专利名称：均匀施加载荷的培养方法及生物反应器的制作方法
均匀施加载荷的培养方法及生物反应器技术领域：
本发明涉及细胞工程或组织工程领域，特别是一种均匀施加滚动、滑动载荷 于细胞、组织的培养方法及生物反应器。背景技术：
细胞工程和组织工程是体外培养细胞应用于各种领域的高科技，这些应用领域包 括利用细胞培养，进行组织再生、人工器官研制、生物活性材料制造以及活性蛋白质 的产出等。细胞工程和组织工程的发展已展现出临床应用的巨大潜力，如工程化构建 的组织已成为组织缺损治疗理想的替代物。在细胞工程和组织工程的发展中，生物反 应器起了重要作用。其中力学环境在生物反应器中占有重要位置，因为力学因素影响 生物体的整体，器官、组织、细胞和分子水平等各层次的生物学过程，力学条件可以 优化细胞生物学行为和组织的结构和功能。当前已研制出一些生物反应器，可对细胞、组织施加不同力学环境进行培养。 很多力学加载过程是往复运动或由较小到极值的交替转变过程，如专利WO2004/046304的生物反应器给出的剪应力作用；专利[有不同曲面的人工骨或骨 软骨体外培养的方法及生物反应器]，申请号200710057514. 0，这样对培养物不能 达到均匀加载。这里主要是设计一种可均匀施加载荷的培养方法，均匀施加载荷 促进培养物形态、结构的匀质生长，为培养物大批量培养、保证相同质量提供一 种新方法。
发明内容本发明的目的旨在改进现有技术的不足，.而提供一种均匀施加载荷作用于培养物 的方法及生物反应器。该方法在通常细胞、组织培养的条件下，可对培养物施加均匀 滚动载荷或均匀滑动载荷作用，也可两种载荷的复合作用，这种均匀施加载荷的生物 反应器对培养物给以均匀的力学剌激，有利于培养物的匀质生长。为实现以上发明目的本发明公开了一种均匀施加载荷的培养方法，包括具备 02、 C02和温度调节、细胞培养的培养箱，及保持培养液新鲜的灌流条件和培养液 中加入活性因子，其特征在于将培养物坯件固定于可旋转的环形培养室底板；在
培养期间，辊体绕环形培养室圆心公转同时辊体自转，培养物受到辊体滚动和/ 或滑动载荷作用。所述培养物是细胞、组织、细胞与支架复合体或移植组织。本发明还公开了一种均匀施加载荷的培养方法的生物反应器，包括底架，培 养室，培养室内的培养液灌注系统，辊体及传动机构，其特征在于-所述培养室是一个支撑在底架环形滑轨上，中孔套装在底架中部环台外径上的环形培养室；所述辊体是有着长辊体轴的辊动体，并在长辊体轴的中部固定有导向轮；所述传动机构分为辊体传动机构和环形培养室传动机构，其中所述辊体传动机构包括一个位于底架和环形培养室的圆心处的驱动轴，驱动轴由底架下方的 电机驱动，且驱动轴位于底架上方的部分从驱动轴的径向插入装有轴承的辊体轴， 所述辊体与环形培养室底面为线接触，辊体轴上的导向轮支撑在底架中部的环台上；所述环形培养室传动机构包括由电机驱动的摩擦轮，以及与摩擦轮接触的、 在环形培养室的外径处的摩擦带。本发明的有益效果是均匀施加载荷促进培养物形态、结构的匀质生长，为 培养物大批量培养、保证相同质量提供一种新方法。另外，滚动加载过程中还可 根据需要对培养物施加扭转载荷作用增加了一种新的力学作用条件，如膝关节软 骨的培养中此培养方法的力学条件更接近活体，扭转载荷作用类似关节外旋或内 旋的过程。
图l为生物反应器立体示意图；图2为生物反应器剖面示意图；图3为圆柱形辊体及辊体轴支撑机构示意图；图4为倒锥形辊体及辊体轴支撑机构示意图；图5为连接杆连接辊体的辊体示意图；图中1电机a; 2驱动轴；3辊体轴；4辊体；5支架；6调节螺杆；7培 养室；8培养物；9固定槽；10固定凸台；11滑动轨道；12轴承；13底架； 14导向轮；15磨擦带；16电机b; 17底板；18摩擦轮；19液体滑动密封件； 20弹簧圈；21进液口； 22出液口。
以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
具体实施方式本发明均匀施加载荷的培养方法，是将细胞、组织、细胞与支架复合体或移 植组织培养物进行培养期间，使培养物同时受到均匀滚动载荷和\或均匀滑动载荷 作用，其中，滚动加载过程中还可形成对培养物扭转载荷作用。辊体在培养物上 以均匀角速度做纯滚动，纯滚动速度范围为O. 1-50cm/s，滚动加载处培养物变形 5%- 50%。辊体在培养物上滚动，培养物相对辊体均匀滑动，滑动速度范围为 0. l-100cm/s，其滑动方向与滚动方向相反或相同。具体方法是在无菌条件下把培养物转移到消毒过的培养室内，按细胞、组织 培养标准过程操作，培养在培养箱中进行，培养箱内有02、 C02、温度控制，由蠕 动泵驱动培养液循环，保持培养液新鲜，培养液中加入活性因子。力学环境是对培 养物施加均匀滚动载荷和/或均匀滑动载荷作用，其中滚动加载过程中还可根据需 要对培养物施加扭转载荷作用。如图l-5所示。本发明用于均匀滚动载荷和均匀滑动载荷作用下对培养物8培 养的生物反应器。包括底架13，培养室7，培养室内的培养液灌注系统，辊体4及 传动机构。其中反应器的环形培养室通过底部与环形滑轨ll间的凹凸槽轨结构支撑在底架 13上，培养室的中孔套装在底架中部环台外径上。环台之上还设有一个支撑在弹 簧圈20上的垫环。而且为了保证培养室进液口21和出液口22与管路的固定连接方 式，培养室分成上、下两部分。培养室上、下两部分之间有液体滑动密封件19用 于密封。反应器的辊体是有着长辊体轴3的辊动体，辊体的工作面与辊体轴心线夹角 为-45° —45° ，且辊体表面也可以均匀敷有硅胶膜，膜厚范围l-5mm。所用硅胶 膜无毒、弹性模量与软骨相似，滚动过程中与关节处软骨的力学环境更接近。辊 体可以直接固定在辊体轴的端部，或者辊体轴通过一对连接杆连接可转动的辊体。 同时在长辊体轴的中部固定有导向轮14。反应器的辊体传动机构有一个位于底架和环形培养室的圆心处的驱动轴2， 驱动轴由底架下方的电机a l驱动。驱动轴可以在中部开有一个纵向固定槽9，槽 内装有一个辊体轴固定支架5，固定支架内嵌入轴承12，轴承内径与辊体轴紧密配
合，固定支架以驱动轴上静配合连接的固定凸台10为支点，并通过调节螺杆6可上 下调节高度。而且辊体与环形培养室底面为线接触，辊体轴上的导向轮支撑在底 架中部的环台上的垫环上。在调整辊体与培养室底面的距离后，辊体高度调整后 仍能保证导向轮与底架13有足够大磨擦力。反应器的环形培养室传动机构是由电机b 16驱动的摩擦轮18，以及与摩擦轮 接触的、固定在环形培养室的外径处的摩擦带15组成。
本发明的反应器在使用时，先将培养物坯件固定于培养室底板，滚动加载过 程可以有两种形式 一种是辊体直接固定在辊体轴的端部，在驱动轴带动辊体轴 旋转时，导向轮以纯滚动保证辊体的纯滚状态；另一种是使用通过一对连接杆连 接的可转动的辊体，其辊体轴固定在固定槽9中，而辊体是在驱动轴带动辊体轴旋 转情况下，辊体通过与培养室底板的磨擦而滚动。滚动速度范围为0.1-50cm/s， 辊体引起培养物变形范围为5%-50%。加载时间为每24h加载l-3次，每次10min-180 rain，培养l-60天。
本发明的反应器在上述滚动加载运动时，驱动轴转动带动辊体轴公转。导向 轮14轮缘与底架中部的环台接触，当磨擦力足够大，公转时导向轮发生自转，这 样辊体自转，滚动通过培养物8表面。本发明的反应器在使用时，还可以实施滑动载荷。电机b 16驱动摩擦轮18旋 转，通过磨擦带15驱动培养室7旋转，培养物8固定在培养室底板17上，培养物8 与辊体4产生相对滑动。相对辊体的滑动速度为O. l-100cm/s，其滑动方向可以与 滚动方向相反或相同。辊体传动机构电机a l和培养室传动机构电机b 16的转速，关闭时间等分别由 计算机控制。本发明的反应器在滚动加载过程中同时具有扭转载荷的作用。辊体公转时滚 过的距离不等，而辊体做纯滚动，辊体与培养物有磨擦，因此，辊体与培养物线 形接触对培养物施加扭转载荷作用。但根据公转半径计算只有一锥度的辊体对培 养物没有扭转载荷作用。不同锥度的辊体对培养物施加扭转载荷值不同，可根据 公转半径、辊体锥度、辊体半径和磨擦系数计算。
权利要求
1、一种均匀施加载荷的培养方法，包括具备O2、CO2和温度调节、细胞培养的培养箱，及保持培养液新鲜的灌流条件和培养液中加入活性因子，其特征在于将培养物坯件固定于可旋转的环形培养室底板；在培养期间，辊体绕环形培养室圆心公转同时辊体自转，培养物受到辊体滚动和/或滑动载荷作用。
2、 根据权利要求l所述的均匀施加载荷的培养方法，其特征在于所述培养物 是细胞、组织、细胞与支架复合体或移植组织。
3、 根据权利要求l所述的均匀施加载荷的培养方法，其特征在于所述辊体在 培养物上以均匀角速度做纯滚动，纯滚动速度范围为O. l-50cm/s，滚动加载处培 养物变形5%- 50%。
4、 根据权利要求l所述的均匀施加载荷的培养方法，其特征在于所述辊体在 培养物上滚动，培养物相对辊体均匀滑动，滑动速度范围为O. l-100cm/s，其滑动 方向与滚动方向相反或相同。
5、 一种权利要求l的均匀施加载荷的培养方法的生物反应器，包括底架，培 养室，培养室内的培养液灌注系统，辊体及传动机构，其特征在于所述培养室是一个支撑在底架环形滑轨上，中孔套装在底架中部环台外径上 的环形培养室；所述辊体是有着长辊体轴的辊动体，并在长辊体轴的中部固定有导向轮；所述传动机构分为辊体传动机构和环形培养室传动机构，其中所述辊体传 动机构包括一个位于底架和钚形培养室的圆心处的驱动轴，驱动轴由底架下方的 电机驱动，且驱动轴位于底架上方的部分从驱动轴的径向插入装有轴承的辊体轴， 所述辊体与环形培养室底面为线接触，辊体轴上的导向轮支撑在底架中部的环台 上；所述环形培养室传动机构包括由电机驱动的摩擦轮，以及与摩擦轮接触的、在环形培养室的外径处的摩擦带。
6、 根据权利要求5所述的均匀施加载荷的培养方法的生物反应器，其特征在 于所述底架中部环台之上设有一个支撑在弹簧圈上的垫环。
7、 根据权利要求5所述的均匀施加载荷的培养方法的生物反应器，其特征在 于所述辊体的工作面与辊体轴心线夹角为-45° — 45 ° ，且辊体表面均匀敷有 硅胶膜，膜厚范围l-5mm。
8、 根据权利要求5或7所述的均匀施加载荷的培养方法的生物反应器，其特 征在于所述辊体直接固定在辊体轴的端部。
9、 根据权利要求5或7所述的均匀施加载荷的培养方法的生物反应器，其特 征在于所述辊体轴通过一对连接杆连接可转动的辊体。
10、 根据权利要求5所述的均匀施加载荷的培养方法的生物反应器，其特征 在于所述驱动轴内开有一个纵向固定槽，槽内装有一个辊体轴固，支架，固定支 架内嵌入轴承，轴承内径与辊体轴紧密配合，固定支架以驱动轴上固定连接的固 定凸台为支点，通过调节螺杆可上下调节高度。
全文摘要
本发明公开了一种均匀施加载荷的培养方法及生物反应器。包括具备O<sub>2</sub>、CO<sub>2</sub>和温度调节、细胞培养的培养箱，及保持培养液新鲜的灌流等条件和培养液中加入活性因子，其特征在于将培养物固定于培养室底板；在培养期间，培养物受到均匀滚动载荷和/或均匀滑动载荷作用，其中，滚动加载过程中不同锥度的滚体接触处可形成对培养物扭转载荷作用。本发明的有益效果是均匀施加载荷促进培养物形态、结构的匀质生长，为培养物大批量培养、保证相同质量提供一种新方法。另外针对不同组织培养还可施加扭转载荷作用。如对关节软骨的培养，扭转载荷作用可反映活体关节伸曲时内旋与外旋的过程。此种加载条件更接近某些组织生长发育的力学环境。
文档编号C12N15/08GK101130752SQ20071005857
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月3日 优先权日2007年8月3日
发明者刘海英, 张春秋, 王志彬, 王鹏林 申请人:天津理工大学