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一种用于体外软骨培养的滚压式 生物反应器

阅读：3发布：2023-02-22

专利汇可以提供一种用于体外软骨培养的滚压式生物反应器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明一种用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，本发明包括培养箱、培养液灌流系统、电机动力系统、滚压机构小室；培养液灌流系统控制滚压机构小室内培养液更换，保证软骨培养物处于细胞可生长的生物环境，培养箱内氧气含量1％-10％；机电动力系统控制主动辊子旋速波形，模拟真实生态情况；滚压机构小室内处于封闭状态，避免污染；工作时，将软骨培养物固定于滚压机构小室内主动辊子表面，软骨培养物滚压功能由主动辊子与从动辊子共同完成，通过改变从动辊子转动惯量和质量实现对软骨培养物施加多种剪切力和压力，也可以旋转小室壁上定位栓，固定与从动辊子相连的方形滑块实现对软骨培养物施加不同的压缩量，完成不同力学环境下软骨培养物生长、发育。，下面是一种用于体外软骨培养的滚压式生物反应器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，其特征在于：所述生物反应器包括培养箱、培养液灌流系统、电机动力系统、滚压机构小室；工作时，培养液灌流系统、电机动力系统、滚压机构小室位于培养箱内，培养箱内氧气含量1％-10％，培养液灌流系统通过硅胶管与滚压机构小室相连，控制滚压机构小室内培养液更换，保证软骨培养物处于细胞可生长的生物环境，机电动力系统与滚压机构小室主动辊子机械关联，控制主动辊子旋速波形，模拟真实生态情况；滚压机构小室内处于封闭状态，避免污染，软骨培养物滚压功能由主动辊子与从动辊子共同完成，通过改变从动辊子的内部结构改变其转动惯量和重量对软骨培养物施加不同的剪切力和压力，也可以旋转小室壁上定位栓，固定与从动辊子相连的方形滑块对软骨培养物施加不同的压缩量。完成不同力学环境下软骨培养物生长、发育。
2.根据权利要求1所述的用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，其特征在于：所述培养箱内氧气含量通过在培养箱内加入50％-90％的CO2实现。
3.根据权利要求1所述的用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，其特征在于：所述的软骨培养物是：软骨细胞、软骨组织、软骨细胞与支架复合体或软骨移植组织。该生物反应器不仅可以用于软骨培养，也可以实现其它细胞、组织、细胞与支架复合体或移植组织的培养。
4.根据权利要求1所述的用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，其特征在于：工作时，将所述软骨培养物固定在所述主动辊子上，所述从动辊子与软骨培养物接触，从动辊子与软骨培养物接触，主动辊子旋转时由软骨培养物带动从动辊子，完成软骨培养物滚压功能。
5.根据权利要求4所述的用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，其特征在于：所述滚压机构小室包括：主动辊子、从动辊子、方形滑块、定位栓和方形小室；
所述主动辊子和从动辊子为聚四氟乙烯材料，可以通过机械加工获得其特殊构型，分置滚压机构小室上下两侧；从动辊子表面为均匀厚度0-4mm的硅胶模，增加与软骨培养物的摩擦力防止相对滑动；
所述方形滑块分置从动辊子两侧，与从动辊子相对转动。
6.根据权利要求5所述的用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，其特征在于：所述方形小室可以分解为小室上层和小室下层，方便滚压式机构小室清洗和消毒。
7.根据权利要求6所述的用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，其特征在于：所述小室上层两侧设有导轨，方便所述方形滑块上下滑动，由所述方形滑块和从动辊子重量对软骨培养物施加压力。
8.根据权利要求7所述的用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，其特征在于：通过改变从动辊子转动惯量和质量实现对软骨培养物施加多种剪切力和压力，也可以旋转小室壁上定位栓，固定与从动辊子相连的方形滑块完成对软骨培养物施加不同的压缩量。

说明书全文

一种用于体外软骨培养的滚压式生物反应器

技术领域：

[0001] 本发明涉及一种用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，特别是指滚压载荷和低氧条件下模拟关节物理环境应用于细胞、组织培养和保存的生物反应器，属于生物医学工程技术领域。背景技术：

[0002] 关节软骨损伤是外科常见的疾病之一，通常由外伤或骨性关节炎等慢性疾病引起。临床表现为顽固性疼痛，关节运动障碍，严重者甚至会完全丧失关节功能，成为肢残和劳动力丧失的主要原因之一。关节软骨再生能力极为有限，靠软骨自我修复几乎不可能。运用细胞学和组织工程技术在体外构建功能化的软骨组织是解决之一难题的有效方法。

[0003] 软骨组织是人体的承重结构，对力学环境较敏感，不正常的力学环境将导致其退化或变性；关节软骨所处的物理环境除低氧环境外，力学环境是软骨组织生存最重要的影响因素。

[0004] 组织工程技术在体外构建功能化的软骨组织的方法一般是：将自体或异体细胞接种于可降解的生物材料支架中，通过不同因子的刺激从而调控细胞生长，然后将细胞-生物材料植入体内组织缺损位置，达到修复组织和器官缺损的目的。

[0005] 人体在行走中膝关节的股骨远端和胫骨近端相互接触，存在滚动作用，其中关节软骨受到压缩和剪切，同时软骨组织会受到低频高幅载荷，由此从仿生学角度，我们提出采用滚压载荷模拟关节的力学条件，并且通过调控频率、压力、剪切力优化软骨培养物的力学条件。发明内容：

[0006] 本发明的目的旨在提供一种用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，以解决现有技术中的不足。采用滚动载荷和低氧环境的物理条件模拟人体关节软骨环境，用于软骨培养物培养的生物反应器。

[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，包括：培养箱、培养液灌流系统、电机动力系统、滚压机构小室；工作时，培养液灌流系统、电机动力系统、滚压机构小室位于培养箱内，培养箱内氧气含量1％-10％，培养液灌流系统通过硅胶管与滚压机构小室相连，控制滚压机构小室内培养液更换，保证软骨培养物处于细胞可生长的生物环境，机电动力系统与滚压机构小室主动辊子机械关联，控制主动辊子旋速波形，模拟真实生态情况；滚压机构小室内处于封闭状态，避免污染，软骨培养物滚压功能由主动辊子与从动辊子共同完成，通过改变从动辊子转动惯量和质量实现对软骨培养物施加多种剪切力和压力，也可以旋转小室壁上定位栓，固定与从动辊子相连的方形滑块完成对软骨培养物施加不同的压缩量，完成不同力学环境下软骨培养物生长、发育。

[0008] 所述培养箱是生物学细胞培养常规使用的，可以从市场上购买；所述培养箱内氧气含量是通过在培养箱内加入50％-95％的CO2实现；

[0009] 所述软骨培养物是：软骨细胞、软骨组织、软骨细胞与支架复合体或软骨移植组织；

[0010] 所述滚压机构小室，包括主动辊子、从动辊子、方形滑块、定位栓和方形小室；

[0011] 所述主动辊子和从动辊子为聚四氟乙烯材料，可以通过机械加工获得其特殊构型，分置滚压机构小室上下两侧；

[0012] 从动辊子表面为均匀厚度0-4mm的硅胶模，增加与软骨培养物的摩擦力防止相对滑动；

[0013] 所述方形滑块分置从动辊子两侧，与所述从动辊子相对转动；

[0014] 所述方形小室可以分解为小室上层和小室下层，方便滚压式机构小室清洗和消毒；

[0015] 所述小室上层两侧设有导轨，方便所述方形滑块上下滑动，由所述方形滑块和从动辊子重量对软骨培养物施加压力；

[0016] 所述滚压机构小室上设有灌流口，通过硅胶管与培养液灌流系统相通；

[0017] 所述培养液灌流系统，包括培养液储存瓶，由蠕动泵提供流动动力；

[0018] 工作时，将所述软骨培养物固定在主动辊子上，所述从动辊子与软骨培养物接触，所述主动辊子旋转时由软骨培养物带动从动辊子，完成软骨培养物滚压功能；

[0019] 通过改变从动辊子转动惯量和质量实现对软骨培养物施加多种剪切力和压力，也可以旋转小室壁上定位栓，固定与从动辊子相连的方形滑块完成对软骨培养物施加不同的压缩量。

[0020] 本发明一种用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，其优点及功效在于：采用滚压载荷和低氧环境更接近关节生理条件。附图说明：

[0021] 图1为本发明生物反应器总框图；

[0022] 图2为本发明生物反应器中的滚压机构小室；

[0023] 图3为本发明生物反应器中电机动力系统可加载的两种旋速波形；

[0024] 图4为本发明生物反应器中从动辊子的三种内部结构；

[0025] 图5为本发明生物反应器中滚压机构小室工作简图；

[0026] 图中具体标号如下：

[0027] 1小室上层；2小室下层；3从动辊子；4定位栓；5方形滑块；6主动辊子；7灌流口。具体实施方式：

[0028] 下为使本发明的目的、使用方法及功效更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

[0029] 一种用于体外软骨培养的滚压式生物反应器，如图1包括：培养箱、培养液灌流系统、电机动力系统、滚压机构小室；工作时，培养液灌流系统、电机动力系统、滚压机构小室位于培养箱内，培养箱内氧气含量1％-10％，温度37度，培养液灌流系统通过硅胶管与滚压机构小室相连，控制滚压机构小室内培养液更换，保证软骨培养物处于细胞可生长的生物环境，机电动力系统与滚压机构小室主动辊子机械关联，控制主动辊子旋速波形，模拟真实生态情况；滚压机构小室内处于封闭状态，避免污染，软骨培养物滚压功能由主动辊子与从动辊子共同完成，通过改变从动辊子转动惯量和质量实现对软骨培养物施加多种剪切力和压力，也可以旋转小室壁上定位栓，固定与从动辊子相连的方形滑块完成对软骨培养物施加不同的压缩量，完成不同力学环境下软骨培养物生长、发育。

[0030] 本发明所述培养箱是生物学细胞培养常规使用的，可以从市场上购买；所述培养箱内氧气含量是通过在培养箱内加入50％-95％的CO2实现；

[0031] 本发明所述软骨培养物是：软骨细胞、软骨组织、软骨细胞与支架复合体或软骨移植组织；

[0032] 本发明所述培养液灌流系统，包括培养液储存瓶，由蠕动泵提供流动动力；

[0033] 本发明所述滚压机构小室，如图2包括从动辊子3、定位栓4、方形滑块5、主动辊子6和方形小室；主动辊子6置于滚压机构小室下侧；方形滑块5分置从动辊子两侧，可以沿方形小室导轨上下滑动；

[0034] 所述从动辊子3表面为均匀厚度0-4mm的硅胶模，增加与软骨培养物的摩擦力防止相对滑动；

[0035] 所述方形小室可以分解为小室上层1和小室下层2，方便滚压式机构小室清洗和消毒；

[0036] 所述滚压机构小室上设有灌流口7，通过硅胶管与培养液灌流系统相通；

[0037] 本发明生物反应器中电机动力系统可加载的两种旋速波形，如图3分别为梯形波(trapezoidal wave)和三角波(triangular wave)，频率可以自由调节，梯形波加载方式用于近似剪切力为ON的滚压加载，三角波加载方式用于剪切力大小恒定的滚压加载。

[0038] 本发明生物反应器中从动辊子3存在三种内部结构，从动辊子由均匀材质构成，密度均匀，三种辊子曲率相同，如图4分别为从动辊子的三种内部结构；I型辊子与II型辊子体积相等，但II型辊子的转动惯量大于I型辊子；II型辊子与III型辊子转动惯量相等，但III型辊子体积大于II型辊子；

[0039] 如I型辊子与II型辊子，仅改变从动辊子转动惯量实现对软骨培养物施加多种剪切力；

[0040] 如II型辊子与III型辊子，仅改变从动辊子质量实现对软骨培养物施加多种压力；

[0041] 所述小室上层1设置定位栓7，旋转所述定位栓7固定方形滑块5，可以改变对软骨培养物的压缩量。

[0042] 通过用硅胶带将所述软骨培养物扎在从动辊子上实现软骨培养物固定。

[0043] 该生物反应器工作时，培养箱内加入50％-95％的CO2实现室内含氧量1％-10％，调节温度至37度；如图5，将软骨培养物固定于主动辊子6表面，由电机动力系统对主动辊子6施加已定速率波形，从动辊子3和方形滑5块沿导轨方向可以自由滑动，从动辊子3通过重力与软骨培养物贴合，也可以旋转定位栓固定方形滑块5，保持恒定压缩量使从动辊子3与软骨培养物贴合，主动辊子6旋转时由软骨培养物带动从动辊子3一起旋转，实现对软骨培养物的滚压加载功能；同时，培养液灌流系统通过硅胶管与滚压机构小室相连，控制滚压机构小室内培养液更换，保证软骨培养物处于细胞可生长的生物环境。这样实现培养物滚压载荷与低氧条件下的培养。实验结束后，可以将滚压机构小室分解为小室上层1和下层2，便于清理和和消毒。

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