血管组织工程生物反应器

摘要

本发明公开了一种血管组织工程生物反应器，包括模拟血流动力学装置、三维支架以及培养室，模拟血流动力学装置为脉动流控制装置，所述的培养室串联在所述脉动流控制装置内，培养室包括密封配合的旋转器件以及密封腔体，该旋转器件包括固定有三维支架的旋转杆以及使旋转杆转动的驱动装置，该旋转杆位于密封腔体内。本发明采用了脉动流控制装置提供模拟人体心脏的动力作用，提供有利于细胞生长、增殖、分化的模拟人体脉动流环境。培养室是将细胞接种在内旋转的三维支架上，并且，还可以进行二次细胞接种，从而实现了方便细胞的取放以及可使细胞均匀地黏附在三维支架上，避免先把细胞经旋转接种在三维支架上，再把三维支架接入反应器上造成的污染。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物医学工程领域，具体涉及一种血管组织领域中模拟小口径血管血流动力学环境从而促进细胞在三维支架上生长、增值、分化的血管组织工程生物反应器。

背景技术

组织工程学是20世纪80年代后期开始兴起的一门交叉学科，它的基本方法是在一种可生物降解的三维支架材料上种植人体活细胞，在体内或者体外培养成相应的组织，达到修复组织缺损或者功能重建的目的。其中，研究开发具有功效的小口径组织工程血管一直被认为是组织工程领域中的一个难题。血管组织工程的一般方法是将体外培养扩增的血管平滑肌细胞、内皮细胞种植于可降解吸收的三维支架上，被接种细胞在模拟的血流动力学环境下生长、增殖以及分化，形成具有功效的血管替代物。因而，流体动力学因素对细胞的生长、增殖、分化起着重要的作用，而人体内小口径血管的血流都是一种脉动流，经过大量的研究证明，在非脉动流的环境下，将会影响细胞的生长、增殖、分化。例如，湍流的环境会损伤内皮细胞，无脉动的层流会使平滑肌细胞由收缩型转变为合成型。现有的血管组织工程生物反应器的模拟血流动力学环境是采用蠕动泵或呼吸机作为模拟心脏的动力装置，这些动力装置无法模拟出人体的脉动流。此外，目前血管组织工程生物反应器是先把细胞经旋转后接种在三维支架上，然后再把三维支架接入反应器上。这样的操作容易造成污染，并且不能进行细胞的二次接种。

发明内容

有鉴于此，本发明所解决的技术问题在于提供一种模拟人体小口径血管脉动流的脉动流控制装置，在培养室能使细胞旋转接种以及在脉动流环境中培养，并且可以进行细胞二次接种的血管组织工程生物反应器。

为了实现上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种血管组织工程生物反应器，包括模拟血流动力学装置、三维支架以及培养室，所述的模拟血流动力学装置为脉动流控制装置，所述的培养室串联在所述脉动流控制装置内，所述的培养室包括密封配合的旋转器件以及密封腔体，该旋转器件包括固定有三维支架的旋转杆以及使旋转杆转动的驱动装置，该旋转杆位于密封腔体内。

上述脉动流控制装置包括脉动控制仪，以及与脉动控制仪连接的直线电动机，该直线电动机的活塞将信号传递到带两个反向机械瓣膜的硅橡胶囊，硅橡胶囊分别与顺应腔、内外储液箱相连通，所述脉动流控制装置的连接管路中还设置流体波形监测器、流量计以及后负荷控制系统。

上述顺应腔的材料可为玻璃或有机玻璃或聚碳酸酯。

上述三维支架材质可为聚乳酸聚乙醇酸共聚物。

上述三维支架可为圆管形，管壁上设有一个以上的通孔。

上述旋转器件与密封腔体采用硅橡胶O型的密封圈密封配合。

本发明达到的技术效果如下：

本发明血管组织工程生物反应器的模拟血流动力学装置为脉动流控制装置，来模拟心脏的动力作用，提供人体的脉动流，从而使培养室中细胞在模拟人体的脉动环境中更好地生长、增殖、分化。脉动流控制装置中还串联一培养室，它包括密封配合的旋转器件和密封腔体。旋转器件包括低速直流电机、带齿轮的旋转杆，旋转杆位于密封腔体的内部，旋转杆为三维支架提供固定作用，三维支架接在带齿轮的内的接头上，并用无菌手术缝线绑紧。低速直流电机为旋转杆的驱动装置，通过与旋转杆上的齿轮啮合来驱动旋转杆转动，从而实现了三维支架的内腔旋转。使用时，用无菌注射器吸取预先制备的血管平滑肌细胞悬浮液，从医用三通阀的一个接口注入到三维支架，从而实现了细胞在三维支架上的内旋转接种，以及还可以进行二次接种，从而实现了方便细胞的取放以及可使细胞均匀地黏附在三维支架上，从而避免先把细胞经旋转后接种在三维支架上，然后再把三维支架接入反应器上造成的污染。

附图说明

图1为本发明血管组织工程生物反应器的结构示意图。

图中标号说明如下：

1-脉动控制仪，2-直线电动机，3-活塞，4-密封的液体，5-硅橡胶囊，51-入口，52-出口，6-机械瓣膜，7-顺应腔，8-阀门开关，9-医用三通阀，10-左密封盖，11-接头，12-三维支架，13-旋转杆，14-圆形管，15-流入口，16-蠕动泵，17-流出口，18-右密封盖，19-密封圈，20-低速直流电动机，21-流体波形监测器，22-流量计，23-连接管路，24-外储液箱，25-血管内皮细胞培养液，26-内储液箱。

具体实施方式

如图1所示，血管组织工程生物反应器包括一个脉动流控制装置和一个培养室。其中，脉动流控制装置为模拟血流动力学装置，其为模拟心脏的动力作用，提供模拟人体的脉动流，它包括脉动控制仪1、直线电动机2、硅橡胶囊5、顺应腔7、流体波形监测器21、流量计22、后负荷控制系统、内储液箱26、外储液箱24。培养室串联在脉动流回路装置的连接管路23中。脉动控制仪1储存着从成年人身体上采集的左心室容积曲线直流电信号，输出的左心室容积曲线直流电信号驱动直线电动机2，直线电动机2的频率为0.17～3.3Hz。相当于心跳频率为10～200跳/分钟。直线电动机2的活塞3通过挤压密封的液体4将左心室容积曲线直流电信号传递到硅橡胶囊5，硅橡胶囊5模拟人体心脏左心室的功能，其材料为交联硅橡胶，其尺寸可以根据实际需要确定。硅橡胶囊5分设一个入口51和出口52，入口51和出口52处分别设有方向相反的机械瓣膜6。硅橡胶囊5按照近似人体生理心室容积变化规律收缩以及舒张，硅橡胶囊5的体积为每搏输出量20～1000mL。从硅橡胶囊5泵出的液体进入顺应腔7，顺应腔7的作用是模拟血管的顺应性，将湍流转变成层流。顺应腔7的材料可以是玻璃或有机玻璃或聚碳酸酯，其体积为20～2000mL，从顺应腔7流出的液体进入培养室。

培养室包括旋转器件和密封腔体，旋转器件与密封腔体的采用硅橡胶O型的密封圈19配合。旋转器件包括低速直流电机20、带齿轮的旋转杆13，旋转杆13位于密封腔体的内部，旋转杆13为三维支架12提供固定作用，三维支架12接在带齿轮的内的接头11上，并用无菌手术缝线绑紧。低速直流电机20为旋转杆13的驱动装置，转速为6～60r/h，其电机轴上设有齿轮，通过与旋转杆13上的齿轮啮合来驱动旋转杆13转动，从而实现了细胞在三维支架12上的旋转接种，为细胞-三维支架复合物提供脉动的流体力学环境。三维支架12为圆管状，管壁上设有多个通孔，其材质为聚乳酸聚乙醇酸共聚物。密封腔体包括一个圆形管14和两端的左密封盖10、右密封盖18。圆形管14的上、下两侧各有一个流入口15和流出口17，分别连接至外储液箱24以及蠕动泵16上，用于细胞-三维支架复合物的培养液的外循环。圆形管14的材料可以选择玻璃或有机玻璃或聚碳酸酯，左右密封盖的材料选为不锈钢，两个密封盖分别与圆形管14的采用法兰和硅橡胶垫圈配合密封连接。

从培养室流出的液体继续往前流动，受到连接管路23中的流体波形监测器21和流量计22的监控，以及受到后负荷控制系统的阻力来调节回路中的流量，后负荷控制系统的调节是通过连续调节阀门开关来实现。流动的液体继续往前进入外储液箱26，外储液箱26的材料选为玻璃或有机玻璃或聚碳酸酯。外储液箱26的流体出口与硅橡胶囊5的入口51相连通，源源不断地补充被硅橡胶囊5中泵出去的液体。

通过上述方式就能模拟出人体脉动流的回路系统，为细胞-三维支架复合物提供模拟小口径血管的提供脉动血流动力学环境。整个回路可由硅橡胶管或者聚氯乙烯管连接起来。

本发明的血管组织工程生物反应器的工作过程如下：在使用之前，血管组织工程生物反应器用环氧乙烷整体灭菌。将多孔管状聚乳酸聚乙醇酸共聚物的三维支架12用无菌手术缝合线捆扎在接头11上。往内储液箱26中加入500mL血管内皮细胞培养液，往外储液箱24加入300mL平滑肌细胞培养液，外储液箱24用蠕动泵16驱动外循环。用5mL无菌注射器吸取预先制备的血管平滑肌细胞悬浮液，从医用三通阀9的一个接口注入到三维支架12上，并保持一定的压力以便细胞悬浮液能从三维支架12的通孔中不断地往管壁外侧渗透进行一次接种，然后吸出三维支架12管中残留的血管平滑肌细胞悬浮液。启动脉动控制仪1的电源，调节顺应腔7内空气和液体的比例，以及调节阻力的后负荷控制系统的阀门，使平滑肌细胞-三维支架复合物在脉动流的环境中培养10天。通过波形监测器检测流体的波形变化。停止脉动，用5mL无菌注射器吸取预先制备的血管内皮细胞悬浮液，从医用三通阀9的一个接口注入到三维支架12的内腔。启动低速直流电机20，转速为6～8r/h。经过6小时的旋转接种，血管内皮细胞均匀地黏附在三维支架12的管内壁上。停止低速直流电机20的旋转，启动脉动控制仪1的电源，调节后负荷控制系统的阀门，使得流体的剪切力为0.01N/m²，接近于静态培养。静态培养两天后，调节后负荷阻力系统的阀门，使得流体的剪切力与时间关系按照以下数据顺序不断地增加：剪切力0.15N/m²培养两天；剪切力0.53N/m²，培养一天；剪切力0.96N/m²，培养一天；剪切力1.53N/m²，培养三天。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。