[实用新型]双环路振荡灌注式生物反应系统

说明书

技术领域

本实用新型属于生物医学工程领域，涉及一种使用组织工程技术构建人工组织或器官的生物反应器，尤其是涉及应用于种子细胞与生物材料共培养的双环路振荡灌注式生物反应系统。 

背景技术

 当前组织工程研究主要包括四个方面：种子细胞、生物材料、工程化组织或器官的体内、外构建以及组织工程的临床应用。组织工程的核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体，模拟细胞在体内的立体生存环境，更有助于细胞本质特性的发挥，这与传统的二维培养（细胞培养）方式有着本质的区别。随着三维细胞培养技术的兴起，越来越多的研究着眼于如何提高生物材料内部种子细胞的增殖速率和功能发挥，以便更快、更好的获得满足科研和临床需要的工程化组织或器官。生物反应器以其能够对细胞进行动态三维培养、细胞增殖代谢快、可以模拟体内应力环境等特点得到了越来越多的关注。 

    目前市面上常见的生物反应器有搅拌式生物反应器、气升式生物反应器、旋转壁式生物反应器、膜式生物反应器、灌注式生物反应器等。

    搅拌式生物反应器的主要原理是通过叶轮或搅拌器转动培养液，以此提高培养液内细胞的物质交换效率。它的优点在于确保了细胞培养的氧浓度和培养液内养分的均衡；其缺点是由于搅拌器转动产生的剪切应力很大，在蛋白质含量较高的培养基中易产生大量气泡，因此不适用于组织工程领域细胞和组织的培养。该反应器广泛应用于发酵工业和酶工业。 

    气升式生物反应器的主要原理是在反应器底部设置一个气体喷嘴，外源性空气或者氧气以气泡的形式从下部上升，通过气体上升的过程促进气体交换。它的优点是有较高的传质效率，培养液的浓度较均匀，工作状况柔和，操作简单；其缺点是操作弹性小，尤其是在低流速，反应器高、直径大，高密度微载体培养时，混合性能欠佳。尽管其剪切应力较机械搅拌小，但气泡离开液面破裂瞬间所产生的剪切力仍会对细胞造成损伤。该反应器多应用于动植物细胞的培养研究和生产。

旋转壁式生物反应器的原理是将培养液及培养物共置于2个同轴的内外圆筒之间，在步进电动机的带动下，充满培养液的圆柱形悬浮培养容器和其内的培养物会一起绕水平轴作旋转运动，模拟微重力环境，具有低剪切力、传质效率高，容积利用率高、可进行细胞或组织培养等优点；但缺点在于因为剪切力小，支架内部微孔道内的微环境不能有效得到改善,而且制约其实际操作的因素较多，例如：当需要加快转速提高其传质效果时，转速同时受到抵抗细胞沉降不与内外壁碰撞以及动物细胞脆性的限制；当需要提高氧分压增加液体内溶氧度时，过高的氧分压又会抑制代谢物的排除和产生气泡，影响细胞的正常生长。因此，该反应器很难得到推广应用。 

膜式生物反应器的主要原理是通过一个起传质作用的超滤膜进行气体和物质交换。它的优点是避免了反应器内产生气泡和流体剪切应力，作为一种温和的培养方式，适用于容易受到剪应力破坏的细胞培养；其缺点在于膜的通透性会增加反应系统污染的可能性，而且在高浓度细胞培养时，如果不能及时更新系统内的培养液，仅通过膜交换的方式难以满足大量细胞培养对营养物质的需求。 

    灌注式生物反应器的原理是通过蠕动泵的作用，不断泵入新鲜培养基，泵出代谢废产物，通过对灌流速率的调节可以使细胞之间的物质传递、种子细胞-生物材料复合体内细胞外基质的截留以及流体产生的剪切力之间达到平衡，组织培养性强。但是，如何最大限度地减少非灌流路径和无效循环，提高灌注效率，一直是亟待突破的问题；灌注培养单一平面的应力刺激难以模仿细胞的在体力学环境也是近来的研究热点，即便对生物材料的预处理可以提高工程化组织的构建效率，却在无形中增加了生产成本，不具有普适性；而且，重复灌注同一培养液难免会造成代谢废物的堆积，而不断灌注新的培养液，丢弃含有代谢废物的培养液又会大大提高生产成本，如何通过低成本便可获得高效、质优的工程化组织是生物医学工程领域需要解决的一个难题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种适用于种子细胞和生物材料共培养的双环路振荡灌注式生物反应系统，该生物反应系统在组织或器官体外构建过程中实现了振荡和灌注方法的结合，有效减少了无效循环，保证生物材料内部的种子细胞可以得到充分的物质交换和应力刺激，促进种子细胞增殖和功能发挥，缩短培养周期，提高工程化组织的生产效率；该生物反应系统内灌注换液通路和灌注培养通路两个环路之间可自由切换，降低培养液消耗，节约生产成本；灌注培养装置的圆盘内有多个灌注器，每个灌注器可分别容纳不同种类的多个支架，能够满足大规模分类培养的需要，并且结构简单，易于推广。