一种多功能生物反应器的制作方法

本发明涉及组织工程技术领域，更具体地，涉及一种多功能生物反应器。

背景技术：

2019年4月，以色列一个科研团队通过3d打印技术，利用取自病人自身的人体组织，打印出了全球第一个完整的心脏，该心脏包括细胞、血管、心腔以及心室，与兔子心脏大小相当，目前还无法泵血，仅能收缩，还需要在培养装置进行后期培养，进一步实验，完善其心脏功能。

现有的细胞培养装置和生物反应器多是为普通细胞二维培养或者特定小尺寸组织培养准备，例如干细胞，肌肉组织，血管等，需要的也是特定的培养手段，例如添加某种生长因子，某种力学刺激等；但若是一个完整的器官培养，需要考虑的培养手段就要更多样化，培养周期也会更长，培养过程中可能会出现一些问题需要及时调整，因此，开发一款具备多样化培养手段，以及在培养过程中可以比较灵活调整其功能，又无需大改结构的生物反应器很有必要。

技术实现要素：

为克服上述的现有的细胞培养装置和生物反应器多是为普通细胞二维培养或者特定小尺寸组织培养准备的，并不能适用于一个完整的器官培养的问题，本发明提供一种多功能生物反应器。本发明能够对大型组织或者完整器官进行多样化的培养，完善最终的大型组织或者器官功能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多功能生物反应器，其中，包括主壳体，设于所述主壳体内部底面上用于对培养物进行循环培养的循环培养装置，设于所述主壳体内部顶面上用于抓取所述循环培养装置中的培养物的组织抓手，设于所述主壳体内部顶面上并环设于所述组织抓手四周的第一仿生手臂模块、第二仿生手臂模块、电刺激模块和生长因子补充模块，以及设于所述主壳体内部侧壁上的环境调控模块。第一仿生手臂模块和第二仿生手臂模块可以对组织抓手抓取的培养物进行一些不同的力学刺激，可以对组织抓手抓取的培养物进行临时固定，还可以用于去除培养物上的增生组织；电刺激模块可以对培养物进行电刺激；生长因子补充模块可以在培养过程需要时定位补充一些生长因子。环境调控模块通过对主壳体内的空气进行优化以及对主壳体内的温度进行调控为培养物提供一个合适的培养环境。本发明中，通过循环培养装置、第一仿生手臂模块、第二仿生手臂模块、电刺激模块和生长因子补充模块的设置将培养功能进行模块化，同时集合了多个培养功能，并且还可以比较灵活的更换某个模块，就可以实现新的培养功能，这样，就不需要对生物反应器进行大改，或者重新开发，只需调整某一部分结构就实现新的培养需求，进而可以进行更多样化的培养实验，完善最终的大型组织或者器官功能。

进一步的，所述第一仿生手臂模块和第二仿生手臂模块对称设置于所述组织抓手相对的两侧，所述电刺激模块和生长因子补充模块对称设置于所述组织抓手另一相对的两侧。

进一步的，所述组织抓手包括设于所述主壳体顶部外侧面上的电动推杆，一端通过第一连接块与所述电动推杆连接另一端通过所述主壳体顶部侧壁上的预留孔穿入到所述主壳体内部的滑杠，通过第二连接块与所述滑杠另一端连接的旋转气缸，以及通过第三连接块连接于所述旋转气缸上的抓手。滑杠可以随电动推杆的运动上下滑动，旋转气缸可以带动抓手进行360°的旋转，以满足培养物不同部位的培养需求，而抓手可以对培养物进行夹持，然后随滑杠滑动将整个培养物从循环培养装置中抓起，然后配合其他功能模块进行一些操作。

进一步的，所述第一仿生手臂模块包括固定连接于所述主壳体顶部内壁上的第一固定座，一端通过第一减速电机与所述第一固定座连接的第一臂，一端通过第二减速电机与所述第一臂另一端连接的第二臂，缸筒端通过第三减速电机与所述第二臂另一端连接的微型气缸，通过气缸固定座将所述微型气缸固定在其一端端面上的手指固定座，以及对称设置于所述手指固定座另一端两侧的手指；所述微型气缸的活塞杆通过拉杆与所述手指的一端连接并能带动所述手指夹紧或松开；所述第二仿生手臂模块的结构与所述第一仿生手臂模块的结构相同。第一臂和第二臂是模仿人的手臂，可以通过第一减速电机和第二减速电机的转动来进行上下摆动，微型气缸可以随第三减速电机转动而摆动，模仿人手腕的摆动。

进一步的，所述电刺激模块包括固定连接于所述主壳体顶部内壁上的第二固定座，一端通过第四减速电机与所述第二固定座连接的第三臂，一端通过第五减速电机与所述第三臂另一端连接的第四臂，通过第六减速电机与所述第四臂另一端连接的电针固定座，以及设于所述电针固定座上的电针，电针可以对培养物进行电刺激。

进一步的，所述生长因子补充模块包括固定连接于所述主壳体顶部内壁上的第三固定座，一端通过第七减速电机与所述第三固定座连接的第五臂，一端通过第八减速电机与所述第五臂另一端连接的第六臂，通过第九减速电机与所述第六臂另一端连接的针筒固定座，以及设于所述针筒固定座上的针筒；所述针筒靠近所述针筒固定座的一端设有筒盖，所述针筒远离所述针筒固定座的一端设有点胶针头，生长因子通过点胶针头挤出。所述针筒固定座上设有供一端连接在所述筒盖上另一端与外界提供生产因子的设备连接的管路穿过的通孔。

进一步的，所述循环培养装置包括通过支撑架固定于所述组织抓手正下方的培养池、设于所述培养池一侧的储液瓶以及设于所述支撑架下方的蠕动泵，所述培养池、储液瓶和蠕动泵通过软管依次首尾连接形成循环回路。这样，培养物在培养池中可以进行动态培养，并更新培养基。

进一步的，所述培养池的底面为从四周向中间逐渐降低的梯度面，这样就可以确保培养物保持在培养池的中间位置，方便组织抓手对培养物进行抓取。

进一步的，所述培养池以及所述主壳体的至少一个侧壁由透明材质制成，方便对培养池内部的培养物进行观察。

进一步的，所述环境调控模块包括设于所述主壳体一内侧壁上的带过滤进气口、设于所述主壳体另一内侧壁上的温控器以及设于所述主壳体内部底面上的ptc加热器。带过滤进气口可以对进入主壳体内部的空气进行过滤和净化，给主壳体内部提供适氧环境。温控器与ptc加热器可以配合控制主壳体内部的温度，给培养过程提供一个合适的温度环境。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过在一个生物反应器中同时设置了循环培养装置、第一仿生手臂模块、第二仿生手臂模块、电刺激模块和生长因子补充模块实现了多个培养功能的集合，可以为培养物提供动态培养，力学刺激，电刺激，以及生长因子的定位补充。另外，本发明将培养功能进行了模块化处理，有利于培养过程中灵活地更换或增加某个模块的功能，以满足新的培养需求，进而可以对大型组织或者完整器官进行多样化的培养，完善最终的大型组织或者器官功能。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明中组织抓手的结构示意图。

图3是本发明中第一仿生手臂模块/第二仿生手臂模块的结构示意图。

图4是本发明中电刺激模块的结构示意图。

图5是本发明中生长因子补充模块的结构示意图。

图6是本发明中培养池的内部结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种多功能生物反应器，其中，包括主壳体1，设于所述主壳体1内部底面上用于对培养物进行循环培养的循环培养装置，设于所述主壳体1内部顶面上用于抓取所述循环培养装置中的培养物的组织抓手2，设于所述主壳体1内部顶面上并环设于所述组织抓手2四周的第一仿生手臂模块3、第二仿生手臂模块4、电刺激模块5和生长因子补充模块6，以及设于所述主壳体1内部侧壁上的环境调控模块。第一仿生手臂模块3和第二仿生手臂模块4可以对组织抓手2抓取的培养物进行一些不同的力学刺激，可以对组织抓手2抓取的培养物进行临时固定，还可以用于去除培养物上的增生组织；电刺激模块5可以对培养物进行电刺激；生长因子补充模块6可以在培养过程需要时定位补充一些生长因子。环境调控模块通过对主壳体1内的空气进行优化以及对主壳体1内的温度进行调控为培养物提供一个合适的培养环境。本发明中，通过循环培养装置、第一仿生手臂模块3、第二仿生手臂模块4、电刺激模块5和生长因子补充模块6的设置将培养功能进行模块化，同时集合了多个培养功能，并且还可以比较灵活的更换某个模块，就可以实现新的培养功能，这样，就不需要对生物反应器进行大改，或者重新开发，只需调整某一部分结构就实现新的培养需求，进而可以进行更多样化的培养实验，完善最终的大型组织或者器官功能。

如图1所示，所述第一仿生手臂模块3和第二仿生手臂模块4对称设置于所述组织抓手2相对的两侧，所述电刺激模块5和生长因子补充模块6对称设置于所述组织抓手2另一相对的两侧。

如图2所示，所述组织抓手2包括设于所述主壳体1顶部外侧面上的电动推杆201，一端通过第一连接块202与所述电动推杆201连接另一端通过所述主壳体1顶部侧壁上的预留孔穿入到所述主壳体1内部的滑杠203，通过第二连接块204与所述滑杠203另一端连接的旋转气缸205，以及通过第三连接块206连接于所述旋转气缸205上的抓手207。滑杠203可以随电动推杆201的运动上下滑动，旋转气缸205可以带动抓手207进行360°的旋转，以满足培养物不同部位的培养需求，而抓手207可以对培养物进行夹持，然后随滑杠203滑动将整个培养物从循环培养装置中抓起，然后配合其他功能模块进行一些操作。

如图3所示，所述第一仿生手臂模块3包括固定连接于所述主壳体1顶部内壁上的第一固定座301，一端通过第一减速电机302与所述第一固定座301连接的第一臂303，一端通过第二减速电机304与所述第一臂303另一端连接的第二臂305，缸筒端通过第三减速电机306与所述第二臂305另一端连接的微型气缸307，通过气缸固定座308将所述微型气缸307固定在其一端端面上的手指固定座309，以及对称设置于所述手指固定座309另一端两侧的手指3010；所述微型气缸307的活塞杆通过拉杆3011与所述手指3010的一端连接并能带动所述手指3010夹紧或松开；所述第二仿生手臂模块4的结构与所述第一仿生手臂模块3的结构相同。第一臂303和第二臂305是模仿人的手臂，可以通过第一减速电机302和第二减速电机304的转动来进行上下摆动，微型气缸307可以随第三减速电机306转动而摆动，模仿人手腕的摆动。

如图4所示，所述电刺激模块5包括固定连接于所述主壳体1顶部内壁上的第二固定座501，一端通过第四减速电机502与所述第二固定座501连接的第三臂503，一端通过第五减速电机504与所述第三臂503另一端连接的第四臂505，通过第六减速电机506与所述第四臂505另一端连接的电针固定座507，以及设于所述电针固定座507上的电针508，电针508可以对培养物进行电刺激。

如图5所示，所述生长因子补充模块6包括固定连接于所述主壳体1顶部内壁上的第三固定座601，一端通过第七减速电机602与所述第三固定座601连接的第五臂603，一端通过第八减速电机604与所述第五臂603另一端连接的第六臂605，通过第九减速电机606与所述第六臂605另一端连接的针筒固定座607，以及设于所述针筒固定座607上的针筒608；所述针筒608靠近所述针筒固定座607的一端设有筒盖609，所述针筒608远离所述针筒固定座607的一端设有点胶针头6010，生长因子通过点胶针头6010挤出。所述针筒固定座607上设有供一端连接在所述筒盖609上另一端与外界提供生产因子的设备连接的管路穿过的通孔6011。

如图1所示，所述循环培养装置包括通过支撑架7固定于所述组织抓手2正下方的培养池8、设于所述培养池8一侧的储液瓶9以及设于所述支撑架7下方的蠕动泵10，所述培养池8、储液瓶9和蠕动泵10通过软管11依次首尾连接形成循环回路。这样，培养物在培养池8中可以进行动态培养，并更新培养基。

如图6所示，所述培养池8的底面为从四周向中间逐渐降低的梯度面801，这样就可以确保培养物保持在培养池8的中间位置，方便组织抓手2对培养物进行抓取。

本实施例中，所述培养池8以及所述主壳体1的至少一个侧壁由透明材质制成，方便对培养池8内部的培养物进行观察。

如图1所示，所述环境调控模块包括设于所述主壳体1一内侧壁上的带过滤进气口12、设于所述主壳体1另一内侧壁上的温控器13以及设于所述主壳体1内部底面上的ptc加热器14。带过滤进气口12可以对进入主壳体1内部的空气进行过滤和净化，给主壳体1内部提供适氧环境。温控器13与ptc加热器14可以配合控制主壳体1内部的温度，给培养过程提供一个合适的温度环境。

本实施例的工作过程如下：首先，温控器13启动，ptc加热器14开始加热，带过滤进气口12开始进气，壳体内部加热到合适温度以及适氧环境后，储液瓶9装入培养基，培养池8内放进培养组织，蠕动泵10启动，培养基流经软管11进入培养池8开始循环培养。以背景技术中提到的能收缩的心脏为例，培养一段时间后，发现心脏组织不同位置的收缩频率不一致，初步分析后，推测是打印过程中打印材料不均匀，导致左心房位置细胞密度大，而右心房位置密度小，所以左心房位置收缩频率快，而右心房位置收缩频率慢。解决方法是使电动推杆201向下运动，使滑杠203带动抓手207向下运动抓取心脏组织，抓取完成后，电动推杆201向上运动，使滑杠203带动抓手207向上运动抓取心脏组织来到培养池8上方，第四减速电机502逆时针转动，使第三臂503靠近心脏组织，第五减速电机504顺时针转动，使第三臂503和第四臂505共线，第六减速电机506顺时针转动，带动电针508来到左心房位置，慢慢接触左心房外表面，电针508输入平缓的心电频率，让左心房的收缩频率降低，同时，生长因子补充模块6的第五臂603和第六臂605也通过第七减速电机602、第八减速电机604及第九减速电机606协同运动使点胶针头6010来到右心房内部，针筒608预先装载一些带有生长因子的心脏细胞混合液，与针筒608盖连接的管路开始通气，使一部分的生长因子心脏细胞混合液注射到右心房内部，注射完成后，第八减速电机604转动使点胶针头6010退出，旋转气缸205通气开始转动，使抓手207带动心脏组织转动，右心房表面来到电刺激模块5附近，同上，电针508来到右心房位置，慢慢接触右心房外表面，电针508输入平缓的心电频率，让右心房的收缩频率升高，与左心房的收缩频率保持一致。如发现抓手207挡住了心脏组织某些部分，导致电刺激模块5和生长因子补充模块6无法进行操作，第一仿生手臂模块3和第二仿生手臂模块4来到心脏组织附近，微型气缸307通气带动拉杆3011，使两个手指3010夹紧心脏组织，对心脏组织临时固定，旋转气缸205带动抓手207调整角度，重新抓取心脏组织，然后再进行以上操作。

培养一段时间后，如发现心脏组织出现一些增生组织，可重复上述的组织抓手2的操作，第一仿生手臂模块3来到心脏组织附近，两个手指3010探入心脏组织内部，使微型气缸307通气带动拉杆3011，两个手指3010夹住增生组织往外拉扯，对增生组织进行清除，另外，还可以通过两个手指3010对心脏组织进行夹压刺激，模拟力学实验。

另外，因完整器官的培养时间很长，培养过程中可能会出现一些实验设计以外的结果或者新的培养需求，本发明将培养功能进行模块化，可以比较灵活地更换或增加某个模块的功能，以满足新的培养需求，这样，就不需要对生物反应器进行大改，或者重新开发，只需调整某一部分结构就实现新的培养需求，进而可以进行更多样化的培养实验，完善最终的大型组织或者器官功能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。