一套用于组织工程血管培养的力学参数监测系统的制作方法

本实用新型涉及医疗和实验研究器材的技术领域，尤其涉及一套用于组织工程血管培养的力学参数监测系统。

背景技术：

随着我国人口老龄化的进程，高血压、糖尿病等慢性疾病的发病率日益增多，由此引起的慢性血管性疾病也呈逐年上升的趋势，对血管移植的需求逐年增加，其中冠状动脉和外周血管旁路手术中的小口径(≦6mm)血管移植的需求很大。异体生物血管因易致免疫排斥而最终导致血管阻塞；自体血管在取材过程会给患者本人带来一定伤害，长度和管径合适的自体非必需血管的来源有限，此外大多数患者本身年龄相对偏大导致血管条件大都不佳。人工合成血管如涤纶、聚四氟乙烯等材料作为异物可引起慢性免疫排斥反应、感染和栓塞、随着时间的延长，管腔通畅率下降，若长期应用抗凝药又有一定的副作用，因此组织工程血管(TEBV)成为新的研究热点。

组织工程血管由于其具有良好物理性能；来源丰富，价格便宜；较好的抗血栓、组织相容性、分泌生物活性物质等生物功能，因而在血管移植手术中具有广阔的市场应用前景。并且，在体外构建TEBV时，人为施加适宜的力学刺激成为人们的共识。合理运用脉动生物反应器在体外模拟体内血管的流体力学环境，在体外构建成能自我分泌细胞外基质、具有一定力学强度、能够自我重构的功能完整的TEBV。

组织工程血管的研究国内外均在快速发展，但在产业化方面，国外明显更进一步。国内的组织工程血管研究尚处于实验室研究阶段，产业化水平较低，产业化研究刻不容缓。

总体上看，目前绝大多数组织工程血管动态培养系统，其细胞所受的力学刺激大都未获得量化评估，而是以动力源的生理参数(如血压和心率)或硅胶管形变大小进行间接评估，无法直接体现构建组织工程血管过程中平滑肌细胞的应力分布，且若对培养参数进行(动力源参数或硅胶管性能)调整后所受力学刺激的改变难以预测，一定程度上限制了对培养体系或参数的改进。因此，建立一套用于组织工程血管培养的监测系统是具有相当意义的。

现有研究报道，组织工程血管培养的监测方法包含：透射层析扫描；高速摄像机捕捉硅胶管形变；压力传感器测硅胶管内流体水压。但是，上述用于组织工程血管培养的检测方法，灵敏度不高，获得的参数误差较大，并且无法计算硅胶管的应力分布，无法评估细胞所受力学刺激。无法确定合适的力学参数，使得难以在单细胞水平模拟刺激条件，限制了分子水平的研究，且难以预测改变培养参数后所受力学刺激的改变，制约了对培养体系或参数的改进。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一套用于组织工程血管培养的力学参数监测系统，能够准确高频监测硅胶管内流场压力与硅胶管的形变。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一套用于组织工程血管培养的力学参数监测系统，包括脉动生物反应器动力系统、激光测径仪、压力传感器、数据采集系统、生物反应器培养系统、储液袋；生物反应器培养系统设有玻璃反应器，玻璃反应器上设有第一段硅胶管，第一段硅胶管贯穿玻璃反应器，脉动生物反应器动力系统的出口通过第二段硅胶管连接在第一段硅胶管的一端，储液袋的入口通过第三段硅胶管连接在第一段硅胶管的另一端，储液袋的出口通过第四段硅胶管连接在脉动生物反应器动力系统的入口；第二段硅胶管穿过激光测径仪，压力传感器与第二段硅胶管连接，压力传感器和激光测径仪均与数据采集系统信号连接；第一段硅胶管上设有包裹层，包裹层为降解性的生物相容性材料，生物相容性材料上接种有种子细胞，包裹层的两端设有人工血管。

进一步的是：储液袋为柔性袋。

进一步的是：激光测径仪上设有用于第二段硅胶管穿过的测径槽。

进一步的是：生物反应器培养系统包括玻璃反应器、硅胶盖、换液管和透气管；硅胶盖盖在玻璃反应器上，换液管和透气管均插入玻璃反应器内。

进一步的是：玻璃反应器的玻璃壁上设有对称设置的两个玻璃管道。

进一步的是：换液管有一根，透气管有两根。

进一步的是：第一段硅胶管、第二段硅胶管、第三段硅胶管是一体的。

总的说来，本实用新型具有如下优点：

本监测系统用于组织工程血管的培养参数测量，能在组织工程血管培养的过程中监测相应的力学参数，能够准确高频监测硅胶管内流场压力与硅胶管的形变。该监测系统能够稳定连续运行，监测相关参数，从而计算出以硅胶管为力学传导介质的应力分布，量化评估培养过程中种子细胞所受到的力学刺激。本监测系统灵活性大，容易根据所需测量的参数来增减模块。

附图说明

图1是本监测系统的结构原理示意图。

图2是生物反应器培养系统的结构原理示意图。

图3是激光测径仪的结构原理示意图。

图4是第一段硅胶管及包裹层的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本实用新型做进一步详细的说明。

为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：

1为脉动生物反应器动力系统，2为压力传感器，3为激光测径仪，4为数据采集系统，5为生物反应器培养系统，6为储液袋，7为第一段硅胶管，8为第二段硅胶管，9为第三段硅胶管，10为第四段硅胶管，11为玻璃反应器，12为包裹层，13为硅胶盖，14为人工血管，15为透气管，16为换液管，17为玻璃管道，18为测径槽。

结合图1至图4所示，一套用于组织工程血管培养的力学参数监测系统，包括脉动生物反应器动力系统、激光测径仪、压力传感器、数据采集系统、生物反应器培养系统、储液袋。生物反应器培养系统设有玻璃反应器，玻璃反应器上设有第一段硅胶管，第一段硅胶管贯穿玻璃反应器，第一段硅胶管水平放置，第一段硅胶管从玻璃反应器的一侧穿过玻璃反应器的另一侧。脉动生物反应器动力系统的出口通过第二段硅胶管连接在第一段硅胶管的一端，储液袋的入口通过第三段硅胶管连接在第一段硅胶管的另一端；即第二段硅胶管的一端连接在脉动生物反应器动力系统的出口，第二段硅胶管的另一端连接在第一段硅胶管的一端，第三段硅胶管的一端连接在储液袋的入口，第三段硅胶管的另一端连接在第一段硅胶管的另一端。储液袋的出口通过第四段硅胶管连接在脉动生物反应器动力系统的入口；即第四段硅胶管的一端连接在储液袋的出口，第四段硅胶管的另一端连接在脉动生物反应器动力系统的入口。第二段硅胶管穿过激光测径仪，压力传感器与第二段硅胶管连接，压力传感器用来采集第二段硅胶管的流场压力信号，激光测径仪用来实时监测并采集第二段硅胶管的形变信号。压力传感器和激光测径仪均与数据采集系统信号连接。第一段硅胶管上设有包裹层，包裹层为降解性的生物相容性材料，生物相容性材料上接种有种子细胞，包裹层的两端设有人工血管；包裹层位于玻璃反应器的内部，包裹层是可降解的生物相容性人工材料。

第一段硅胶管、第二段硅胶管、第三段硅胶管是一体的，即它们是一整条硅胶管，为方便描述，分成了三段来阐述。

本实用新型的原理：结合图1所示，在脉动生物反应器动力系统作用下，硅胶管内的液体以逆时针方向搏动性流动，形成搏动性液体，玻璃反应器内有营养液。脉动生物反应器动力系统形成的搏动流能量转化为硅胶管形变的能量形式，最终硅胶管会扩张或收缩，从而形成力学刺激，刺激降解性的生物相容性材料上的种子细胞，然后种子细胞增殖、分泌胞外基质，形成组织工程血管，在形成组织工程血管的过程中，生物相容性人工材料就会降解掉，需要说明的是，包裹层两端的人工血管没有与组织工程血管连接在一起，而是在组织工程血管形成后，将组织工程血管两端的人工血管去掉。本监测系统能在组织工程血管培养的过程中监测相应的力学参数，能够准确高频实时监测血管玻璃反应器内流场压力与力学传导介质的形变，即监测硅胶管内流场压力与硅胶管的形变。高精度的压力传感器与激光测径仪采集硅胶管上的压力和形变，通过数据采集系统采集相应信号，然后传送至电子计算机上监测关键参数，从而计算出以硅胶管为力学传导介质的应力分布，量化评估组织工程血管培养过程中细胞所受到的力学刺激。

结合图3所示，激光测径仪上设有用于第二段硅胶管穿过的测径槽。即激光测径仪上有个测径槽，第二段硅胶管从该测径槽穿过，然后激光测径仪可以监测硅胶管的形变。

生物反应器培养系统包括玻璃反应器、硅胶盖、换液管和透气管；硅胶盖盖在玻璃反应器上，换液管和透气管均插入玻璃反应器内。换液管可以更换玻璃反应器内的营养液，透气管可以向玻璃反应器内供氧。换液管有一根，透气管有两根。

结合图2所示，玻璃反应器的玻璃壁上设有对称设置的两个玻璃管道。第一段硅胶管从一个玻璃管道内穿入玻璃反应器内，然后从另一个玻璃管道穿出玻璃反应器。

选用产生不同脉动流场的脉动生物反应器动力系统，可以提供多种培养条件，从而方便监测在不同脉动流场下或同一脉动流场不同条件的培养模式下，组织工程血管(TEBV)在培养过程中种子细胞所受到的力学刺激，从而找出最具有优势的培养方式。将细胞所受力学刺激量化，有助于研究人员将组织工程血管培养的相关参数应用到单层细胞培养，在单层细胞培养中研究力学刺激对细胞的作用，还可以在培养系统中加入剪切力，对于研究内皮细胞以及平滑肌细胞的机制是很重要的。

通过脉动流场的压力，促使玻璃反应器内第一段硅胶管发生形变，从而让贴附于第一段硅胶管上的平滑肌细胞(种子细胞)受到力学刺激，然后再通过调整脉动生物反应器动力系统的脉动波形、频率，压力大小等参数，就可以有效控制脉动流场，从而改变玻璃反应器内第一段硅胶管的形变规律。

储液袋采用柔性袋，而非直接与外界空气接触的刚性收集器，监测系统除了玻璃反应器本身给平滑肌细胞供氧(无菌)以外，其他部分均与外界隔绝，处于自身密闭体系中。柔性带悬挂在一定高度，为硅胶管内提供静水压，保证脉动生物反应器动力系统产生的压力使硅胶管产生足够形变。

本监测系统完全自主设计，生物反应器培养系统主要材料为透明玻璃，外形经过特殊设计，最终手工吹制而成。其外形、尺寸设计考虑到种子细胞接种密度、细胞总数、所需培养基、所需无菌空气的比例等因素。硅胶盖经过特殊设计，有良好的密封性，并可以过滤空气，保证玻璃反应器内空气无菌，并可以通过其进行培养液的更换。本监测系统实时监测不同脉动动力参数下脉动流场压力与硅胶管直径变化，并计算硅胶管壁应力分布，进一步评估细胞所受到的力学刺激。此外，玻璃反应器适用于不同口径的硅胶管，所以可以培养出不同直径的组织工程血管。

监测系统适用于不同种类的脉动生物反应器动力系统，所以可以检测不同脉动流场下TEBV中的平滑肌细胞所受压力与硅胶管直径变化。该监测系统不仅仅能够用于组织工程血管研究，在大多数需要力学刺激的组织工程培养中都能实现有效监测。且该系统比较灵活，能够自由增加所需模块。

在性能测试中，整个监测体系能够稳定运行至少4周。各个部位紧密结合，未出现污染以及漏液，且监测系统的监测精度始终控制在±2μm内。硅胶管形变控制在2％到5％之间，有利于组织工程血管的培养。由于所有管路连接都是医用级硅胶管，对细胞均无毒性。流体本身就是水，粘度最低的液体，所以脉动生物反应器动力系统的动力可以准确传递给玻璃反应器内的硅胶管。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。