专利名称：一种人工皮肤培养装置及其使用方法
技术领域：
本发明属于组织工程学医用生物材料的制备装置技术领域，具体涉及人工皮肤培养装置及其使用方法的改进。
背景技术：
皮肤是覆盖与保护体表的重要组织器官。由于炎症、溃疡、外伤、烧伤、医源性以及先天性畸形等原因常造成皮肤的缺损和异常。近年来，随着组织工程技术的发展，在体外构建的组织工程皮肤已广泛应用于皮肤缺损的移植治疗。组织工程皮肤是采用组织工程学原理与方法在体外制备的人工皮肤替代物，是将人成纤维细胞和表皮细胞大量扩增后，再将表皮细胞、真皮成纤维细胞复合于胶原蛋白支架重组而成。由于组织工程技术还处于起步阶段，在人工皮肤的生产中尚无成熟的专用设备及生产器具。中国专利200910024283. 2公开了一种用于组织工程皮肤生产的培养盒，由带换液槽的底盒、盒盖、以及培养托组成；其培养托在底盒内为单层平铺放置。该培养盒在应用中存在以下问题(1)培养盒的应用方式为静态培养，其培养体系缺乏动态监控，仅凭经验来控制调整培养过程(如更换培养液)，对于规模生产过程难以实现标准化和规范化的操作管理，导致产品的质量不稳定、效果不理想；(2)培养托侧壁有均布的竖向通槽，在人工皮肤培养过程中会使托内液体养分渗出，易造成所培养皮肤边缘形成不规则突起；尤其是在复合细胞时，会导致细胞混合液的渗出，造成细胞流失，导致所培养皮肤中细胞数量的不均匀；(3)培养托外底面的支脚结构，使培养托在底盒内容易发生位移，使位置不固定，尤其是对培养托或皮肤表面的自动操作中，导致难以准确定位；(4)换液槽位置在底盒侧边，加大了培养盒的横向体积，在密集培养和存放时需要更大空间；(5)底盒与盒盖间无缝隙，不利于气体交换，影响皮肤培养的效果。
发明内容
为解决上述现有技术所存在的缺陷，本发明的目的是提供一种人工皮肤培养装置及其使用方法，使其更利于人工皮肤的自动化和规范化生产。本发明所提出的人工皮肤培养装置，包括培养底盒、盒盖及培养托；其特征在于，所述的人工皮肤培养装置由控制单元和培养单元组成，所述的控制单元包括计算机控制的气体控制模块、液体控制模块、传感器、气体混合室、液体储存室及控制面板；所述的培养单元包括培养底盒、盒盖和培养托以及连接若干培养底盒的管路；其中气体混合室和液体储存室通过控制阀由管路分别与培养底盒相连接，气体混合室内的若干传感器通过线路经气体控制模块与控制面板连接，可以实现对培养过程中混合室内气体循环的动态监控；液体储存室内的若干传感器通过线路经液体控制模块与控制面板连接，可以实现对培养过程中储存室内培养液循环的动态监控；通过控制面板的操作能实现对培养过程的设置、监控及调整。本发明所述培养底盒的内底表面设有突状定位柱，用于锚定培养托的位置；培养底盒的尺寸与培养托的尺寸相适应，培养托在底盒内为I 4排排放，每排放置4 8个培养托；所述底盒外底部设有四个支腿，高4_ 10_，可防止外部液体的浸泡、便于搬运；在底盒两侧分别设有气、液体进出的管路接ロ，通过管路将若干培养盒串接或并接，使盒内的气、液体分别形成流通回路，以便于进行气体和培养液的动态监控及更换；底盒与盒盖间扣合密封。本发明所述培养托的底面有均匀分布的通孔，孔径为Imm 2_，以保证皮肤培养过程中液体的渗透；培养托内的高度为4mm IOmm,是根据所培养皮肤的厚度确定,侧壁完整无开ロ ；培养托外底部均勻设有至少三个外翻支脚，在外翻支脚的横折部位中央开有定位孔，定位孔与培养底盒内的定位柱配合镶嵌，使培养托能准确锚定在底盒内，便于自动化操作的精确定位；培养托的总高度低于培养底盒内高度4mm以上，以保证培养液的供给。
本发明的特征还在于，另设有与培养托能密封配合的附设圈，插入培养托内増加侧壁高度，附设圈高2mm 10mm，用于人工皮肤培养过程中避免细胞悬液的流失。本发明人工皮肤培养装置的使用方法，在培养托底部铺设与其相同大小的尼龙膜，将含细胞的凝胶溶液注入培养托，其侧壁可有效避免溶液在固化前的流失；再将培养托以支脚上的定位孔与培养底盒定位柱相嵌锚定，密封扣合盒盖，将培养盒用气、液体管路分别连接，井分别与气体混合室和培养液储存室连通，在控制面板对培养过程及条件设置，并启动培养。培养期间，细胞逐渐伸展导致培养物的高度及面积收缩，使培养物脱离培养托内壁。打开培养盒盒盖，采用自动打孔设备对培养物表面打孔后，在培养托内套插入附设圏，注入细胞悬液，密封扣合盒盖后继续培养，至人工皮肤培养完成。本发明的人工皮肤培养装置与现有技术相比，具有以下优点1)人工皮肤的培养方式从静态培养转变为动态培养，可以对培养过程中的气体(o2、co2)和培养液(葡萄糖、温度、PH值、溶氧浓度)的组分条件分别进行动态监控和调整，实现培养液的自动更换，増加了培养体系的稳定性，減少了换液的盲目性和工作量，使得培养条件更科学、合理及稳定；由于采用封闭体系培养，可显著降低外界微生物侵入与污染的风险。2)培养方式从单个培养转变为整体培养，具有更加一致的培养条件，提高了批次间的均一性，増加了产品质量的稳定性，易于实现产业化。3)培养托在底盒内被精确锚定，使培养托在操作中不会发生位移，保证了自动化操作的精确定位。4)封闭的自动化培养无需换液槽等附属结构，使密集培养和存放的空间增加；5)培养托侧壁无开ロ，避免了液体蛋白的渗漏，改善了人工皮肤的外形及稳定性；附设圈结构在复合细胞时，能有效避免细胞液的溢出，利于细胞的均匀分布，可以显著提高人工皮肤的质量。
附图I为本发明人工皮肤培养装置之培养盒的结构示意图，图中I为盒盖，2为密封垫圈，3为底盒，4为气体管路接ロ，5为液体管路接ロ，6为定位柱，7为支腿，底盒与盒盖采用卡扣结构密封。附图2为本发明所设计培养托与附设圈的结构示意图，图中8为附设圏，9为定位孔，10为外翻支脚，11为培养托(侧壁)。附图3为本发明人工皮肤培养装置的结构示意图，(三个)培养盒采用串联方式连接。附图4为附图3的另ー种结构示意图，(三个)培养盒采用并联方式连接。
具体实施方式
以下结合附图对本发明技术方案作进一步详细说明。本发明中的培养盒、培养托和附设圈可选择医用级高分子材料或是金属材料制备。如附图I所示，培养盒由培养底盒与盒盖构成。底盒内表面有突起的定位柱,用于锚定培养托的位置；底盒的长、宽与培养托的尺寸相适应，培养托在底盒内为2排排放，每排可放置7个培养托；底盒外底部有四个支腿，高度为5_。在底盒两侧各有上、下两个管路接口，使培养室内外相通；其中上方为气体管路接口用于气体交换，其高度要超过培养底盒内培养液的液面；下方为培养液管路接口用于培养液的循环，其高度应低于培养液的液面，以利于培养液的流动；通过这些管路接口，可采用硅胶管将多个培养盒串接或是并接(参见图3、4)，使体系内的气体和液体能分别形成流通的回路，以便于进行气体和培养液的动态监控及更换。底盒与盒盖的密封方式可采用卡扣结构，在底盒与盒盖的外侧设有相配合的卡扣结构，其之间可以设有密封垫圈，以保证培养底盒与盒盖的紧密闭合，避免漏气。如附图2所示，培养托底面有均匀分布的通孔，孔径1mm，以保证人工皮肤培养时获得充分的培养液；培养托高为5mm，侧壁完整无开口 ；外底面有四个外翻支脚，其横折部位的中央开有定位孔，其孔径与所述的定位柱相配合，使培养托能精确锚定在底盒内，便于自动化操作的精确定位。附设圈为圆环状结构，其外径与培养托内径相匹配，高为5_，可避免细胞悬液从人工皮肤表面的流失，有利于细胞的均匀分布，提高人工皮肤质量的稳定性。如附图3和4所示，本发明人工皮肤培养装置由控制单元和培养单元组成，控制单元包括计算机控制的气体控制模块、液体控制模块、传感器、气体混合室、液体储存室及控制面板。其中气体混合室和液体储存室通过控制阀由管路分别与培养盒相连接(图中虚线管路为气体流通管路，实线管路为液体流通管路)，气体混合室内的若干传感器通过线路经气体控制模块与控制面板连接，可以实现对培养过程中混合室内气体(02、0)2等)循环的动态监控；液体储存室内的若干传感器通过线路经液体控制模块与控制面板连接，可以实现对培养过程中储存室内培养液(葡萄糖、温度、PH值、溶氧浓度)循环的动态监控；通过控制面板的操作能实现对培养过程的设置、监控及调整，并在出现异常时可进行纠正，液体储存室的培养液可根据监控结果进行定期自动更换。其中，控制单元的配件可以按以下选型，控制面板选GP4000M系列人机界面触摸屏，或3. 5和4英寸背光液晶屏及薄膜按键；控制模块选欧姆龙、三菱或西门子等生产的可编程逻辑控制器(PLC)或是80c51单片机；气体混合室内装置有SFC4000 (Sensirion)气体质量流量计/流量控制器，液体控制模块连接WX-IOB微型蠕动泵。实现动态监控的传感器有O2浓度感应器(日本产KE-25氧气浓度传感器)，CO2浓度感应器(GT03-1112-BZ)，葡萄糖浓度监测选XLFX-SBA-40C传感器，溶氧浓度选QFOA-DH型系列氧气分析仪传感器，液体流量传感器选LG1626 OEM(Sensirion)，压力传感器选SDP1000 (Sensirion), pH传感器选5510GST三复合电极，酸碱度显示表选BPH-200A显示表，温度传感器选PTlOO传感器或装配式温度传感器或薄片式温度传感器(瑞士 Steiner Technik AG)。 本发明人工皮肤培养装置的使用方法为在培养托底部铺设与其同等大小的尼龙膜，再将成纤维细胞与胶原蛋白凝胶溶液混合均匀后注入培养托，将定位孔与定位柱相嵌固定，使培养托精确锚定在培养底盒内，密封扣合盒盖，将培养盒用气、液体管路分别连接，可并接或串接，并分别与气体混合室和培养液储存室连通，在控制面板对培养过程及条件设置，并启动培养。培养期间，成纤维细胞逐渐伸展导致培养物的高度及面积收缩，使培养物脱离培养托内壁。完成培养后打开盒盖，采用自动打孔设备对培养物表面打孔，在培养托内插入附设圈，使其底部与人工皮肤紧密接触，注入表皮细胞悬液，避免表皮细胞的流失，密封扣合盒盖后继续培养，至人工皮肤培养完成。在培养过程中对培养盒内循环的气体和培养液(葡萄糖、温度、PH值、溶氧浓度等)的组分条件进行动态监控及调整。
权利要求
1.ー种人工皮肤培养装置，包括培养底盒、盒盖及培养托；其特征在于，所述的人工皮肤 培养装置由控制单元和培养单元组成，所述的控制単元包括计算机控制的气体控制模块、液体控制模块、传感器、气体混合室、液体储存室及控制面板；所述的培养单元包括培养底盒、盒盖和培养托以及连接若干培养底盒的管路；其中气体混合室和液体储存室通过控制阀由管路分别与培养底盒相连接，气体混合室内的若干传感器通过线路经气体控制模块与控制面板连接，实现对培养过程中混合室内气体循环的动态监控；液体储存室内的若干传感器通过线路经液体控制模块与控制面板连接，实现对培养过程中储存室内培养液循环的动态监控；通过控制面板的操作能实现对培养过程的设置、监控及调整。
2.根据权利要求I所述的人工皮肤培养装置，其特征在于，所述的培养底盒的内底表面设有突状定位柱，用于锚定培养托的位置；培养底盒的尺寸与培养托的尺寸相适应，培养托在底盒内为I 4排排放，每排放置4 8个培养托；所述底盒外底部设有四个支腿，高4_ 10_ ;在底盒两侧分别设有气、液体进出的管路接ロ，通过管路将若干培养盒串接或并接，使盒内的气、液体分别形成流通回路；底盒与盒盖间扣合密封。
3.根据权利要求2所述的人工皮肤培养装置，其特征在于，所述的培养托的底面有均勻分布的通孔，孔径为Imm 2mm ;培养托内的高度为4mm IOmm,侧壁完整无开ロ ；培养托外底部均匀设有至少三个外翻支脚，在外翻支脚的横折部位中央开有定位孔，定位孔与培养底盒内的定位柱配合镶嵌；培养托的总高度低于培养底盒内高度4_以上。
4.根据权利要求3所述的人工皮肤培养装置，其特征在干，所述的培养培养托设有与其能密封配合的附设圈，插入培养托内增加侧壁高度，附设圈高2mm 10mm。
5.按权利要求I至4所述人工皮肤培养装置的使用方法，其特征在于，在培养托底部铺设与其相同大小的尼龙膜，将含细胞的凝胶溶液注入培养托；再将培养托以支脚上的定位孔与培养底盒定位柱相嵌锚定，密封扣合盒盖，将培养盒用气、液体管路分别连接，并分别与气体混合室和培养液储存室连通，在控制面板对培养过程及条件设置，并启动培养；阶段培养结束后，打开培养盒盒盖，米用自动打孔设备对培养物表面打孔后，在培养托内套插入附设圈，注入细胞悬液，密封扣合盒盖后继续培养，至人工皮肤培养完成。
全文摘要
一种人工皮肤培养装置及其使用方法，本发明由控制单元和培养单元组成，其中气体混合室和液体储存室通过控制阀由管路分别与培养底盒相连接，气体混合室和液体储存室内的若干传感器通过线路经气体、液体控制模块与控制面板连接，可以实现对培养过程中气体和培养液循环的动态监控；并通过控制面板能实现对培养过程的设置、监控及调整。与现有技术相比，本发明使人工皮肤的静态培养转变为动态培养，从单个培养转变为整体培养，通过动态监控和调整，实现培养液的自动更换，增加了培养体系的稳定性；采用封闭培养体系，可显著降低微生物侵入污染的风险；提高了产品形态的均一性和质量的稳定性，易于实现产业化；适用于各种人工皮肤的培养。
文档编号C12N5/07GK102618442SQ201210099969
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者张勇杰, 赵宇, 金岩 申请人:中国人民解放军第四军医大学