專利名稱：一種動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種生物反應(yīng)器，特別是一種用于人造心臟血液循環(huán)系 統(tǒng)的動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器，以替代目前的靜態(tài)生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
生物反應(yīng)器這一具有創(chuàng)新技術(shù)的新設(shè)備已在生物材料產(chǎn)業(yè)化中取得了 成功。生物反應(yīng)器是生物材料加工過程中的關(guān)鍵設(shè)備。近半個多世紀(jì)以來， 由于對生物反應(yīng)器的廣泛研究應(yīng)用，己有許多產(chǎn)品，但以靜態(tài)的居多，根據(jù) 不斷深入的研究和發(fā)展，己有自行研制的體外脈動反應(yīng)器應(yīng)用于組織工程心 臟瓣膜應(yīng)力裝置，基本能簡單模擬體內(nèi)心臟瓣膜的血流動力學(xué)，用于組織工 程心臟瓣膜預(yù)適應(yīng)研究，該裝置根據(jù)流體力學(xué)原理，采用特殊材料自行設(shè)計
制作了體外脈動反應(yīng)器和預(yù)適應(yīng)應(yīng)力培養(yǎng)系統(tǒng)；將生物瓣置于反應(yīng)器中運 轉(zhuǎn)，觀察生物瓣的工作狀態(tài)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以脫細胞豬主動脈瓣作支架，
新生牛主動脈內(nèi)皮細胞作種子細胞構(gòu)建組織工程心臟瓣葉，靜態(tài)培養(yǎng)4d后， 置入反應(yīng)器內(nèi)進行預(yù)適應(yīng)處理24h (流量由30ml / min調(diào)至400ml / min，頻 率30次/min)，觀察內(nèi)皮細胞殘留情況，并與靜態(tài)培養(yǎng)的瓣膜相比較。結(jié) 果表明該裝置能產(chǎn)生搏動性液體流，生物瓣正常工作，運轉(zhuǎn)7d，系統(tǒng)狀 態(tài)穩(wěn)定。靜態(tài)培養(yǎng)成功構(gòu)建組織工程心臟瓣膜，內(nèi)皮細胞與瓣葉支架黏附緊 密，沿瓣葉表面形成單層細胞層，生長狀態(tài)良好；動態(tài)培養(yǎng)的瓣葉內(nèi)皮細胞 部分被沖刷脫落，僅有少部分細胞(6. 26%)殘留黏附。 上述脈動生物反應(yīng)器存在以下不足
(1) 沒有專用夾具，瓣膜或血管不易固定；
(2) 無觀察窗，不利于組織工程心臟瓣膜或血管的觀察；
4(3) 無彈性負載，產(chǎn)生的搏動性液體流的壓力上升、下降太快，沖擊 力太大，對于生物支架材料尤其是瓣葉損傷較大，不能仿生模擬人體的血壓 和血流，使種子細胞極易脫落，不利于種子細胞的黏附，生長，分化以及表 型和功能的維持。
(4) 自動化程度不夠，不能實時的顯示，分析，調(diào)整和記錄脈動生物 反應(yīng)器中培養(yǎng)環(huán)境的各個參數(shù)。
(5) 培養(yǎng)腔多為玻璃或有機塑料，不利于消毒和重復(fù)使用。
發(fā)明內(nèi)容
脈動生物反應(yīng)器在各個領(lǐng)域的研究不盡相同，根據(jù)研究生物材料種類不 同和研究目的不同，對裝置的要求也不同，本實用新型的目的在于，提供一 種動態(tài)仿生生物脈動反應(yīng)器，該動態(tài)生物脈動反應(yīng)器能夠仿生模擬人體心臟 血液循環(huán)系統(tǒng)，尤其是血壓和血流的仿生模擬，并能實時提供培養(yǎng)環(huán)境各相 關(guān)數(shù)據(jù)，降低脈動液體流對生物支架材料尤其是瓣葉的沖擊損傷以及種子細 胞的沖擊，提高組織工程心臟瓣膜種子細胞在體外構(gòu)建中的成活率、黏附率， 促進種子細胞(干細胞)的分化，維持種子細胞的正常表型、功能。 為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本實用新型采取如下的技術(shù)解決方案 一種動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器，其特征在于，包括一個模擬心臟壓縮機， 該擬心臟壓縮機的輸入端裝有止回閥，輸出端與培養(yǎng)腔連接；止回閥通過管 路串聯(lián)連接有第一回槽液和第二回槽液，第一回槽液上設(shè)有保護氣體接口和 Ph值檢測計，第二回槽液上安裝有過濾網(wǎng)墊，過濾網(wǎng)墊通過管路上連接的 電動閥門與差壓調(diào)節(jié)器連通，差壓調(diào)節(jié)器通過管路與培養(yǎng)腔連接，培養(yǎng)腔內(nèi) 有生物瓣膜，培養(yǎng)腔上方有壓力傳感器，培養(yǎng)腔的水平方向設(shè)有帶有圖像采 集器的專用攝像頭，其中，壓力傳感器連接有數(shù)據(jù)采集器；數(shù)據(jù)采集器、帶 有圖像采集器的專用攝像頭分別與計算機連接，計算機通過控制信號線與電 動閥門連通。本實用新型的其它特點是
所述的生物瓣膜安裝在生物瓣膜專用夾具上；所述的帶有圖像采集器的 專用攝像頭周圍有套筒，圖像采集器前面安裝有透明玻璃，透明玻璃和套筒 之間裝有密封圈。
所述的差壓調(diào)節(jié)器包括一個能仿生模擬血管的軟性負載，軟性負載是由 彈性很小的橡膠管制成，該軟性負載安裝在風(fēng)箱折疊囊內(nèi)，軟性負載始終處 于風(fēng)箱折疊囊內(nèi)的液壓體的包圍之中，而受到均勻的壓力；風(fēng)箱折疊囊外圍 被殼體所包覆，風(fēng)箱折疊囊上安裝有可調(diào)彈簧，可調(diào)彈簧上連接有絲杠，絲 杠上裝有手柄。
本實用新型的動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器，可以分析、仿生模擬人體血液 循環(huán)系統(tǒng)以及培養(yǎng)細胞生長的條件，能夠有效的控制培養(yǎng)液的平均壓力及其 差壓，并且壓力的上升和下降曲線接近于人體，而且這些參數(shù)能夠根據(jù)需要 隨時進行調(diào)節(jié)，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確的動態(tài)顯示動態(tài)生物脈動反應(yīng)器中培養(yǎng)液的壓 力曲線等參數(shù),并具有根據(jù)需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進行存儲等功能。


圖1是本實用新型的動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖2是生物瓣膜專用夾具結(jié)構(gòu)示意圖3是脈動生物反應(yīng)器中反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)示意圖4是差壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)示意以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。
具體實施方式
為了提高組織工程心臟瓣膜或組織工程血管的細胞在體外構(gòu)建的過程 中種子細胞的黏附率、成活率，促進作為種子細胞的干細胞的定向誘導(dǎo)分化 分化，維持種子細胞的結(jié)構(gòu)、表型和功能，降低脈動液體流對生物支架材料 尤其是瓣葉的沖擊損傷以及種子細胞的沖擊，提高構(gòu)建的組織工程心臟瓣膜和組織工程血管的成功率和品質(zhì)，構(gòu)建可用于臨床的組織工程瓣膜和血管，申請人早已開始研制仿生模擬人體血液循環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)生物脈動反應(yīng)器，以替代目前的靜態(tài)生物反應(yīng)器。
通過分析、仿生模擬人體血液循環(huán)系統(tǒng)以及培養(yǎng)細胞生長的條件，不但要求有效的控制培養(yǎng)液的平均壓力及其差壓，以及壓力的上升和下降曲線接
近于人體，而且要求這些參數(shù)能夠根據(jù)需要隨時進行調(diào)節(jié)；又為了保證每次對整個裝置中培養(yǎng)液流過的各個部件方便的進行消毒處理等，在設(shè)計中必須要求在結(jié)構(gòu)及材料上實現(xiàn)小型化及模塊化。
考慮以上主要因素，本實用新型設(shè)計的動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)原理圖參見圖l，該動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器包括一個模擬心臟壓縮機1，該擬心臟壓縮機1的輸入端裝有止回閥2，輸出端與培養(yǎng)腔14連接；止回閥2通過管路串聯(lián)連接有第一回槽液3和第二回槽液4，第一回槽液3上設(shè)有保護氣體接口 6和Ph值檢測計7，保護氣體接口 6通入的保護氣體選擇5 %的C02和95%的Air所構(gòu)成的混合氣體。第二回槽液4上安裝有過濾網(wǎng)墊5，過濾網(wǎng)墊5通過管路上連接的電動閥門9和差壓調(diào)節(jié)器8連接，差壓調(diào)節(jié)器8通過管路與培養(yǎng)腔14連接，培養(yǎng)腔14內(nèi)有生物瓣膜15，培養(yǎng)腔14上方有壓力傳感器13，培養(yǎng)腔14的水平方向設(shè)有帶有圖像采集器的專用攝像頭12，其中，壓力傳感器13連接有數(shù)據(jù)采集器11，該數(shù)據(jù)采集器11與計算機10相連，帶有圖像采集器的專用攝像頭12也和計算機10連接，計算機10通過控制信號線與電動閥門9連通。
計算機10內(nèi)設(shè)置有軟件，軟件是利用￥0++編制的計算機程序，界面友好，操作方便，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確的動態(tài)顯示動態(tài)生物脈動反應(yīng)器中培養(yǎng)液的壓力曲線等參數(shù)并具有根據(jù)需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進行存儲等功能。
第一、第二回流槽3、 4和插入的PH值檢測計7的主要功能是通過設(shè)置的過濾網(wǎng)墊5對培養(yǎng)液進行消泡以及在長達一周的連續(xù)工作時間內(nèi)對其培養(yǎng)液的pH值等某些參數(shù)進行顯示和調(diào)整等。
壓力傳感器13采用高精度的壓力傳感器，用來將釆集到的壓力信號經(jīng)
過數(shù)據(jù)釆集器11處理后上傳給計算機IO，從而實現(xiàn)曲線顯示和數(shù)據(jù)保存等;
上述生物瓣膜15安裝在生物瓣膜專用夾具16上。生物瓣膜專用夾具16借助于導(dǎo)引棒26可很容易的實現(xiàn)按要求進行心臟瓣膜15的裝卸；生物瓣膜專用夾具16包括一對平行的帶有螺栓的滑竿21，滑竿21的兩端各安裝有一對內(nèi)徑相等的錐形空心圓臺，該對錐形空心圓臺在滑竿21兩端組成前、后夾具，前夾具由外空心圓臺22和內(nèi)空心圓臺23組成，后夾具由外空心圓臺25和內(nèi)空心圓臺24組成，前夾具和后夾具安裝在滑竿21上兩個定位螺栓27的外側(cè)，由滑竿21上最外測的緊固螺栓28定位；前夾具和后夾具中穿過一導(dǎo)引棒26，該導(dǎo)引棒26的直徑小于等于空心圓臺的內(nèi)徑，且直徑上有一個圓錐體卡帶，前夾具的外空心圓臺22和后夾具的外空心圓臺25的外側(cè)面分別有突起的圓環(huán)卡帶，其突起的高度為0.5mm 0.6mm。前夾具的外空心圓臺22和內(nèi)空心圓臺23的直徑大于后夾具的外空心圓臺25和內(nèi)空心圓臺24的直徑(即增大螺栓平面)，以便于整個心血管(心臟瓣膜)夾具固定于培養(yǎng)腔15內(nèi)。
帶有圖像采集器的專用攝像頭12周圍有套筒19，帶有圖像采集器的專用攝像頭12前面安裝有透明玻璃17，透明玻璃17和套筒19之間裝有密封圈18。透明玻璃17除了可直接觀看生物辧膜15上細胞的生長狀況外，還可以通過帶有圖像采集器的專用攝像頭12將生物瓣膜上細胞培養(yǎng)時的狀況顯示在計算機10的顯示屏上，或者將其保留在計算機10中，方便日后對生物瓣膜的生長狀況進行對比。
差壓調(diào)節(jié)器8包括一個模擬血管的軟性負載41，該軟性負載41安裝在風(fēng)箱折疊囊43內(nèi)，軟性負載41始終處于風(fēng)箱折疊囊43內(nèi)的液壓體的包圍之中，從而受到均勻的壓力；風(fēng)箱折疊囊43外圍被殼體42所包覆，風(fēng)箱折疊囊42上安裝有可調(diào)彈簧44，可調(diào)彈簧44上連接有絲杠45，絲杠45上裝 有手柄46。
差壓調(diào)節(jié)器8的工作原理是軟性負載41是由彈性很強的醫(yī)用橡膠管 制成。由于高壓的高低與軟性負載41容積的增大程度基本成反比，每一次 培養(yǎng)液沖流過來后導(dǎo)致軟性負載41容積增大的程度決定了高端壓力的升高 幅度，而軟性負載41容積增大的多少取決于其周圍液壓體對其施加的壓力， 這樣就可以通過手柄46轉(zhuǎn)動絲杠45來調(diào)節(jié)可調(diào)彈簧44對液壓體的壓力， 并通過液壓體將該壓力傳送并均勻施加給軟性負載41，從而有效的實現(xiàn)對 差壓的調(diào)節(jié)和控制。
電動閥門9是計算機10以及壓力傳感器13所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)中的 執(zhí)行機構(gòu)，其主要功能是根據(jù)人們預(yù)先在計算機10中設(shè)計的平均壓力曲線， 通過自動調(diào)節(jié)電動閥門9的開度來實現(xiàn)調(diào)節(jié)平均壓力的功能。
本實用新型的動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器模擬人的血液循環(huán)系統(tǒng)壓力等 參數(shù)的基本原理是在通過閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)的恒定壓力曲線的基礎(chǔ)上再疊 加一個通過差壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的適當(dāng)差壓曲線，就可以實現(xiàn)模擬人的心臟血液 循環(huán)系統(tǒng)的壓力曲線了。例如生物瓣膜(心臟瓣膜)細胞生長的某一段時間 內(nèi)要求其壓力在70 110mmHg之間以正弦規(guī)律變化，則電動閥門9根據(jù)計 算機10的指令將恒定壓力自動調(diào)節(jié)為90mmHg，然后疊加上差壓調(diào)節(jié)器調(diào) 節(jié)出來的幅度為20mmHg的正弦壓力曲線則可實現(xiàn)。
權(quán)利要求1. 一種動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器，其特征在于，包括一個模擬心臟壓縮機(1)，該擬心臟壓縮機(1)的輸入端裝有止回閥(2)，輸出端與培養(yǎng)腔(14)連接；止回閥(2)通過管路串聯(lián)連接有第一回槽液(3)和第二回槽液(4)，第一回槽液(3)上設(shè)有保護氣體接口(6)和Ph值檢測計(7)，第二回槽液(4)上安裝有過濾網(wǎng)墊(5)，過濾網(wǎng)墊(5)通過管路上連接的電動閥門(9)與差壓調(diào)節(jié)器(8)連通，差壓調(diào)節(jié)器(8)通過管路與培養(yǎng)腔(14)連接，培養(yǎng)腔(14)內(nèi)有生物瓣膜(15)，培養(yǎng)腔(14)上方有壓力傳感器(13)，培養(yǎng)腔(14)的水平方向設(shè)有帶有圖像采集器的專用攝像頭(12)，其中，壓力傳感器(13)連接有數(shù)據(jù)采集器(11)；數(shù)據(jù)采集器(11)、帶有圖像采集器的專用攝像頭(12)分別與計算機(10)連接，計算機(10)通過控制信號線與電動閥門(9)連通。
2. 如權(quán)利要求1所述的動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器，其特征在于，所述 的生物瓣膜(15)安裝在生物瓣膜專用夾具(16)上。
3. 如權(quán)利要求1所述的動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器，其特征在于，所述 的專用攝像頭和圖像采集器(12)周圍有套筒(19)，專用攝像頭和圖像采 集器(12)前面安裝有透明玻璃(17)，透明玻璃(17)和套筒(19)之間 裝有密封圈(18)。
4. 如權(quán)利要求1所述的動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器，其特征在于，所述 的差壓調(diào)節(jié)器(8)包括一個模擬血管的軟性負載(41)，該軟性負載(41) 安裝在風(fēng)箱折疊囊(43)內(nèi)，軟性負載(41)始終處于風(fēng)箱折疊囊(43)內(nèi) 的液壓體的包圍之中，而受到均勻的壓力；風(fēng)箱折疊囊(43)外圍被殼體(42) 所包覆，風(fēng)箱折疊囊(42)上安裝有可調(diào)彈簧(44)，可調(diào)彈簧(44)上連 接有絲杠(45)，絲杠(45)上裝有手柄(46)。
5. 如權(quán)利要求4所述的動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器，其特征在于，所述的軟性負載(41)是由彈性很強的醫(yī)用橡膠管制成。
6.如權(quán)利要求1所述的動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器，其特征在于，所述 的保護氣體接口 6通入的保護氣體選擇5%的C02和95Q%的Air的混合氣體。
專利摘要本實用新型涉及一種動態(tài)仿生脈動生物反應(yīng)器，包括模擬心臟壓縮機，在擬心臟壓縮機的輸入端裝有止回閥，輸出端與培養(yǎng)腔連接；止回閥通過管路串聯(lián)連接有第一回槽液和第二回槽液，第一回槽液上設(shè)有保護氣體接口和pH值檢測計，第二回槽液上裝有過濾網(wǎng)墊，通過管路上連接的電動閥門與差壓調(diào)節(jié)器連通，差壓調(diào)節(jié)器通過管路與培養(yǎng)腔連接，培養(yǎng)腔內(nèi)有組織工程心臟瓣膜或血管，培養(yǎng)腔上方有壓力傳感器，培養(yǎng)腔的水平方向有帶有圖像采集器的專用攝像頭，壓力傳感器連接數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器、帶有圖像采集器的專用攝像頭分別和計算機連接，計算機通過控制信號線連通電動閥門。能夠分析模擬人體血液循環(huán)系統(tǒng)以及培養(yǎng)細胞生長的條件，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行存儲。
文檔編號C12M3/00GK201268704SQ200820221628

公開日2009年7月8日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者洋 劉, 鐸 寧, 易定華, 王云雅, 董小超, 顧春虎, 魏旭峰 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)