本發(fā)明涉及一種醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)研究器械，尤其是涉及一種基于羅葉泵的仿生脈動(dòng)生物反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

心腦血管疾病發(fā)病率呈逐年上升趨勢(shì)，其共同的病理生理學(xué)特征為血管功能失衡及損傷修復(fù)異常，繼而引起血管重構(gòu)。因此，組織工程血管置換術(shù)是心腦血管疾病的重要治療方法。目前臨床上應(yīng)用的血管移植物主要有異體生物血管、自體血管、人工合成血管。異體生物血管因易致免疫排斥而最終導(dǎo)致血管阻塞；自體血管必需犧牲人體正常組織來(lái)修復(fù)病損組織，且長(zhǎng)度和管徑合適的自體非必需血管的來(lái)源有限。人工合成血管如滌綸、聚四氟乙烯等材料作為小血管的通暢率不能滿足臨床治療的需要，且作為異物可引起慢性免疫排斥反應(yīng)、感染和栓塞、隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，管腔通常率下降，若長(zhǎng)期應(yīng)用抗凝藥又有一定的副作用，因此尋找新的血管替代物成為新的研究熱點(diǎn)。

自1986年，weinbergcb等應(yīng)用自體來(lái)源的平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)建了復(fù)合的組織工程化血管，但血管強(qiáng)度無(wú)法滿足回植要求，讓人們看到了組織工程血管的希望。此后kanayama、jo等用天然膠原、脫細(xì)胞血管支架等天然生物材料作為支架材料構(gòu)建組織工程血管，證明了構(gòu)建tebv的可行性。

此外，matsumura和roh等用人工合成可降解材料pga(聚羥基乙酸)、pla(聚乳酸)、聚l-乳酸(plla)及上述材料共聚物(plga)，p4hb(聚-4-羥基丁酸)等作為支架材料也構(gòu)建除了組織工程血管。

但是，上述組織工程血管均為體外靜態(tài)構(gòu)建，此時(shí)血管細(xì)胞會(huì)喪失部分分化功能，黏附力量低下，導(dǎo)致形成的tebv彈性中膜的強(qiáng)度不夠、內(nèi)皮細(xì)胞層黏附不牢易脫落，而導(dǎo)致血栓形成。因此，在體外構(gòu)建tebv時(shí)，人為施加適宜的力學(xué)刺激成為人們的共識(shí)。合理運(yùn)用脈動(dòng)生物反應(yīng)器在體外模擬體內(nèi)血管的流體力學(xué)環(huán)境，在體外構(gòu)建成能自我分泌細(xì)胞外基質(zhì)、具有一定力學(xué)強(qiáng)度、能夠自我重構(gòu)的功能完整的tebv。

由于心臟是搏動(dòng)血流，頻率低，壓差大，故實(shí)現(xiàn)仿生的體外模擬比較困難。niklason和hoerstrupsp等有類似報(bào)道，將利用蠕動(dòng)泵為動(dòng)力源，設(shè)置一定搏動(dòng)頻率，在組織工程血管反應(yīng)器中成功構(gòu)建組織工程化小血管，并用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，得到的組織工程血管在形態(tài)學(xué)、組織學(xué)與正常血管相似，管腔較為通暢，且血管最大抗張強(qiáng)度相比靜態(tài)培養(yǎng)大幅提升。

但總體上看，目前以蠕動(dòng)泵為動(dòng)力源使得力學(xué)參數(shù)(如血壓和心率等)的調(diào)節(jié)范圍受限，體外模擬的力學(xué)微環(huán)境仿生度不高，大部分的血管重構(gòu)研究主要集中在細(xì)胞層次，研究結(jié)果較難在整體動(dòng)物研究中得到重復(fù)，獲得的tebv的性能尚不滿足臨床使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種仿生脈動(dòng)生物反應(yīng)器，此反應(yīng)器具有參數(shù)(頻率、正/負(fù)向壓力及壓差等)調(diào)節(jié)范圍大，仿生能力強(qiáng)，機(jī)械穩(wěn)定性好，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，有利于組織工程血管研究平臺(tái)的應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種仿生脈動(dòng)生物反應(yīng)器，包括脈動(dòng)生物反應(yīng)器動(dòng)力裝置，脈動(dòng)生物反應(yīng)器動(dòng)力裝置與人工心臟輔助裝置羅葉泵連接，人工心臟輔助裝置羅葉泵與生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)連接，生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)與儲(chǔ)液瓶連接，儲(chǔ)液瓶與人工心臟輔助裝置羅葉泵連接。

上述仿生脈動(dòng)生物反應(yīng)器包括反應(yīng)器器皿，器皿由玻璃反應(yīng)器和硅膠蓋兩部分構(gòu)成，玻璃反應(yīng)器內(nèi)緣處接有對(duì)稱的細(xì)玻璃端口，分別為進(jìn)液口和出液口，兩端玻璃端口由薄壁硅膠管連接。

所述薄壁硅膠管采用外徑4-6mm外徑的硅膠管制作，薄壁硅膠管為中空的管狀結(jié)構(gòu)，外包裹一層可降解人工材料pga，薄壁硅膠管由玻璃器皿內(nèi)緣插入細(xì)玻璃端口，外部管路為不同型號(hào)的接頭與硅膠管構(gòu)成，通過(guò)管道與壓力傳感器和動(dòng)力裝置連接，構(gòu)成一套整體系統(tǒng)。

所述培養(yǎng)器器皿主體，反應(yīng)器高120cm，直徑為110mm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和效果如下：

1)本發(fā)明的仿生脈動(dòng)生物反應(yīng)器用于tebv的構(gòu)建。本發(fā)明由脈動(dòng)反應(yīng)器動(dòng)力裝置、人工心臟輔助裝置(羅葉泵)、組織工程血管反應(yīng)器、儲(chǔ)液瓶和連接管道組成。羅葉泵是一種模仿心臟左室舒縮做功的特殊的容量(容積)泵，驅(qū)動(dòng)一定容積液體在密閉管道上脈動(dòng)形式流動(dòng)。此外，羅葉泵的參數(shù)(頻率、正/負(fù)向壓力及壓差等)調(diào)節(jié)范圍大，仿生能力強(qiáng)，有利于組織工程血管研究平臺(tái)的應(yīng)用。

2)脈動(dòng)反應(yīng)器動(dòng)力裝置構(gòu)建的中心環(huán)節(jié)是兩個(gè)泵——空壓泵和真空泵，分別制造正壓和負(fù)壓。在收縮時(shí)，正壓系統(tǒng)開(kāi)放產(chǎn)生正壓將培養(yǎng)液壓出人工心臟輔助裝置；在舒張時(shí)，負(fù)壓系統(tǒng)開(kāi)放產(chǎn)生負(fù)壓使培養(yǎng)液回流入人工心臟輔助裝置，形成搏動(dòng)性液體。整個(gè)動(dòng)力裝置在無(wú)負(fù)載情況下可以實(shí)現(xiàn)正壓50-300mmhg，負(fù)壓-10mmhg，頻率40-110次/分，基本上能夠滿足要求。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的仿生脈動(dòng)生物反應(yīng)器的構(gòu)成示意圖。

圖2是本發(fā)明的仿生脈動(dòng)生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)組成圖。

圖3是羅葉泵的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。

圖5是生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)的另一結(jié)構(gòu)圖。

圖6是薄壁硅膠管的結(jié)構(gòu)示意圖

10：脈動(dòng)動(dòng)力裝置20：羅葉泵

21：氣相腔體22：液相腔體23：隔膜

30：生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)31：玻璃反應(yīng)器

32：硅膠蓋33：進(jìn)液口34：出液口

35：薄壁硅膠管36：pga(聚羥基乙酸)

40：儲(chǔ)液瓶50：壓力檢測(cè)儀

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1-2所示，本發(fā)明的整體仿生脈動(dòng)生物反應(yīng)器培養(yǎng)分為四個(gè)部分，從左到右分別是：脈動(dòng)(生物反應(yīng)器)動(dòng)力裝置10、羅葉泵20、生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)30、pbsreservoir(儲(chǔ)液瓶40)。該生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)30還可以連接一壓力監(jiān)測(cè)儀50，其連接在羅葉泵20與生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)30連接的管路上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流場(chǎng)壓力，讓其處于適宜范圍內(nèi)。

本發(fā)明在收縮時(shí)，正壓系統(tǒng)開(kāi)放產(chǎn)生正壓將水流壓出人工心臟輔助裝置(羅葉泵20)，在舒張時(shí)負(fù)壓系統(tǒng)開(kāi)放產(chǎn)生負(fù)壓使水流回流入人工心臟輔助裝置(羅葉泵20)，形成搏動(dòng)性液體，將羅葉泵20形成的搏動(dòng)流能量轉(zhuǎn)化成硅膠管35形變的能量形式，最終以硅膠管35的擴(kuò)張收縮形成力學(xué)刺激，刺激接種在硅膠管外可降解人工材料pga36上的種子細(xì)胞增殖、分泌胞外基質(zhì)，形成組織工程血管。

該脈動(dòng)(生物反應(yīng)器)動(dòng)力裝置10提供仿生的壓力、頻率，壓力波形與心電圖近似。且多參數(shù)可調(diào)，例如：收縮壓、舒張壓、收縮時(shí)間比、頻率等。收縮壓范圍從50到300mmhg，舒張壓-10mmhg頻率可以從40次/分到110次/分。所以，該脈動(dòng)動(dòng)力裝置10可以提供多種培養(yǎng)條件，從而方便的在不同條件下培養(yǎng)tebv，從而找出最具有優(yōu)勢(shì)的培養(yǎng)條件。未來(lái)還可以在培養(yǎng)系統(tǒng)中加入剪切力，對(duì)于研究?jī)?nèi)皮細(xì)胞以及平滑肌細(xì)胞的機(jī)制是很重要的。

請(qǐng)參閱圖3所示，該羅葉泵20是一種心室輔助泵，泵內(nèi)分為氣相腔體21、液相兩個(gè)腔體22，由隔膜23隔開(kāi)。該脈動(dòng)動(dòng)力裝置10通過(guò)將氣體泵入氣相腔體21內(nèi)，通過(guò)壓力的增加促使隔膜23運(yùn)動(dòng)，從而改變液相腔體的體積，使得泵的噴射端可以形成射流，且是仿生的流場(chǎng)。當(dāng)壓力降為負(fù)壓時(shí)，隔膜恢復(fù)到初始位置，同時(shí)羅葉泵20回流端因?yàn)楦裟み\(yùn)動(dòng)的關(guān)系，將pbsreservior(儲(chǔ)液瓶40)里的液體抽吸入羅葉泵20的液相腔體21內(nèi)，為下一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備。

所以，運(yùn)用羅葉泵20的優(yōu)勢(shì)就是可以提供仿生流場(chǎng)，而不是其他形式的泵如蠕動(dòng)泵產(chǎn)生一種高頻高壓的流場(chǎng)，從而對(duì)平滑肌細(xì)胞的增殖和遷移可能更有利。我們也對(duì)羅葉泵20的流場(chǎng)進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的計(jì)算流體力學(xué)分析，包括有限元建模與整個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻的流場(chǎng)分析如壓力、泵的形變、流速、流線、跡線等。在培養(yǎng)過(guò)程中，我們實(shí)際可以靈活選用不同的羅葉泵的規(guī)格，泵體容量從10cc到80cc，所以流量可選擇的范圍也很寬。所以實(shí)際上，綜合多種參數(shù)可調(diào)，我們最終可以找到組織工程血管的最適培養(yǎng)參數(shù)，從而更高效率的培養(yǎng)組織工程血管。

如圖4-6所示，該生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)30包括由玻璃反應(yīng)器31和硅膠蓋32兩部分構(gòu)成，玻璃反應(yīng)器31內(nèi)緣處接有對(duì)稱的等長(zhǎng)細(xì)小玻璃管道，分別為進(jìn)液口33和出液口34，兩端玻璃管道由薄壁硅膠管35連接。該薄壁硅膠管35采用5mm孔徑硅膠管制作而成，薄壁硅膠管35為中空的管狀結(jié)構(gòu)，外包裹一層1mm可降解人工材料pga(36)，薄壁硅膠管的內(nèi)徑和外徑均可調(diào)，由玻璃器皿內(nèi)緣插入細(xì)玻璃端口，外側(cè)套硅膠接頭固定。該反應(yīng)器31采用玻璃材料制作，進(jìn)液口33和出液口34的外徑為9mm，反應(yīng)器31的內(nèi)徑為110mm，高120mm。

該薄壁硅膠管35連接生物反應(yīng)器30培養(yǎng)系統(tǒng)的兩個(gè)小端口，通過(guò)脈動(dòng)流場(chǎng)的壓力，促使反應(yīng)器內(nèi)薄壁硅膠管發(fā)生形變，從而讓貼附于硅膠管上的平滑肌細(xì)胞收到力學(xué)刺激，而我們通過(guò)調(diào)整收縮壓、舒張壓、收縮時(shí)間比、脈動(dòng)頻率這幾個(gè)參數(shù)，就可以有效控制脈動(dòng)流場(chǎng)，從而改變生物反應(yīng)器內(nèi)硅膠管的形變規(guī)律。

該pbsreservior(儲(chǔ)液瓶40)采用柔性袋，而非直接與外界空氣接觸的剛性收集器，整個(gè)培養(yǎng)體系除了反應(yīng)器本身給平滑肌細(xì)胞供氧(無(wú)菌)以外，其他部分均與外界隔絕，處于自身密閉體系中，但是柔性袋又保證了整套體系能夠處于大氣壓的基礎(chǔ)下。

本發(fā)明的生物反應(yīng)器系統(tǒng)完全自主設(shè)計(jì)，主要材料為透明玻璃，外形經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，最終手工吹制而成。其外形、尺寸設(shè)計(jì)考慮到細(xì)胞接種密度、細(xì)胞總數(shù)、所需培養(yǎng)基、所需無(wú)菌空氣的比例等因素。封口處的蓋子也是經(jīng)過(guò)特殊考慮，有良好的密封性，并可以過(guò)濾空氣，保證反應(yīng)器內(nèi)空氣無(wú)菌，并可以通過(guò)其進(jìn)行培養(yǎng)液的更換。外部管路為不同型號(hào)的接頭與硅膠管構(gòu)成，通過(guò)硅膠管連接生物反應(yīng)器與脈動(dòng)動(dòng)力裝置，構(gòu)成一套整體系統(tǒng)。

此外，我們的反應(yīng)器是適用于不同口徑的硅膠管，所以可以培養(yǎng)出不同直徑的組織工程血管。本發(fā)明因?yàn)楸旧硎茄苌锓磻?yīng)器，培養(yǎng)參數(shù)可調(diào)范圍大，所以不僅適用于組織工程血管培養(yǎng)，其他應(yīng)用如藥物的測(cè)試，動(dòng)脈疾病的病理過(guò)程(通過(guò)調(diào)整培養(yǎng)參數(shù)達(dá)到類似病人血壓與血流狀態(tài))，干細(xì)胞力學(xué)研究平臺(tái)等多方面重要應(yīng)用。

在性能測(cè)試中，我們的整個(gè)培養(yǎng)體系能夠穩(wěn)定運(yùn)行至少長(zhǎng)達(dá)4周。各個(gè)部位緊密結(jié)合，未出現(xiàn)污染以及漏液。反應(yīng)器內(nèi)的硅膠管形變控制在2％到5％之間，超過(guò)這個(gè)范圍對(duì)于組織工程血管的培養(yǎng)都是不利的。由于所有管路連接都是醫(yī)用級(jí)硅膠管，對(duì)細(xì)胞均無(wú)毒性。且力學(xué)性能好，在脈動(dòng)流場(chǎng)下并不會(huì)跟隨反應(yīng)器內(nèi)硅膠管形變，所以整個(gè)流場(chǎng)的動(dòng)能并不會(huì)因?yàn)橥獠抗苈范鴵p失，流體本身就是水，粘度最低的液體，所以動(dòng)力源、羅葉泵的動(dòng)力可以準(zhǔn)確傳遞給反應(yīng)器內(nèi)硅膠管。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，故凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。