专利名称：脉动生物反应器的制作方法
技术领域：
脉动生物反应器
一、 技术领域
本实用新型涉及一种医疗和实验器械，尤其是涉及一种脉动生物反应器。
二、 背景技术
背景技术中，心脏瓣膜病是危害人类健康的重要疾病，人工心脏瓣膜置换 术是心脏瓣膜病的重要治疗方法。临床上目前使用的人造心脏瓣膜主要有机械 瓣和生物瓣，但都有其各自的缺点，机械瓣存在要终生抗凝、潜在性的出血、 血栓形成、栓塞等问题；生物瓣则易钙化、变性以致衰败失去功能。
自1995年，Shinoka将羊主动脉壁成纤维细胞及血管内皮细胞依次种植 于人工合成的聚乙醇酸(PGA)支架上制成瓣膜，植入羊肺动脉瓣区，获得初 步成功。从而让人们看到了组织工程心脏瓣膜的希望。此后Sodian，和 Hoerstrup等用人工合成可降解材料PGA、 PHA和P4HB等作为支架材料构建组 织工程瓣膜。0' Brien等应用去细胞猪主动脉瓣等天然材料研究组织工程瓣 膜。证明了其构建TEHV的可行性。
但是，所有这些体外静态构建的组织工程瓣膜，细胞在体外静态培养时， 会丧失分化功能，体外培养的细胞粘附力低下，生理功能和活体细胞相比明显 不足，构建的TEHV抵抗血流压力的机械特性远远达不到正常主动脉瓣的要求。在植入体内后，种植上瓣膜的细胞会随血流的冲击而脱落。因此，对体外构建
的TEHV进行"体外预调"成为人们的共识，运用脉动生物反应器在体外模拟 体内心脏瓣膜的流体力学环境，使静态构建的TEHV进行体外预适应，在体外 构建成能抵抗血流应力、生物材料降解、能够自我重构的功能完整的TEHV。 三、实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种脉动生物反应器，其在收縮时正压系统开 放产生正压将培养液压出人工心脏辅助装置，在舒张时负压系统开放产生负压 使培养液回流入人工心脏辅助装置，形成搏动性液体，并且机械稳定性好，运 行可靠。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为
一种脉动生物反应器，其特征在于包括脉动生物反应器动力装置，脉
动生物反应器动力装置与心室辅助装置连接，心室辅助装置与瓣膜培养腔连 接，瓣膜培养腔与储液罐连接，储液罐与心室辅助装置连接。
上述脉动反应器动力装置包括空压机和真空泵，空压机、储压罐、压力调 节阀和高频电磁阔通过管道依次连接，真空泵、储压罐、压力调节阀和高频电 磁阀依次连接，从两个高频电磁阀引出的管道汇合成一个管道连接人工心脏辅 助装置，在连接人工心脏辅助装置的管道上连接测压器，主控系统分别连接控 制参数按钮、高频电磁阀、测压器和显示屏。
上述瓣膜培养腔包括培养腔腔体，腔体由左右两部分连接构成，连接处设
置有瓣膜固定器，腔体两端分别为进液口和出液口；瓣膜固定器釆用不锈钢片 制作，瓣膜固定器为中空的环状结构，在靠近内缘处开有等距的小孔，瓣膜固 定器的内径为17咖、19mm、 21mm、 23鹏腿或25腿；培养腔腔体采用聚碳酸酯材料制作，进液口和出液口的内径为10mm，腔体的内径为27mm;培养腔腔体 上开有内径为4mm的侧口，侧口通过管道与压力传感器连接。 与现有技术相比，本实用新型具有的优点和效果如下 本实用新型脉动生物反应器用于TEHV的构建。本实用新型由脉动反应器 动力装置、人工心脏辅助装置、瓣膜培养腔、储液瓶和连接管道组成。脉动反 应器动力装置构建的中心环节是两个泵——空压泵和真空泵，分别制造正压和 负压。在收縮时正压系统开放产生正压将培养液压出人工心脏辅助装置，在舒 张时负压系统开放产生负压使培养液回流入人工心脏辅助装置，形成搏动性液 体。整个动力装置在无负载情况下可以实现正压250mmHg，负压-100mmHg，频 率10-90次/分。基本上能够满足需要。
图l为本实用新型的结构示意图2为本实用新型中脉动反应器动力装置的结构示意图3为本实用新型中脉动反应器动力装置主控系统的程序流程图4为本实用新型中瓣膜培养腔正中矢状切面图5为本实用新型中瓣膜培养腔正中横切面图6为本实用新型中瓣膜固定器的结构示意图。
图中，1-脉动反应器动力装置，2-人工心脏辅助装置，3-瓣膜培养腔，
4-储液罐，5-主控系统，6-显示屏，7-电源控制，8-空压机，9-控制参数面板， 10-高频电磁阀，11-测压器，12-导管，13-储压罐，14-压力调节阀，15-人工 心脏辅助装置，16-导管，17-储压罐，18-压力调节阀，19-高频电磁阀，20-导管，21-真空泵，22-瓣膜培养腔左半部分，23-瓣膜培养腔右半部分，24-螺丝，25-侧口， 26-瓣膜固定器，27-小孔，28-螺口。
五具体实施方式
参见图1，整个脉动生物反应器由两部分组成A部分为虚线左边的部 分，为脉动反应器动力装置l，它能够提供往返的脉动气流。B部分为虚线
右边的部分，主要由人工心脏辅助装置2、瓣膜培养腔3和储液罐4构成。参 见图1，脉动生物反应器动力装置1与人工心脏辅助装置2连接(人工心脏辅 助2为现有的产品，不是本申请的发明点)，人工心脏辅助装置2与瓣膜培养 腔3连接，瓣膜培养腔3与储液罐4连接，储液罐4与人工心脏辅助装置2连 接，各装置之间通过医用PVC管连接而成。实际工作时，动力装置在产生脉动 气流后，推动人工心脏辅助装置2中的隔膜做往返运动，然后将搏动传到液体 部分，人工心脏辅助装置2有两个方向相反的机械瓣膜，可以保证液体的单向 流动。当气泵排出气体时，液体流出人工心脏辅助装置2，流向瓣膜培养腔3 和储液罐4。当气泵回吸气体时，液体由储液罐4回流入人工心脏辅助装置2。
参见图2，本实用新型包括空压机8和真空泵21,空压机8、储压罐13、 压力调节阀14和高频电磁阀10通过管道依次连接，真空泵21、储压罐17、 压力调节阀18和高频电磁阀19依次连接，然后从两个高频电磁阀引出的管道 汇合成一个管道连接人工心脏辅助装置15。在连接人工心脏辅助装置15的管 道上连接测压器ll。主控系统5连接控制参数按钮、高频电磁阀、测压器ll 和显示屏6等。电源连接空压机8、真空泵21、主控系统5、显示屏6、控制 参数面板9、测压器11和高频电磁阀以供给电能。动力装置需采用噪声较小 且可以长时间连续工作的电磁泵。实际工作时，上电后，空压机8和真空泵21均立即开始工作，使与之相连的储压罐在较短时间内达到所需的压力。此 时，通过外设按提示分别输入收縮期和舒张期的时间长度。随后CPU依据内部 定时装置交替启动与这两个储压罐相连的高频电磁阀，将对应的压力传至人工 心脏的心室中。这时CPU再通过高精度的压力传感器检测出人工心脏收縮期和 舒张期各自的压强，并显示出来。操作者可以在此时通过分别调节与收縮压和 舒张压相对应的压力调节阀来手动调节对应的压强。
参见图3，主控系统基于单片机系统实现，其主要的组成部分有高稳定 性单片机、16键键盘、128*64点阵LCD显示器、24位高精度气体压强采集器 和高频电磁阀等。其中，气体压强采集器用于对人工心脏气室压力的测量，电 磁阀用于在心动周期内循环控制与气室相连接的气泵。系统的工作过程由写在 单片机中的程序决定，程序的流程图如图3所示。
参见图4和图5，本实用新型中整个培养腔由左右两部分组成，即瓣膜培 养腔左半部分22和瓣膜培养腔右半部分23，两端开口内径10mm，易于连接管 道，而中间安置瓣膜的腔是考虑了人工心脏瓣膜的大小设计而成，内径27mm， 可以满足不同大小瓣膜的置入。两部分之间通过不锈钢螺丝24连接起来，连 接起来后中间留有一 lmm厚的凹槽，放置瓣膜固定器26。在靠近右边出口的 地方，开一个内径为4mm的侧口 25，可以用来连接压力传感器，供测压使用， 参见图6，瓣膜固定器26由不锈钢片制成，为一中空的环状结构，在靠近内 缘的地方，打12个等距的小孔27，用来缝制瓣膜使用，瓣膜固定器的内径可 以设置成不同的大小如17、 19、 21、 23或25mm等，可以用来缝制不同大小的 瓣膜。实际使用时，先将瓣膜缝制到瓣膜固定器26上，然后将瓣膜固定器26 置于培养腔腔体的两部分之间，再将两部分腔体通过不锈钢螺丝24固定连接。本实用新型流体培养部分人工心脏辅助装置中间有一弹性膜，隔膜两侧 为两个腔室， 一侧为气腔——连接脉动反应器动力装置， 一侧为液体腔^ 接瓣膜培养腔和储液罐。人工心脏辅助装置进出口分别为方向相反的两个瓣 膜，保证液体做单向流动。瓣膜培养腔采用聚碳酸酯构成，分成两部分，通过 螺丝连接在一起，中间橡皮圈对合，密封性能好。在两部分中间夹有一不锈钢 瓣架，用其固定生物瓣、组织工程瓣叶都很方便，固定方式为用Prolene线或 涤纶线将其缝制到瓣架上即可。瓣架内径可调有17、 19、 21、 23、 25mra规格， 能够满足各个型号瓣膜固定的需求。储液瓶也由聚碳酸酯按规格设计而成，进 液口在上，出液口在下，整个容积约1000ml，通过上边的进气口可以完成培 养基与培养箱的气体交换。储液瓶容积过小，培养基容易溢出，容积过大则浪 费培养基。整个培养部分均用环氧乙烷灭菌。
性能测试中，脉动生物反应器机械稳定性好，运行可靠，各部位结合紧密， 未有漏液。运行中能够产生搏动性液体，连续运行5天，期间未出过任何故障。 其后，用LB培养液经过5天的运转。光镜下无细菌和霉菌污染，LB培养液行 一般细菌的营养琼脂培养基和霉菌琼脂培养基涂板试验，均未发现细菌和霉菌 生长。说明脉动生物反应器具有良好的抗污染性能。本组材料的细胞毒性试验， 从细胞水平来评价材料的生物相容性和毒性。结果显示聚碳酸酯和医用PVC体 外毒性很低，较空白组未有显著性差异，对细胞的毒性小，说明聚碳酸酯可以 作为构建瓣膜培养腔和储液罐的材料，医用PVC可以作为连接管道使用。
流体力学检测，在脉动反应器动'力装置的驱动下，此培养系统压力能够达 到0-120mmHg，流量约50-3500ml/min，基本上可以达到体外脉动预适应的要 求。Sodian35等利用聚碳酸酯、硅胶、搏动泵研制了脉动生物反应器，该反应器能产生100ml/min-3000ml/min的流量，3mmHg-150mmHg的压力。
权利要求1、一种脉动生物反应器，其特征在于包括脉动生物反应器动力装置(1)，脉动生物反应器动力装置(1)与人工心脏辅助装置(2)连接，人工心脏辅助装置(2)与瓣膜培养腔(3)连接，瓣膜培养腔(3)与储液罐(4)连接，储液罐(4)与人工心脏辅助装置(2)连接。
2、 根据权利要求1所述的脉动生物反应器，其特征在于脉动反应器动 力装置包括空压机(8)和真空泵(21)，空压机(8)、储压罐(13)、压力调 节阀(14)和高频电磁阀(10)通过管道依次连接，真空泵(21)、储压罐(17)、 压力调节阀(18)和高频电磁阀(19)依次连接，从两个高频电磁阀引出的管 道汇合成一个管道连接人工心脏辅助装置(15)，在连接人工心脏辅助装置(15) 的管道上连接测压器(11)，主控系统(5)分别连接控制参数按钮、高频电磁 阀、测压器(11)和显示屏(6)。
3、根据权利要求1所述的脉动生物反应器，其特征在于瓣膜培养腔包括 培养腔腔体，腔体由瓣膜培养腔左半部分(22)和瓣膜培养腔右半部分(23) 两部分连接构成，连接处设置有瓣膜固定器(26)，腔体两端分别为进液口和 出液口；瓣膜固定器(26)采用不锈钢片制作，瓣膜固定器(26)为中空的环 状结构，在靠近内缘处开有等距的小孔(27)，瓣膜固定器(26)的内径为17mm、 19mm、 21mm、 23mmmm或25mm;培养腔腔体采用聚碳酸酯材料制作，进液口和 出液口的内径为10mm，腔体的内径为27腿；培养腔腔体上开有内径为4mm的 侧口 (25)，侧口 (25)通过管道与压力传感器连接。
专利摘要本实用新型涉及一种脉动生物反应器，其在收缩时正压系统开放产生正压将培养液压出人工心脏辅助装置，在舒张时负压系统开放产生负压使培养液回流入人工心脏辅助装置，形成搏动性液体，并且机械稳定性好，运行可靠。本实用新型包括脉动生物反应器动力装置，脉动生物反应器动力装置与人工心脏辅助装置连接，人工心脏辅助装置与瓣膜培养腔连接，瓣膜培养腔与储液罐连接，储液罐与人工心脏辅助装置连接。
文档编号A61F2/24GK201244101SQ20082002954
公开日2009年5月27日 申请日期2008年7月3日 优先权日2008年7月3日
发明者刘维永, 进 王, 郑奇军 申请人:中国人民解放军第四军医大学