專利名稱：一種動態仿生脈動生物反應器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種生物反應器，特別是一種用于人造心臟血液循環系 統的動態仿生脈動生物反應器，以替代目前的靜態生物反應器。
背景技術：
生物反應器這一具有創新技術的新設備已在生物材料產業化中取得了 成功。生物反應器是生物材料加工過程中的關鍵設備。近半個多世紀以來， 由于對生物反應器的廣泛研究應用，己有許多產品，但以靜態的居多，根據 不斷深入的研究和發展，己有自行研制的體外脈動反應器應用于組織工程心 臟瓣膜應力裝置，基本能簡單模擬體內心臟瓣膜的血流動力學，用于組織工 程心臟瓣膜預適應研究，該裝置根據流體力學原理，采用特殊材料自行設計
制作了體外脈動反應器和預適應應力培養系統；將生物瓣置于反應器中運 轉，觀察生物瓣的工作狀態和系統的穩定性。以脫細胞豬主動脈瓣作支架，
新生牛主動脈內皮細胞作種子細胞構建組織工程心臟瓣葉，靜態培養4d后， 置入反應器內進行預適應處理24h (流量由30ml / min調至400ml / min，頻 率30次/min)，觀察內皮細胞殘留情況，并與靜態培養的瓣膜相比較。結 果表明該裝置能產生搏動性液體流，生物瓣正常工作，運轉7d，系統狀 態穩定。靜態培養成功構建組織工程心臟瓣膜，內皮細胞與瓣葉支架黏附緊 密，沿瓣葉表面形成單層細胞層，生長狀態良好；動態培養的瓣葉內皮細胞 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，調整和記錄脈動生物 反應器中培養環境的各個參數。
(5) 培養腔多為玻璃或有機塑料，不利于消毒和重復使用。
發明內容
脈動生物反應器在各個領域的研究不盡相同，根據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 種動態仿生生物脈動反應器，該動態生物脈動反應器能夠仿生模擬人體心臟 血液循環系統，尤其是血壓和血流的仿生模擬，并能實時提供培養環境各相 關數據，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。 為了實現上述任務，本實用新型采取如下的技術解決方案 一種動態仿生脈動生物反應器，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，輸出端與培養腔連接；止回閥通過管 路串聯連接有第一回槽液和第二回槽液，第一回槽液上設有保護氣體接口和 Ph值檢測計，第二回槽液上安裝有過濾網墊，過濾網墊通過管路上連接的 電動閥門與差壓調節器連通，差壓調節器通過管路與培養腔連接，培養腔內 有生物瓣膜，培養腔上方有壓力傳感器，培養腔的水平方向設有帶有圖像采 集器的專用攝像頭，其中，壓力傳感器連接有數據采集器；數據采集器、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。
所述的差壓調節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箱折疊囊內，軟性負載始終處 于風箱折疊囊內的液壓體的包圍之中，而受到均勻的壓力；風箱折疊囊外圍 被殼體所包覆，風箱折疊囊上安裝有可調彈簧，可調彈簧上連接有絲杠，絲 杠上裝有手柄。
本實用新型的動態仿生脈動生物反應器，可以分析、仿生模擬人體血液 循環系統以及培養細胞生長的條件，能夠有效的控制培養液的平均壓力及其 差壓，并且壓力的上升和下降曲線接近于人體，而且這些參數能夠根據需要 隨時進行調節，能夠實時準確的動態顯示動態生物脈動反應器中培養液的壓 力曲線等參數,并具有根據需要對相關數據進行存儲等功能。
圖1是本實用新型的動態仿生脈動生物反應器結構示意圖2是生物瓣膜專用夾具結構示意圖3是脈動生物反應器中反應腔的結構示意圖4是差壓調節器結構示意以下結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分化 分化，維持種子細胞的結構、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，提高構建的組織工程心臟瓣膜和組織工程血管的成功率和品質，構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系統的動態生物脈動反應器，以替代目前的靜態生物反應器。
通過分析、仿生模擬人體血液循環系統以及培養細胞生長的條件，不但要求有效的控制培養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，而且要求這些參數能夠根據需要隨時進行調節；又為了保證每次對整個裝置中培養液流過的各個部件方便的進行消毒處理等，在設計中必須要求在結構及材料上實現小型化及模塊化。
考慮以上主要因素，本實用新型設計的動態仿生脈動生物反應器結構原理圖參見圖l，該動態仿生脈動生物反應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，輸出端與培養腔14連接；止回閥2通過管路串聯連接有第一回槽液3和第二回槽液4，第一回槽液3上設有保護氣體接口 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所構成的混合氣體。第二回槽液4上安裝有過濾網墊5，過濾網墊5通過管路上連接的電動閥門9和差壓調節器8連接，差壓調節器8通過管路與培養腔14連接，培養腔14內有生物瓣膜15，培養腔14上方有壓力傳感器13，培養腔14的水平方向設有帶有圖像采集器的專用攝像頭12，其中，壓力傳感器13連接有數據采集器11，該數據采集器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內設置有軟件，軟件是利用￥0++編制的計算機程序，界面友好，操作方便，能夠實時準確的動態顯示動態生物脈動反應器中培養液的壓力曲線等參數并具有根據需要對相關數據進行存儲等功能。
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置的過濾網墊5對培養液進行消泡以及在長達一周的連續工作時間內對其培養液的pH值等某些參數進行顯示和調整等。
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
過數據釆集器11處理后上傳給計算機IO，從而實現曲線顯示和數據保存等;
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借助于導引棒26可很容易的實現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和內空心圓臺23組成，后夾具由外空心圓臺25和內空心圓臺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，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引棒26，該導引棒26的直徑小于等于空心圓臺的內徑，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的外側面分別有突起的圓環卡帶，其突起的高度為0.5mm 0.6mm。前夾具的外空心圓臺22和內空心圓臺23的直徑大于后夾具的外空心圓臺25和內空心圓臺24的直徑(即增大螺栓平面)，以便于整個心血管(心臟瓣膜)夾具固定于培養腔15內。
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。
差壓調節器8包括一個模擬血管的軟性負載41，該軟性負載41安裝在風箱折疊囊43內，軟性負載41始終處于風箱折疊囊43內的液壓體的包圍之中，從而受到均勻的壓力；風箱折疊囊43外圍被殼體42所包覆，風箱折疊囊42上安裝有可調彈簧44，可調彈簧44上連接有絲杠45，絲杠45上裝 有手柄46。
差壓調節器8的工作原理是軟性負載41是由彈性很強的醫用橡膠管 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 培養液沖流過來后導致軟性負載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轉動絲杠45來調節可調彈簧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，從而有效的實現對 差壓的調節和控制。
電動閥門9是計算機10以及壓力傳感器13所組成的閉環控制系統中的 執行機構，其主要功能是根據人們預先在計算機10中設計的平均壓力曲線， 通過自動調節電動閥門9的開度來實現調節平均壓力的功能。
本實用新型的動態仿生脈動生物反應器模擬人的血液循環系統壓力等 參數的基本原理是在通過閉環控制系統實現的恒定壓力曲線的基礎上再疊 加一個通過差壓調節器調節的適當差壓曲線，就可以實現模擬人的心臟血液 循環系統的壓力曲線了。例如生物瓣膜(心臟瓣膜)細胞生長的某一段時間 內要求其壓力在70 110mmHg之間以正弦規律變化，則電動閥門9根據計 算機10的指令將恒定壓力自動調節為90mmHg，然后疊加上差壓調節器調 節出來的幅度為20mmHg的正弦壓力曲線則可實現。
權利要求1. 一種動態仿生脈動生物反應器，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)，輸出端與培養腔(14)連接；止回閥(2)通過管路串聯連接有第一回槽液(3)和第二回槽液(4)，第一回槽液(3)上設有保護氣體接口(6)和Ph值檢測計(7)，第二回槽液(4)上安裝有過濾網墊(5)，過濾網墊(5)通過管路上連接的電動閥門(9)與差壓調節器(8)連通，差壓調節器(8)通過管路與培養腔(14)連接，培養腔(14)內有生物瓣膜(15)，培養腔(14)上方有壓力傳感器(13)，培養腔(14)的水平方向設有帶有圖像采集器的專用攝像頭(12)，其中，壓力傳感器(13)連接有數據采集器(11)；數據采集器(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. 如權利要求1所述的動態仿生脈動生物反應器，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. 如權利要求1所述的動態仿生脈動生物反應器，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. 如權利要求1所述的動態仿生脈動生物反應器，其特征在于，所述 的差壓調節器(8)包括一個模擬血管的軟性負載(41)，該軟性負載(41) 安裝在風箱折疊囊(43)內，軟性負載(41)始終處于風箱折疊囊(43)內 的液壓體的包圍之中，而受到均勻的壓力；風箱折疊囊(43)外圍被殼體(42) 所包覆，風箱折疊囊(42)上安裝有可調彈簧(44)，可調彈簧(44)上連 接有絲杠(45)，絲杠(45)上裝有手柄(46)。
5. 如權利要求4所述的動態仿生脈動生物反應器，其特征在于，所述的軟性負載(41)是由彈性很強的醫用橡膠管制成。
6.如權利要求1所述的動態仿生脈動生物反應器，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仿生脈動生物反應器，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，輸出端與培養腔連接；止回閥通過管路串聯連接有第一回槽液和第二回槽液，第一回槽液上設有保護氣體接口和pH值檢測計，第二回槽液上裝有過濾網墊，通過管路上連接的電動閥門與差壓調節器連通，差壓調節器通過管路與培養腔連接，培養腔內有組織工程心臟瓣膜或血管，培養腔上方有壓力傳感器，培養腔的水平方向有帶有圖像采集器的專用攝像頭，壓力傳感器連接數據采集器，數據采集器、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系統以及培養細胞生長的條件，并對相關數據進行存儲。
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 優先權日2008年9月26日
發明者洋 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大學