grobmaschigen Gewebes 14 eine Verwirbelung des Nährmittelflusses 17 gemäss den Pfeilen 27 erreicht wird, so dass die Flüssigkeit durch die zweite Gewebeschicht 13 zu den Zellen gelangt, welche die in der Flüssigkeit enthaltenen Substanzen metabolisieren können.In FIG. 4 it can be seen here that the symmetrically arranged monofilaments of the second coarse-mesh fabric 14 cause a swirling of the nutrient flow 17 according to the arrows 27, so that the liquid passes through the second fabric layer 13 to the cells, which the the substances contained in the liquid can metabolize.
Die erste feine Gewebeschicht 3 kann mit der Membran 2 bei- spielsweise aufgelegt, verschweisst oder verklebt sein. Die einzelnen Filamente der grobmaschigen Gewebe 4 und 14 können hohl ausgestaltet sein, um eine Flüssigkeitsentnahme zu gestatten. Sie können einzeln, in periodischen Abständen oder als Netz als sensorielle Fasern ausgestaltet sein, um beispielsweise den Sau- erstoffpartialdruck zu messen oder pH-Messungen durchzuführen, und diese Parameter durch externe Steuerungsmöglichkeiten in der Peripherie regeln zu können. Ferner können sie als aktuatorische Elemente dienen, z.B. zur Einleitung von Wärme, zur Katalyse durch Elektrochemie oder zur Schalleinleitung als dispergieren- des Medium von Zellen 5 in den Hohlräumen 15 und 25. Die die grobmaschigen Netze 4 und 14 aufbauenden Fasern oder die einen kleinen Durchmesser aufweisenden Filamente der kleinmaschigen Netze 3 und 13 können auch als Lichtwellenleiter für entspre-
chende bekannte Anwendungen ausgestaltet sein.The first fine fabric layer 3 can be placed, welded or glued to the membrane 2, for example. The individual filaments of the coarse-mesh fabrics 4 and 14 can be designed to be hollow in order to allow liquid to be removed. They can be configured individually, at periodic intervals or as a network as sensor fibers, for example to measure the oxygen partial pressure or to carry out pH measurements, and to be able to regulate these parameters by external control options in the periphery. Furthermore, they can serve as actuator elements, for example for introducing heat, for catalysis by electrochemistry or for sound introduction as a dispersing medium of cells 5 in the cavities 15 and 25. The fibers forming the coarse-meshed networks 4 and 14 or the small diameter filaments of the small-mesh networks 3 and 13 can also be used as optical fibers for corresponding be known applications designed.
Es ist ferner möglich, das feinmaschige Gewebe 3 und das grobmaschige Gewebe 4 oder das feinmaschige Gewebe 13 und das grobma- schige Gewebe 14 als ein doppellagiges oder allgemein mehrlagiges Gewebe auszugestalten, um einen grösseren Abstand zwischen einzelnen Strukturen zu erzeugen, ohne dickere Filamente einzusetzen.It is also possible to design the fine-mesh fabric 3 and the coarse-mesh fabric 4 or the fine-mesh fabric 13 and the coarse-mesh fabric 14 as a double-layer or generally multi-layer fabric in order to produce a greater distance between individual structures without using thicker filaments.
Oberflächenbehandelte „textile Gewebe" oder Stützstrukturen, die z.B. mittels Plasmatechnologie, chemischer und/oder physikalischer Verfahren behandelt wurden, können das Zellwachstum, Zellorientierung und Zellpositionierung steuern und/oder beeinflussen.Surface-treated "textile fabrics" or support structures that have been treated using plasma technology, chemical and / or physical processes, for example, can control and / or influence cell growth, cell orientation and cell positioning.
Es ist auch möglich, die in den Zeichnungen jeweils als eben dargestellten Stützstrukturen zu falten oder zu rollen, um damit eine Oberflächenvergrösserung zu erreichen, was zu einer verbesserten Nährstoffaufnahme in den Mittelbereichen führen kann.It is also possible to fold or roll the support structures shown in the drawings as just to achieve an increase in surface area, which can lead to improved nutrient absorption in the central areas.
Wesentlich ist die Möglichkeit, über kurze Strecken einen intensiven Nährmittelaustausch zu erhalten, da das in üblichen Rohrreaktoren oder Plattenreaktoren in der Länge erhaltene Volumen hier in der Dicke ausgestaltet wird. Damit können die unzurei- chenden Gradienten der Versorgung bei Rohr- oder langen Plattenreaktoren vermieden werden, respektive Gradienten gezielt zu gestalten.What is essential is the possibility of maintaining an intensive nutrient exchange over short distances, since the volume obtained in conventional tubular reactors or plate reactors is designed here in terms of thickness. In this way, the inadequate supply gradients in tubular or long plate reactors can be avoided, or specific gradients can be designed.
Es ist ebenfalls möglich, eine Struktur nach der Fig. 1 zuerst mit ersten Zellen 6 anzureichern und eine Struktur entsprechend dem oberen Teil der Fig. 2 (zweite feinmaschige Struktur 13 und zweite grobmaschige Struktur 14) zur Anreicherung von Blutzellen getrennt zu kultivieren und diese erst anschliessend zusammenzu-
schliessen. Somit kann durch Entkopplung der beiden Wachstumsprozesse diese jeweils einzeln optimiert werden, bevor ein Zusammensetzen im Bioreaktor geschieht. Somit können hochkomplexe künstliche Organsysteme erfolgreich aufgebaut werden.
It is also possible to first enrich a structure according to FIG. 1 with first cells 6 and to separately cultivate a structure corresponding to the upper part of FIG. 2 (second fine-mesh structure 13 and second coarse-mesh structure 14) for the enrichment of blood cells, and only then then together conclude. Thus, by decoupling the two growth processes, they can be individually optimized before assembling in the bioreactor. In this way, highly complex artificial organ systems can be successfully set up.