具有组织流控制和实时成像兼容性的灌注生物反应器的制造方法
【专利说明】具有组织流控制和实时成像兼容性的灌注生物反应器
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年4月18日提交的美国临时申请61/813，378号的权益，并要求2013年7月23日提交的美国临时申请61/857，490号的权益。
[0003]关于联邦资助研究的声明
[0004]本发明在美国政府基金号NYCPF⑶11-1915的支持下完成。美国政府具有本发明中的某些权利。
[0005]本公开主题的背景
技术领域
[0006]本公开的主题涉及用于组织工程和获取的系统和设备。特别地，本公开的主题涉及利用灌注生物反应器室(perfus1n b1reactor chamber)来工程化宽范围的组织，从而允许控制长时间培养期间流体穿过或围绕各种形状、结构和拓扑结构支架材料的分布。
[0007]在组织工程领域，本公开内容大幅简化并改进了技术，从而优化用于移植和科研的形状复杂、多相组织的性质，并且能够在不中断培养的情况下加深对于组织生长的了解。
【发明内容】
[0008]根据本发明的一方面，提供一种生物反应器培养室。生物反应器培养室包括支架、至少一个PDMS块、多个歧管(manifold)和多个流体路径块(fluid routing block)。流体路径块用流体路径结构零件来构造。流体路径块构造为嵌套在歧管中。生物反应器培养室还包括壳体(case)。该壳体设置在支架、PDMS块和多个歧管的外部。
[0009]根据本发明的另一方面，提供一种生物反应器培养室。生物反应器培养室包括块体。该块体具有至少一个侧面、大致位于中心的腔。块体具有从所述至少一个侧面向所述大致位于中心的腔延伸的多个通道。生物反应器培养室包括流体路径歧管(fluid routingmanifold)。流体路径歧管包括入口和出口。流体路径歧管与多个通道以流体连通。生物反应器培养室包括围绕流体路径歧管的外部所设置的外壳(enclosure)。
[0010]在一些实施方案中，外壳实质上为管状。在一些实施方案中，块体包含PDMS。在一些实施方案中，外壳对流体路径歧管施加压缩力。在一些实施方案中，将多个通道构造为使得多个通道的每一个具有实质上相同的流路阻力(flow path resistance)。在一些实施方案中，生物反应器培养室包括设置在大致位于中心的腔内的支架。在一些实施方案中，支架包含多个细胞。在一些实施方案中，入口与储蓄池(reservoir)以流体连通。在一些实施方案中，储蓄池包含营养液。在一些实施方案中，X射线实质上透过块体和外壳。在一些实施方案中，MRI实质上透过块体和外壳。在一些实施方案中，生物反应器培养室包括具有入口和出口的另外的流体路径歧管。在此类实施方案中，外壳围绕着另外的流体路径歧管的外部设置。在一些实施方案中，支架和大致位于中心的腔实质上形状相同。
【附图说明】
[0011]参照下文简述的附图，对本文所述主题的各个方面、特征和实施方案进行详细说明。附图是示例性的，而且并不必然是按比例作图，并且为了清晰而放大了一些部件和特征。【附图说明】了本主题的各个方面和特征，并且可全部或部分说明本主题的一个或多个实施方案或实施例。
[0012]图1是根据本公开主题的生物反应器培养室部件的分解视图的示意图。
[0013]图2是图1的生物反应器培养室组装后的示意图。
[0014]图3是根据本公开主题的双培养基灌注的示例性实施方案的示意图。
[0015]图4A-B是显示流动模拟的计算流体动力学标绘图，其可确定所需的流体流动方案，并设计PDMS块。
[0016]图5是根据本公开主题的示例性PDMS块制造技术的分解视图的示意图。
[0017]图6是图5的组装的PDMS块制造的示意图。
[0018]图7是根据本公开主题的另一示例性PDMS块制造技术的分解视图的示意图。
[0019]图8是根据本公开主题的歧管的可选实施方案的示意图。
[0020]图9是图8的实施方案的正视图。
[0021]图10是根据本公开主题的歧管的可选实施方案的示意图。
[0022]图11是根据本公开主题的PDMS块的可选的实施方案。
[0023]图12是根据本公开主题的生物反应器培养室的可选实施方案的部件的分解视图示意图。
[0024]图13是根据本公开主题的供骨软骨异体移植物保持细胞活力的系统的图示。
【具体实施方式】
[0025]将对本公开主题的示例性实施方案进行详细引证，其实例在附图中说明。将结合系统的详细记述来描述本公开主题的设备和相应方法。
[0026]本文提出的方法和系统可用来设计和利用灌注生物反应器室来工程化宽范围的组织，从而允许控制长时间培养时流体穿过或围绕各种形状、结构和拓扑结构的支架材料的分布。本文公开的生物反应器也允许使用两种或更多种不同的培养基(例如，用来帮助复合组织的形成)、控制组织内部的氧浓度，以及不中断培养而实时成像(例如，通过yCT、MRI)。
[0027]生物反应器培养室的示例性实施方案示于图1，并且包括五个主要部件。这些部件包括:复合支架(complex scaffold) 100，聚二甲基娃氧烧(PDMS)块200，两个流体路径歧管300、400，和壳体500。为组装生物反应器，将支架100插入为匹配结构形状而专门制造的PDMS块200。PDMS块200夹在两个流体路径歧管300、400之间，而管状外壳500在组件上滑动，提供压缩力来将所有单独的部件紧密地封闭在一起(如图2所示)成为组装单元1000。流体路径歧管300、400设计为具有供培养基灌注的多个接口。
[0028]图3示出流体路径歧管300、400，其具有允许引入两种不同类型流体310、320(“培养基#1”和“培养基#2”)的两个入口 301、302和两个出口 401、402(其中流动的方向用箭头指示)。流体路径歧管300、400在空间上将流动的流体分配至PDMS块200的不同区域和支架100。
[0029]大型结构要求良好控制的营养供给，以支持细胞活力并刺激组织形成。为控制培养基灌注，根据局部支架厚度来调整PDMS块200中的通道330的大小并定位，以提供贯穿支架的所需的流体流动方案。
[0030]图4描述对使用计算流体动力学的数据计算和可视化技术预测的给定设计进行流动模拟。例如，在不同位置具有不同厚度的符合解剖学的支架中，为获得接近均质的流体流动速度，较大直径的通道可放置在较厚的区域，而较小直径的通道放置在较薄的区域，以这样的方式提供精确相同的流路阻力。另外地或可选择地，可规定任一区域中通道的间距(例如对特定的细胞类型和密度)来提供例如组织空间中的氧所需的基本浓度。
[0031]灌注通道的数量、大小和布局可通过计算流动动力学建模来确定，以获得所需的流体流动的分布方案。如图5所示，对于给定的实施方案，一旦确定了通道的分布和大小来提供流体流动所需的方案，就可产生用来产生PDMS块的模具。在示出的示例性实施方案中，PDMS块制造技术包括四个部件:具有预定通道的两个壳体210、220 ;具有预定通道的支架形状的阳模230 ;和各种大小的杆240。模具用来产生PDMS块200。
[0032]支架形状的阳模和包含供通道用的预定孔的外部壳体可通过3D打印或机械加工来制造。如图6所示，多个杆240通过外部壳体210、