專利名稱：一種具有培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)的可調(diào)控灌注式血管組織工程反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及細胞培養(yǎng)、組織工程領(lǐng)域，更具體地說是涉及一 種具有培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)功能的血管組織工程反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
迄今為止，自體移植、同種異體血管、異種血管、以及人工
合成血管都不能夠成為理想的動脈血管替代物(特別是6mm口徑以 下的血管)，但是近年來用動脈血管組織工程生物反應(yīng)器構(gòu)建和 研究組織工程化動脈血管為這一領(lǐng)域帶來了希望。目前，動脈血 管組織工程用生物反應(yīng)器的研究內(nèi)容主要包括
1. 對血管組織實現(xiàn)和控制細胞在支架中的均勻、高密度接 種近年的研究發(fā)現(xiàn)直接灌注式生物反應(yīng)器在細胞接種密度和均 勻性方面優(yōu)于靜態(tài)、旋轉(zhuǎn)攪拌式等非直接灌注式生物反應(yīng)器，這 一技術(shù)已應(yīng)用于心肌細胞、血管組織和肝細胞組織工程
2. 改善傳質(zhì)狀況對于血管組織，壁面旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器通 過動態(tài)旋轉(zhuǎn)層流流動為細胞提供了一定的低剪切應(yīng)力，較好地改 善了傳質(zhì)狀況培養(yǎng)效果優(yōu)于旋轉(zhuǎn)-攪拌式生物反應(yīng)器壁面旋轉(zhuǎn)式生 物反應(yīng)器的灌注率、對細胞施加的切應(yīng)力大小、細胞營養(yǎng)物和代 謝物傳質(zhì)的平衡等問題都會對培養(yǎng)效果產(chǎn)生影響，因此需要針對 特定的組織控制、調(diào)節(jié)灌注率等參數(shù)，以獲得優(yōu)化的傳質(zhì)效果。
3. 在血管組織工程化培養(yǎng)+施加適當?shù)臋C械力，控制動脈血 管的工程化組織構(gòu)建大量的研究表明流體剪切應(yīng)力對血管內(nèi)皮 細胞的生長有非常顯著的影響，周期性機械伸張可以提高種植在 聚合物支架材料上的平滑肌細胞構(gòu)建的組織機構(gòu)性能和彈性蛋白 的表達，徑向脈動應(yīng)力可以改善組織工程血管的結(jié)構(gòu)強度。因 此，在組織工程化培養(yǎng)過程中施加力學載荷，能夠直接促進細胞 在特定的生長期向多功能分化，促進工程化組織的構(gòu)建。
Boris A. Nasseri等設(shè)計了一種組織工程血管生物反應(yīng)器用 于細胞接種和培養(yǎng)(Dynamic Rotational Seeding and CellCulture System for Vascular Tube Formation. Tissue Engineering 2003; 9 (2): 291-299.):用雜交爐為血管培養(yǎng)提 供旋轉(zhuǎn)動力，通過血管培養(yǎng)腔繞雜交爐中心軸的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生培養(yǎng)液 相對于血管壁的壁面旋轉(zhuǎn)，改善傳質(zhì)；反應(yīng)器釆用血管內(nèi)灌注的方式。
Ra 1 f Sodian等i殳計了 一種組織工程血管生物反應(yīng)器用于血管 的灌流接種和培養(yǎng)(Tissue-Engineering Bioreactors: A New Combined Cell—Seeding and Perfusion System for Vascular Tissue Engineering. Tissue Engineering 2002; 8 (5): 863-870.):以氣動方式擠壓培養(yǎng)液儲存腔硅膠隔膜產(chǎn)生脈動流，進 行脈動流灌注培養(yǎng)，將細胞接種與脈動流灌注培養(yǎng)結(jié)合，動態(tài)接 種改善細胞分布；血管內(nèi)灌注脈動流；反應(yīng)器采用血管內(nèi)灌注的 方式，培養(yǎng)腔無壁面旋轉(zhuǎn)。
Chrysanthi Williams等設(shè)計了一種由蠕動泵提供動力，血管 內(nèi)外都可以灌流的組織工程血管生物反應(yīng)器用于小口徑血管培 養(yǎng)，外灌流改善細胞營養(yǎng)狀況，內(nèi)灌流提供剪切應(yīng)力和脈動流環(huán) 境，培養(yǎng)腔無壁面旋轉(zhuǎn)(Perfusion Bioreactor for Small Diameter Tissue—Engineered Arteries. Tissue Engineering 2004; 10 (5-6): 930-941.)。
Yuji Narita等設(shè)計了一種模擬生理脈動流的血管組織工程反 應(yīng)器(Novel Pulse Duplicating Bioreactor System for Tissue—Engineered Vascular Construct. Tissue Engineering 2004; 10 (7-8): 1224-1233.):通過球嚢式腔的往復(fù)運動推動順 應(yīng)性腔中的培養(yǎng)液，產(chǎn)生脈動流，在培養(yǎng)腔前后設(shè)置調(diào)節(jié)閥和帶 有單向閥的儲液腔模擬生理狀態(tài)下的脈動波形；灌注方式為血管 內(nèi)灌注，無壁面旋轉(zhuǎn)。
Satish， C. Muluk等設(shè)計了一種能夠用拉伸電機加載拉伸應(yīng) 力和用微步進電機加載扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的血管反應(yīng)器，通過程控閥門提 供脈動流，采用血管內(nèi)灌注的方式，無壁面旋轉(zhuǎn)(Enhancement of tissue factor expression by vein segments exposed to coronary arterial hemodynamics. Journal of vascular surgery : official publication, the Society for Vascular Surgery [and] International Society for CardiovascularSurgery, North American Chapter 1998; 27 (3): 521-527 )。
Craig A. Thompson等設(shè)計了 一種模擬生理脈動流的血管組織 工程反應(yīng)器(A Novel Pulsatile, Laminar Flow Bioreactor for the Development of Tissue—Engineered Vascular Structures. Tissue Engineering 2002; 8 (6): 1083-1088.): 用通氣機提供加壓氣流作為脈動源推動培養(yǎng)液流動，通過止回閥 調(diào)節(jié)模擬動脈血管舒張壓，用單向?qū)刂埔后w在回路中的流向， 模擬血管脈動波形；血管內(nèi)灌注，無壁面旋轉(zhuǎn)。
綜上所述，現(xiàn)有的血管組織工程反應(yīng)器存在較大的缺陷一 是沒有仔細考慮流動阻抗、順應(yīng)性(即血管壁的彈性既緩沖能 力)、阻力、流動慣性等因素，對血管血流動力學環(huán)境的簡單模 擬無法提供近似于動脈內(nèi)血液脈動流狀態(tài)的近生理流動環(huán)境；二 是無法為血管組織同時提供近似生理狀態(tài)的周期性軸向拉伸、徑 向牽張、扭曲等機械力載荷；三是多數(shù)采用無壁面旋轉(zhuǎn)的方式， 在細胞均勻、高密度接種和傳質(zhì)方面還有待改進。因此，迫切需 要研制能夠同時加載動脈血管培養(yǎng)所需的多種力學環(huán)境，有利于 細胞均勻、高密度接種，有利于傳質(zhì)，具有良好的可調(diào)控性的生 物反應(yīng)器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對動脈血管組織生長的體內(nèi)力學環(huán)境，提供了一種具有 培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)功能的血管組織工程反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有良好的傳質(zhì) 性能，能夠為動脈血管培養(yǎng)提供近生理脈動流環(huán)境。該反應(yīng)器還可以 作為具有更多功能的反應(yīng)器的構(gòu)建平臺，這些功能使得能夠同時加載 類似于生理狀態(tài)下動脈血管受到的周期性徑向牽張等力學載荷，上述 力學載荷具有良好的可調(diào)控性；同時能夠提供水平回轉(zhuǎn)，使反應(yīng)器具 有良好的傳質(zhì)性能，具體包括
1、 可以在由血管組織培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)電機帶動血管組織培養(yǎng)腔旋 轉(zhuǎn)的情況下，實現(xiàn)內(nèi)、外同時或單獨灌注培養(yǎng)液，提供了可以進 行內(nèi)、外同時(或單獨)灌注的設(shè)備方案；
2、 可以實現(xiàn)脈動功能(要求內(nèi)、外灌注由兩個獨立的培養(yǎng)液 回路完成)；
本發(fā)明的目的是提供一種多模態(tài)動脈血管組織工程反應(yīng)器，利 用該反應(yīng)器可以進行多種直徑和長度的組織工程動脈血管培養(yǎng)，
也可以進行血管細胞、血管組織生物學的研究，其特點^于
1. 采用新的動脈血管組織工程反應(yīng)器設(shè)計原理在流動回路上 模擬動脈血液流動的順應(yīng)性和流動阻力，產(chǎn)生近生理樂，動流；能 夠模擬不同動脈段的脈動頻率、壓強和流量波形，模擬高血壓， 高剪切應(yīng)力，低剪切應(yīng)力等血流動力學狀況；
2. 能夠同時加載類似于生理狀態(tài)下動脈血管受到的徑向牽張等 力學載荷，上述力學加載具有良好的可調(diào)控性；
3. 能夠以可調(diào)控的轉(zhuǎn)速進行反應(yīng)器壁面旋轉(zhuǎn)，其中血管內(nèi)、外 均可實現(xiàn)灌注，使反應(yīng)器具有良好的傳質(zhì)性能。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種血管組織工程反應(yīng)器， 其特征在于包括
通過液體管路依次相連的血管內(nèi)灌注儲液瓶、血管內(nèi)灌注液 體驅(qū)動裝置、血管內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔進口管路；
一個血管組織培養(yǎng)腔，所述培養(yǎng)腔進口管路的下游端進入到 血管組織培養(yǎng)腔中并用于與待培養(yǎng)的血管組織的上游端相連接從 而用于使來自所述血管內(nèi)灌注儲液瓶的培養(yǎng)液流入所述血管組織 的內(nèi)部；
一個血管內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔出口管路，其上游端進入到所述 血管組織培養(yǎng)腔中并用于與待培養(yǎng)的血管組織的下游端相連接從 而用于導(dǎo)出所述血管組織的內(nèi)部的培養(yǎng)液；
一個外灌注回路儲液瓶；
一個外灌注回路液體驅(qū)動裝置，其與所述外灌注回路儲液瓶 通過液體管路相連；
一個外灌注回路培養(yǎng)腔進口管路，其上游端通過液體管路與 所述外灌注液體驅(qū)動裝置相連，且其下游端進入到所述培養(yǎng)腔內(nèi) 部，從而用于把來自外灌注回路儲液瓶的培養(yǎng)液注入培養(yǎng)腔內(nèi)所 述血管組織之外的空間；以及
一個外灌注回路培養(yǎng)腔出口管路，其上游端被置于所述培養(yǎng) 腔中且其下游端延伸到所述培養(yǎng)腔之外，用于把所述培養(yǎng)腔內(nèi)所 述血管組織之外的培養(yǎng)液引出；
一個培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)電機；
一個培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)傳動裝置，其與所述培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)軸 相耦合，并與所述培養(yǎng)腔相耦合，用于把所述培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)電機的 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動傳遞給所述培養(yǎng)腔，從而驅(qū)動所述培養(yǎng)腔轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明公開了一種血管組織工程反應(yīng)器的一種非限定的實施 方式，該實施方式具有以下特征
反應(yīng)器有血管內(nèi)灌注和血管外灌注兩條灌注回路，力學載荷 加栽和檢測裝置位于回路上，測控部分由集線器、小信號放大 器、驅(qū)動器、處理器和顯示器組成。
在一個具體但非限定的實施例中，儲液瓶上設(shè)置有無菌空氣 交換器，有pH計接口；儲液瓶的材質(zhì)為能夠耐受高溫消毒的、沒 有生物毒性的玻璃、不銹鋼、塑料、聚碳酸酯；儲液瓶的容量為 0.2L- 2L;
作為具體但非限定的實施方式，液體驅(qū)動裝置為蠕動泵、直 線電機、和/或脈動源，可由工控機控制流動曲線，實現(xiàn)定常流、 簡單脈動流、近生理脈動流等流動環(huán)境。
在一個具體但非限定的實施例中，蠕動泵提供定常流，流量 范圍為0-1000ml/分鐘，壓力為O-250皿nHg;在另一個具體實施例 中，直線電機提供簡單脈動流，脈動頻率為0-200次/分鐘，流量 范圍為0-1000ml/分鐘，壓力為0-250mmHg;脈動源提供近生理脈 動流，脈動源由兩端安裝有單向止逆閥的脈動腔、直線電機構(gòu) 成。
脈動腔為充滿液體的體積固定的密閉腔，密閉腔的下方通過 密閉活塞與直線電機相連，密閉腔通過其中央的彈性軟管與上下 游的反應(yīng)器管路相連，在軟管的上下游出口處各有一個單向止逆 閥；彈性軟管的材質(zhì)為有彈性的有機材料。
在一個具體但非限定的實施方式中，血管組織培養(yǎng)腔兩端各 有一個液體分配器，以可拆卸方式連接血管內(nèi)灌注上下游管路和 血管組織培養(yǎng)物；血管組織培養(yǎng)腔兩端還各有一個出口，分別以 可拆卸方式與血管外灌注管路相連。
作為具體但非限定的實施方式，血管組織培養(yǎng)腔的材質(zhì)為能 夠耐受高溫消毒的、沒有生物毒性的玻璃、不銹鋼、塑料、聚碳
酸酯，形狀為圓柱體或?qū)ΨQ的多面體，長度為例如10-50cm,容量 為例如50-500 ml;血管組織培養(yǎng)腔通過密封墊和螺栓保持培養(yǎng)腔 體密閉，密封墊和螺栓的材質(zhì)為可耐受高溫消毒的有機、無機材 料。
作為具體但非限定的實施例，反應(yīng)器血管內(nèi)灌注管路的體積 為例如100-500ml，外灌注管路的體積為例如100-800ml。
作為具體但非限定的實施例，液體分配器位于血管組織培養(yǎng) 腔內(nèi)，為兩端都有出口的容器，其與反應(yīng)器血管內(nèi)灌注上下游管 路相連端有一個出口 ，與血管組織培養(yǎng)物相連端有例如l-6個出 口，反應(yīng)器血管內(nèi)灌注管路中的液體由上游液體分配器的上游端 進入，由下游端流出分散進入各個血管組織培養(yǎng)物中，再由下游 分配器的上游端流入并從其下游端流出，匯集進入血管內(nèi)灌注管 路。
作為具體但非限定的實施例，液體分配器一個沿軸向固定， 另一個可以在血管組織培養(yǎng)腔內(nèi)沿軸向往復(fù)移動。
作為具體但非限定的實施例，液體分配器材質(zhì)為能夠耐受高 溫消毒的、沒有生物毒性的玻璃、不銹鋼、塑料、聚碳酸酯，其 出口的JU圣為l-12mm。
作為具體但非限定的實施例，步進電機帶動血管組織培養(yǎng)腔 旋轉(zhuǎn)傳動齒輪。
作為具體但非限定的實施例，反應(yīng)器用于組織工程動脈血管 的培養(yǎng)，并模擬近似于生理脈動流的整體波形、二次波、幅度和
時相，模擬類似于病理狀態(tài)下的高管內(nèi)壓力、高剪切應(yīng)力、低剪 切應(yīng)力等血流動力學環(huán)境；
作為具體但非限定的實施例，直線電機往復(fù)運動對脈動腔產(chǎn) 生的擠壓模擬心臟射血入主動脈的過程，通過調(diào)節(jié)直線電機、順 應(yīng)性調(diào)節(jié)器和阻力調(diào)節(jié)器，在一定范圍內(nèi)調(diào)整脈搏波波形、壓力 和流量范圍、及搏動頻率，對培養(yǎng)的血管模擬不同動脈段的脈動 頻率、壓力和流量波形，模擬高血壓，高剪切應(yīng)力，低剪切應(yīng)力 等血流動力學狀況。
作為具體但非限定的實施例，步進電機、血管組織培養(yǎng)腔旋 轉(zhuǎn)傳動齒輪構(gòu)成旋轉(zhuǎn)裝置；其中血管組織培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)傳動齒輪 組，位于血管組織培養(yǎng)腔一端，與血管組織培養(yǎng)腔相耦合；作為具體但非限定的實施例，本發(fā)明的血管組織工程反應(yīng)器 用于組織工程動脈血管的培養(yǎng)，動脈血管管材包括經(jīng)過脫細胞處 理的動物血管，由膠原、蠶絲纖維、羊毛纖維等天然材料構(gòu)成的
管材和由PLGA、 PLA、 PLG、海藻酸鈉、聚四氟乙烯等高聚物構(gòu)成 的管材，血管直徑在例如l-12mm之間，血管長度在例如10-30cm之 間，血管管材上的細胞包括血管內(nèi)皮細胞、血管平滑肌細胞和外 膜成纖維細胞。
作為具體但非限定的實施例，本發(fā)明的血管組織工程反應(yīng)器 的整個灌注管路通過放入動物細胞培養(yǎng)箱維持371C， 5-15% C02， 95%相對濕度的培養(yǎng)條件。
本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)安裝、拆卸方便；整個反應(yīng)器、包括灌 注通道管路和接頭可拆卸、可消毒，示例性的消毒條件為例如 130X:， 3個大氣壓，時間1小時。
本發(fā)明的血管組織工程反應(yīng)器，與現(xiàn)有反應(yīng)器相比有如下有 益效果
1. 本發(fā)明的血管組織工程反應(yīng)器的具體但非限定的實施 例，克服了常用的動脈血管組織工程反應(yīng)器無法模擬動脈血管 血液流動的順應(yīng)性、流動慣性和流動阻力等阻抗特性，無法提供 近似于動脈內(nèi)血液脈動流環(huán)境的缺點，能夠在流動回路上模擬 動脈血液流動的順應(yīng)性、流動慣性和流動阻力等阻抗特性，能夠 在流動回路上模擬近生理脈動流的壓力和流量脈搏波，產(chǎn)生近生 理脈動流；能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)整脈搏波波形、壓力和流量范 圍、及脈動頻率，模擬不同動脈段的脈動頻率、壓力和流量波 形，模擬高血壓，高剪切應(yīng)力，低剪切應(yīng)力等血流動力學狀況；
2. 在本發(fā)明的血管組織工程反應(yīng)器的一個作為但非限定的 實施例中，能夠在血管培養(yǎng)物上同時或單獨加載類似于生理狀 態(tài)下動脈血管受到徑向牽張等力學載荷，上述力學載荷具有良好 的可調(diào)控性；
3. 在本發(fā)明的血管組織工程反應(yīng)器的一個具體但非限定的 實施例中，反應(yīng)器培養(yǎng)室部分為旋壁-直接灌注模式，能夠以可 調(diào)控的轉(zhuǎn)速進行反應(yīng)器壁面旋轉(zhuǎn)，血管內(nèi)、外均可實現(xiàn)灌注，使 反應(yīng)器具有良好的傳質(zhì)性能；
4. 本發(fā)明的血管組織工程反應(yīng)器的一種具體但非限定的實施例，既可用于培養(yǎng)動脈血管組織，也可用作研究血管細胞、 組織的生物學和力學性能的儀器，具有較大的推廣應(yīng)用前景和 較大的潛在社會經(jīng)濟效益。


圖l顯示了本發(fā)明的具有培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)功能的血管組織工程反 應(yīng)器的一個實施方式。
圖2用于顯示了本發(fā)明的脈動源的一種實施方式的結(jié)構(gòu)和工作。
圖3顯示了本發(fā)明的一個進一步的具體實施方式
，其中用脈動 源作為血管內(nèi)灌注液體驅(qū)動裝置。
具體實施例方式
如圖1所示，在本發(fā)明具有培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)功能的血管組織工程 反應(yīng)器的一個具體實施方式
中，血管內(nèi)灌注儲液瓶101通過管路 與血管內(nèi)灌注液體驅(qū)動裝置l04相連。血管內(nèi)灌注液體驅(qū)動裝置 104可以采用蠕動泵，也可以采用脈動源或其他適當?shù)难b置，其不 同的具體構(gòu)成會使其具有相應(yīng)的功能和/或產(chǎn)生相應(yīng)的效果，如下 文所要具體討論的。
血管內(nèi)灌注液體驅(qū)動裝置104通過管路與內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔進 口管路107的上游端相連。內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔進口管路107的下游 端穿過上游密封塞109而進入到血管組織培養(yǎng)腔110中，待培養(yǎng)的 血管組織111的上游端套在進口管路107的下游端上。上游密封塞 109以可轉(zhuǎn)動(培養(yǎng)腔110的轉(zhuǎn)動)密封的方式與培養(yǎng)腔接合，從 而實現(xiàn)培養(yǎng)腔對外界的密封。
標號108表示一個內(nèi)灌注回路上游支架，用于固定和/或保持 內(nèi)灌注回路進口管路107。
培養(yǎng)腔110優(yōu)選地是由透明材料(如玻璃、塑料、聚碳酸酯) 制成，或用如不銹鋼的材料制成，用于為待培養(yǎng)的血管組織lll提 供無菌的密閉環(huán)境。在血管培養(yǎng)操作過程中，培養(yǎng)腔110內(nèi)可以是 完全充滿液體的，也可以是部分充有液體的，也可以是完全沒有
液體的；該液體可以是與流經(jīng)血管組織111內(nèi)的培養(yǎng)液相同的液 體，也可以是與流經(jīng)血管組織lll內(nèi)的培養(yǎng)液不同的液體。
待培養(yǎng)的血管組織lll的下游端套在內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔出口管 路115的上游端上。出口管路115的上游端被置于培養(yǎng)腔110內(nèi)，而 出口管路115的下游端穿過下游密封塞112伸出到培養(yǎng)腔110之外， 并通過管路與連接到血管內(nèi)灌注儲液瓶101的管路相連，從而形成 一個完整的血管內(nèi)灌注液體流回路。
下游密封塞112以可轉(zhuǎn)動(培養(yǎng)腔110的轉(zhuǎn)動)密封的方式與 培養(yǎng)腔接合，從而實現(xiàn)培養(yǎng)腔對外界的密封。
標號116表示一個內(nèi)灌注回路下游支架，用于固定和/或保持 內(nèi)灌注回路出口管路115。
圖l所示的實施方式還包括一個培養(yǎng)液的血管外灌注回路。如 圖l所示，該血管外灌注回路包括外灌注回路儲液瓶102;外灌 注液體驅(qū)動裝置103，其與儲液瓶102經(jīng)液體管路相連；外灌注回 路培養(yǎng)腔進口管路105,其上游端通過管路與驅(qū)動裝置103相連， 且其下游端穿過上游密封塞109而進入到培養(yǎng)腔110內(nèi)部，用于把 來自外灌注回路儲液瓶102的培養(yǎng)液注入培養(yǎng)腔110內(nèi)；以及，外 灌注回路培養(yǎng)腔出口管路114，其上游端被置于培養(yǎng)腔110內(nèi)，且 其下游端穿過下游密封塞112而延伸到培養(yǎng)腔110之外，用于把培 養(yǎng)液從培養(yǎng)腔110中引出，并通過液體管路與外灌注回路儲液瓶 102相連。
圖l的實施方式還包括實現(xiàn)培養(yǎng)腔的轉(zhuǎn)動的部分的一種實施方 式，這些部分包括培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機118;與電機118的轉(zhuǎn)軸 119相耦合的培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)傳動齒輪組113。齒輪組113中的一個從動 齒輪固定安裝在培養(yǎng)腔110上(圖1中顯示的是安裝在培養(yǎng)腔110的 一個領(lǐng)部上)，從而把電機118的轉(zhuǎn)動驅(qū)動力傳遞給培養(yǎng)腔110， 使培養(yǎng)腔11Q旋轉(zhuǎn)。
借助圖l所示的具體實施方式
，可以同時實現(xiàn)血管內(nèi)培養(yǎng)液 灌注、血管外培養(yǎng)液灌注、培養(yǎng)腔的轉(zhuǎn)動，以及它們的任何組 合。
圖2中顯示了本發(fā)明的脈動源的一種實施方式的結(jié)構(gòu)和工作。 本發(fā)明的該脈動源可以被用作圖1中的血管內(nèi)灌注液體驅(qū)動裝置 104和/或血管外灌注液體驅(qū)動裝置103。圖2中與圖1中相同的標號 表示相同或相當?shù)牟糠?，且對這些相同或相當?shù)牟糠植辉僦貜?fù)描 述。
如圖2所示，作為本發(fā)明的一個非限定性的實施方式，在血管 內(nèi)灌注儲液瓶101與血管組織培養(yǎng)腔110之間，依次連接有脈動源 201、第一阻力調(diào)節(jié)器204、第一順應(yīng)性調(diào)節(jié)器205。
如圖2所示，本發(fā)明的脈動源201包括脈動腔202、穿過脈動腔 202的彈性軟管203、設(shè)置在彈性軟管的上游端口處的上游單向止 逆閥208、 ^殳置在彈性軟管的下游端口處的下游單向止逆閥209、 密封活塞210、以及用于驅(qū)動密封活塞210的直線電機211。脈動腔 202是一個用于充滿液體的體積固定的密閉腔。而彈性軟管203構(gòu) 成了血管內(nèi)(或外)灌注回路穿過脈動腔202的部分。直線電 機211的往復(fù)運動，通過驅(qū)動活塞210，而對脈動腔202中充滿的液 體產(chǎn)生擠壓作用，這種擠壓進而作用在彈性軟管203內(nèi)的培養(yǎng)液 上，從而在血管內(nèi)灌注回路里產(chǎn)生對應(yīng)的脈動流。
作為一種優(yōu)選但非限定的實施方式，可以使這種脈動流模擬 心臟射血入主動脈的波動，并可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)J3^動流的脈 動頻率、流量和壓力。單向止逆閥208、 209用于保證從脈動源流 出的培養(yǎng)液流為單向的脈動流。
標號204表示一個第一阻力調(diào)節(jié)器。阻力調(diào)節(jié)器是連接在管路 上的機械調(diào)節(jié)裝置，例如調(diào)節(jié)閥，其用于通過調(diào)節(jié)管腔大小調(diào)節(jié) 回路中液體的流量，并伴隨著灌注壓強的調(diào)節(jié)。
標號205表示一個第一順應(yīng)性調(diào)節(jié)器。順應(yīng)性調(diào)節(jié)器是連接在 管路上的調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)由于壓力變化所導(dǎo)致的液體容積的 變化。
標號206表示一個第二順應(yīng)性調(diào)節(jié)器，標號207表示一個第二 阻力調(diào)節(jié)器。
第一和第二阻力調(diào)節(jié)器204、 207各用于調(diào)節(jié)培養(yǎng)腔110中的培 養(yǎng)液的灌注壓強和培養(yǎng)液灌注壓強變化的波形、波幅。第一和第 二順應(yīng)性調(diào)節(jié)器205、 206各用于調(diào)節(jié)培養(yǎng)腔中的培養(yǎng)液的流動慣
性。第一和第二阻力調(diào)節(jié)器204、 207和第一和第二順應(yīng)性調(diào)節(jié)器 205、 206用于分別進行共同調(diào)節(jié)以獲得近似于生理脈動流的整體 波形、二次波、幅度和時相，獲得類似于高血壓的高管內(nèi)壓力， 高剪切應(yīng)力等血流動力學環(huán)境，或模擬動脈血管在低剪切應(yīng)力時 的血流動力學狀況。
應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的脈動源不僅可以被用作血管內(nèi)灌注 回路中的液體驅(qū)動裝置104,也可以被用作血管外灌注回路中的液 體驅(qū)動裝置103。
借助圖l所示的具體實施方式
，可以同時實現(xiàn)培養(yǎng)腔內(nèi)培養(yǎng)中 的血管組織的營養(yǎng)液內(nèi)灌注和外灌注以及培養(yǎng)腔的旋轉(zhuǎn)，從而使 培養(yǎng)中的血管組織獲得均勻、有效、充分、動態(tài)的培養(yǎng)液供應(yīng)。
應(yīng)該理解的是，上述的齒輪組113只是實現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動傳遞的 轉(zhuǎn)動傳動裝置的例子；也可以用其他的傳動裝置來代替齒輪組 113,這些其他的傳動裝置諸如鏈條傳動裝置、皮帶傳動裝置、傳 動桿等等。
還應(yīng)該理解的是，由于在管內(nèi)和管外雙灌注的情況下，管 內(nèi)的脈動對應(yīng)于管內(nèi)灌注回路和管外灌注回路中液體的壓強差的 波動。所以，作為本發(fā)明的一個具體但非限定的實施方式，也可 以把脈動源設(shè)置在管外灌注回路上；或者，本發(fā)明的一個進一步 的具體但非限定的實施方式，可以在血管外灌注回路和血管內(nèi)灌 注回路上同時設(shè)置各自的脈動源。這些變形均屬于本發(fā)明的范 圍。
圖3顯示了本發(fā)明的一個進一步的具體實施方式
。 和圖l的實施方式相比，在圖3所示的實施方式中，用脈動源 201作為血管內(nèi)灌注液體驅(qū)動裝置104。
另外，作為本發(fā)明的一個進一步的具體而非限定性的實施方 式，在圖3中進一步包括了與內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔進口管路107的下
游端相連的上游營養(yǎng)液分配器303和與內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔出口管路 115的上游端相連的下游營養(yǎng)液分配器304。上游和下游液體分配 器303、 304用于在它們之間設(shè)置多條培養(yǎng)中的血管組織，從而實 現(xiàn)了多條血管組織的同時培養(yǎng)。
在圖3所示的實施方式中，進一步包括了以下的可選部分外 灌注回路培養(yǎng)腔進口壓力傳感器301,用于檢測培養(yǎng)腔進口處的外 灌注回路中的液體壓強；外灌注回路培養(yǎng)腔出口壓力傳感器306， 用于檢測培養(yǎng)腔出口處的外灌注回路中的液體壓強；內(nèi)灌注回路 培養(yǎng)腔進口壓力傳感器302，用于檢測培養(yǎng)腔進口處的內(nèi)灌注回路 中的液體壓強；內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔出口壓力傳感器305，用于檢測 培養(yǎng)腔出口處的內(nèi)灌注回路中的液體壓強。
傳感器301、 302、 305、 306的輸出被送到集線器307，以在由 放大器308放大后被處理器31G和顯示器311所處理、記錄、和/或 顯示等。標號309表示一個驅(qū)動器。
圖3中，各傳感器處帶箭頭的小圓圏內(nèi)及其的數(shù)字，表示該傳 感器的數(shù)據(jù)被送到集線器307處帶相應(yīng)數(shù)字的小圓圈處的集線器接 頭。
借助圖3所示的具體實施方式
，可以同時實現(xiàn)血管內(nèi)培養(yǎng)液 灌注、血管外培養(yǎng)液灌注、培養(yǎng)腔的轉(zhuǎn)動、培養(yǎng)中的血管沿軸向 的往復(fù)拉伸，以及它們的任何組合；此外，它還能實現(xiàn)多血管同 時培養(yǎng)，并能實現(xiàn)壓強數(shù)據(jù)的處理、記錄、和/或顯示。
以下描述本發(fā)明的具體實施例。 實施例l外旋轉(zhuǎn)內(nèi)外灌注
1. 按照圖1所示連接血管內(nèi)、外灌注回路，其中血管內(nèi)、外灌 注液體驅(qū)動裝置為蠕動泵(Cole-Parmer公司，Masterflex 系列)；
2. 對反應(yīng)器進行消毒，消毒條件為130"C， 3個大氣壓，時間1
小時；
3. 在無菌狀態(tài)下將待培養(yǎng)的組織工程血管安裝到血管組織培養(yǎng)腔 中血管內(nèi)灌注回路的上下游管路上，其中組織工程血管內(nèi)徑血
管內(nèi)徑6mm，長度為10cm，材質(zhì)為脫細胞基質(zhì)；
4. 按照圖1所示連接血管組織培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)裝置，其中血管組織 培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)電機選用海頓57000系列步進電機；
5. 按照培養(yǎng)要求配制培養(yǎng)基，將無菌培養(yǎng)基注入血管內(nèi)灌注儲液 瓶和血管外灌注儲液瓶；
6. 打開各設(shè)備的電源預(yù)熱；
7. 設(shè)定血管內(nèi)灌注流量為0-1.6ml/s,進口壓力為100-120mmHg,出口壓力為75-115mmHg;血管外灌注流量為0-1.2 ml/s,進口壓力為100-120mmHg，出口壓力為80-llOmmHgj
8. 設(shè)定血管組織培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn)， 15rpmj
10.運行反應(yīng)器；
實施例2外旋轉(zhuǎn)內(nèi)脈動流灌注外灌注
1. 按照圖3所示連接血管內(nèi)、外灌注回路，其中血管內(nèi)灌注液 體驅(qū)動裝置為脈動源，血管外灌注液體驅(qū)動裝置為蠕動泵
(Cole-Parmer公司，Masterf lex系列)；
2. 對反應(yīng)器進行消毒，消毒條件為130X:， 3個大氣壓，時間1
小時；
3. 在無菌狀態(tài)下將待培養(yǎng)的組織工程血管安裝到血管組織培養(yǎng)腔 上下游的液體分配器上，其中組織工程血管內(nèi)徑血管內(nèi)徑 6mm,長度為20cm， PLGA;
4，按照圖3所示連接血管組織培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)裝置，其中血管組織 培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)電機選用海頓57000系列步進電機；
5. 按照圖3所示連接血管內(nèi)、外灌注回路中血管組織培養(yǎng)腔進 出口的壓力傳感器，和信號檢測裝置；
6. 按照培養(yǎng)要求配制培養(yǎng)基，將無菌培養(yǎng)基注入血管內(nèi)灌注儲液 瓶和血管外灌注儲液瓶；
7.打開各i殳備的電源預(yù)熱；
10. 設(shè)定血管內(nèi)灌注脈動頻率為70次/分鐘，電機增益為1-5%，設(shè) 定初始位置；i殳定血管內(nèi)灌注流量為O-1. 6ml/s，進口壓力為 100-140mmHg,出口壓力為75-115mmHg;血管外灌注流量為 O-l. Oml/s，進口壓力為110-140mmHg,出口壓力為85-110mmHgj
11. 設(shè)定血管組織培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速順時針旋轉(zhuǎn)， 20rpm;
12. 運行反應(yīng)器；
13. 調(diào)節(jié)阻力調(diào)節(jié)器和順應(yīng)性調(diào)節(jié)器，控制流經(jīng)血管組織培養(yǎng)腔的
壓力、流量波形，模擬類似于生理狀態(tài)下的動脈脈搏波波 形
權(quán)利要求
1.一種血管組織工程反應(yīng)器，其特征在于包括:通過液體管路依次相連的血管內(nèi)灌注儲液瓶(101)、血管內(nèi)灌注液體驅(qū)動裝置(104)、血管內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔進口管路(107)；一個血管組織培養(yǎng)腔(110)，所述培養(yǎng)腔進口管路(107)的下游端進入到血管組織培養(yǎng)腔(110)中并用于與待培養(yǎng)的血管組織(111)的上游端相連接從而用于使來自所述血管內(nèi)灌注儲液瓶(101)的培養(yǎng)液流入所述血管組織(111)的內(nèi)部；一個血管內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔出口管路(115)，其上游端進入到所述血管組織培養(yǎng)腔(110)中并用于與待培養(yǎng)的血管組織(111)的下游端相連接從而用于導(dǎo)出所述血管組織(111)的內(nèi)部的培養(yǎng)液；一個外灌注回路儲液瓶(102)；一個外灌注回路液體驅(qū)動裝置(103)，其與所述外灌注回路儲液瓶(102)通過液體管路相連；一個外灌注回路培養(yǎng)腔進口管路(105)，其上游端通過液體管路與所述外灌注液體驅(qū)動裝置(103)相連，且其下游端進入到所述培養(yǎng)腔(110)內(nèi)部，從而用于把來自外灌注回路儲液瓶(102)的培養(yǎng)液注入培養(yǎng)腔(110)內(nèi)所述血管組織(111)之外的空間；以及一個外灌注回路培養(yǎng)腔出口管路(114)，其上游端被置于所述培養(yǎng)腔(110)中且其下游端延伸到所述培養(yǎng)腔之外，用于把所述培養(yǎng)腔內(nèi)所述血管組織(111)之外的培養(yǎng)液引出；一個培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)電機(118)；一個培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)傳動裝置(113)，其與所述培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)電機(118)的轉(zhuǎn)軸(119)相耦合，并與所述培養(yǎng)腔(110)相耦合，用于把所述培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動傳遞給所述培養(yǎng)腔，從而驅(qū)動所述培養(yǎng)腔轉(zhuǎn)動。
2.如權(quán)利要求l所述的血管組織工程反應(yīng)器，其特征在于所 述血管內(nèi)灌注液體驅(qū)動裝置(104)是一個脈動源(201)，所述 脈動源包括脈動腔(202 )，用于充滿液體；穿過所述脈動腔的彈性軟管(203 )，該彈性軟管構(gòu)成了從所 述血管內(nèi)灌注儲液瓶(101)至所述血管內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔進口管 路(107)的培養(yǎng)液通路穿過所述脈動腔的部分；設(shè)置在彈性軟管的上游端口處的一個上游單向止逆閥 (208 );設(shè)置在所述彈性軟管的下游端口處的一個下游單向止逆閥 (209 );可作用在所述脈動腔內(nèi)的液體上的一個密封活塞(210);一個直線電機(211),用于驅(qū)動所述密封活塞作往復(fù)運動， 從而通過所述密封活塞而對脈動腔(202 )中充滿的液體產(chǎn)生擠壓 作用，這種擠壓作用進而傳遞到所述彈性軟管內(nèi)的培養(yǎng)液上，從 而產(chǎn)生從血管內(nèi)灌注儲液瓶(101)至所述血管組織(111)的內(nèi) 部的培養(yǎng)液J3^動流。
3. 如權(quán)利要求2所述的血管組織工程反應(yīng)器，其特征在于進 一步包括設(shè)置在所述脈動源(201)下游的一個第一阻力調(diào)節(jié)器 (204 ),用于調(diào)節(jié)培養(yǎng)腔(110)中的血管內(nèi)灌注培養(yǎng)液的灌注 壓強和培養(yǎng)液灌注壓強變化的波形、波幅；設(shè)置在所述第一阻力調(diào)節(jié)器(204 )與所述培養(yǎng)腔之間的一個 第一順應(yīng)性調(diào)節(jié)器(205 )，用于調(diào)節(jié)培養(yǎng)腔中由于壓力變化所導(dǎo) 致的液體容積的變化；設(shè)置在所述培養(yǎng)腔下游的一個第二順應(yīng)性調(diào)節(jié)器(206 )，用 于調(diào)節(jié)培養(yǎng)腔中由于壓力變化所導(dǎo)致的液體容積的變化；設(shè)置在所述第二順應(yīng)性調(diào)節(jié)器(206 )下游的一個第二阻力調(diào) 節(jié)器(207 )，用于調(diào)節(jié)所述培養(yǎng)腔中血管內(nèi)灌注的培養(yǎng)液的灌注 壓強和培養(yǎng)液灌注壓強變化的波形、波幅。
4. 如權(quán)利要求l - 3中任何一項所述的血管組織工程反應(yīng)器， 其特征在于進一步包括一個上游密封塞(109),其以可轉(zhuǎn)動密封的方式與所述培養(yǎng) 腔相接合，并用于使所述血管內(nèi)灌注培養(yǎng)腔進口管路(107)和所 述外灌注回路培養(yǎng)腔進口管路(105)以密封的方式進入所述培養(yǎng) 腔(110);一個外灌注管路下游密封塞(117)，其以可轉(zhuǎn)動密封的 方式與所述培養(yǎng)腔相接合，并用于使所述血管內(nèi)灌注培養(yǎng)腔出口 管路(115)和所述外灌注回路培養(yǎng)腔出口管路(114)以密封的 方式從所述培養(yǎng)腔(110)內(nèi)延伸到所述培養(yǎng)腔(110)之外。
5. 如權(quán)利要求l - 3中任何一項所述的血管組織工程反應(yīng)器， 其特征在于進一步包括一個上游營養(yǎng)液分配器(303 )，其與所述內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔 進口管路(107)在培養(yǎng)腔(110)中的一端相連；以及一個下游營養(yǎng)液分配器(304 )，其與所述內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔 出口管路(115)在培養(yǎng)腔(110)中的一端相連，所述上游和下游液體分配器(303、 304 )用于在它們之間設(shè) 置多條培養(yǎng)中的血管組織，從而實現(xiàn)了多條血管組織的同時培 養(yǎng)。
6. 如權(quán)利要求l - 3中任何一項所述的血管組織工程反應(yīng)器， 其培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)傳動裝置(113)包括齒輪組、鏈條傳動裝置、皮帶 傳動裝置中的任何一種。
7. 如權(quán)利要求l — 3中任何一項所述的血管組織工程反應(yīng)器， 其特征在于進一步包括一個內(nèi)灌注回路上游支架(108)，用于固定和/或保持所述 內(nèi)灌注回路進口管路(107);一個內(nèi)灌注回路下游支架(116)，用于固定和/或保持所述 內(nèi)灌注回路出口管路(115);一個內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔進口壓力傳感器(302 )，用于檢測培 養(yǎng)腔進口處的內(nèi)灌注回路中的液體壓強；一個內(nèi)灌注回路培養(yǎng)腔出口壓力傳感器(305 )，用于檢測培養(yǎng)腔出口處的內(nèi)灌注回路中的液體壓強；一個外灌注回路培養(yǎng)腔進口壓力傳感器(301),用于檢測培 養(yǎng)腔進口處的外灌注回路中的液體壓強；一個外灌注回路培養(yǎng)腔出口壓力傳感器(306 )，用于檢測培 養(yǎng)腔出口處的外灌注回路中的液體壓強；一個集線器(307 ),用于接收上述傳感器(301， 302, 305, 306 )的輸出；一個放大器(308 )，用于放大集線器(307 )所接收的傳感 器輸出；一個處理器(310),用于對經(jīng)過放大器(308 )放大的數(shù)據(jù) 進行處理；一個顯示器(311)，用于顯示處理器(310)處理過的數(shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求l所述的血管組織工程反應(yīng)器，其特征在于所 述血管內(nèi)灌注液體驅(qū)動裝置(103)是一個脈動源(201)，所述 脈動源包括脈動腔(202 )，用于充滿液體；穿過所述脈動腔的彈性軟管(203 ),該彈性軟管構(gòu)成了從所 述血管外灌注儲液瓶(102)至所述血管外灌注回路培養(yǎng)腔進口管 路(105)的培養(yǎng)液通路穿過所述脈動腔的部分；設(shè)置在彈性軟管的上游端口處的一個上游單向止逆閥 (208 );設(shè)置在所述彈性軟管的下游端口處的一個下游單向止逆閱 (209 );可作用在所述脈動腔內(nèi)的液體上的一個密封活塞(210); 一個直線電機(211)，用于驅(qū)動所述密封活塞作往復(fù)運動，從而 通過所述密封活塞而對脈動腔(202 )中充滿的液體產(chǎn)生擠壓作 用，這種擠壓作用進而傳遞到所述彈性軟管內(nèi)的培養(yǎng)液上，從而 產(chǎn)生從血管外灌注儲液瓶至所述培養(yǎng)腔的內(nèi)部的培養(yǎng)液脈動流。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有培養(yǎng)腔旋轉(zhuǎn)、血管組織內(nèi)外雙灌注功能、以及血管內(nèi)營養(yǎng)液脈動功能的血管組織工程反應(yīng)器。借助本發(fā)明，可以同時實現(xiàn)血管內(nèi)培養(yǎng)液灌注、血管外培養(yǎng)液灌注、培養(yǎng)腔的轉(zhuǎn)動、培養(yǎng)中的血管沿軸向的往復(fù)拉伸，以及它們的任何組合；此外，它還能實現(xiàn)多血管同時培養(yǎng)，并能實現(xiàn)壓強數(shù)據(jù)的處理、記錄、和/或顯示。
文檔編號C12M1/36GK101372661SQ20081010214
公開日2009年2月25日 申請日期2008年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月18日
發(fā)明者李晉川, 樊瑜波, 貢向輝, 鄒遠文, 黃學進 申請人:北京航空航天大學;四川大學