本发明专利技术公开了一种细胞及器官体外3-D培养装置及人工器官培育的方法，涉及微生物学技术领域，该装置包括培养室、3-D运动摇箱，以及分别与培养室连通的条件培养液循环系统和气体交换系统，还包括多自由度运动机构。该方法包括利用细胞及器官体外3-D培养装置模拟人体器官生长发育的动态环境培育人工器官。本发明专利技术通过设置3-D运动摇箱较真实的模拟了人体细胞或器官在母体内发育胎儿的生长微环境，提高各种子干细胞在体外3-D培养中生长和分化为功能性细胞的效率，为细胞体外3-D培养提供一个简单、经济、温和、立体、营养全面的生长微环境，实验表明采用本装置进行人体器官体外培育的方法是可行的，可以进行临床推广应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微生物学
，涉及一种细胞及器官体外3-D培养装置及人工器官的培育方法。
技术介绍
为避免细胞或组织在二维(2-D)生长过程中逐渐失去许多原组织生理特征的弊端，人们专利技术了体外三维(3-D)培养。目前采用的体外3-D培养装置主要采用生物反应器(Bioreactor，BR)，是指利用酶或生物体(如微生物)所具有的生物功能在体外提供生物活性环境的装置系统或工程设备。根据培养细胞、培养载体、培养液混合方式的不同BR主要分为搅拌式、气体式、中空纤维式、回旋式(空间BR)等。根据结构的不同BR分为旋转技术结合普通37℃ 5％CO2细胞培养箱的箱体结构；循环培养装置和普通37℃ 5％CO2细胞培养箱的箱体结构、循环培养装置和普通37℃ 5％CO2细胞培养箱各自独立装置和循环培养结合气体交换密闭式装置。此外，与BR配套的辅助技术还有灌注培养式、微载体式、多孔微球式等。然而，从经济效益考虑，这些BR普遍存在成本高、设备复杂等。例如从功能角度搅拌式BR的搅拌桨叶产生的剪切力可对细胞造成损伤；中空纤维式BR的培养环境不均一、培养工艺不易放大、消毒重复使用困难等；从结构角度分析，结构一装置造价昂贵，体积庞大，无疑增加了对仪器购买及使用的难度；结构二装置除造价昂贵，体积庞大外，装置中3-D培养管是固定存在培养箱中的，不能进行旋转，无法很好实现细胞或组织类似于人体发育过程这样一个自然悬空运动生长的立体培养功能，导致人工器官功能缺失或发育不良；结构三装置中虽然摇摆或旋转系统可使细胞3-D培养在动态过程中，但由于3-D培养管置于培养箱外，大大增加了污染机率，循环培养结合气体交换密闭式装置则要求造价较高的高级别周围培养氛围。为克服上述问题，急需对现有的培养装置进行结构改进，改进的装置既可模拟胎儿在母体胎盘羊水发育过程中的复合运动，又可进行代谢物质的循环交换，既可充分满足细胞高密度增值需要，又可保证细胞高效分泌，为细胞或器官体外培育提供一个简单、经济、温和、立体、营养全面的3-D生长微环境，促进细胞再生和人工器官的生成。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一是提供一种细胞及器官体外3-D培养装置，以解决现有技术无法真实模拟人体器官生长微环境导致人工器官存在发育不良、功能缺失、培育效率低的问题。本专利技术的目的之二提供采用上述细胞及器官体外3-D培养装置进行人工培育器官的方法。本专利技术的目的之一是通过以下技术方案实现的：本专利技术的细胞及器官体外3-D培养装置，包括培养室、可做复合运动的3-D运动摇箱，以及分别与培养室连通的条件培养液循环系统和气体交换系统，所述培养室通过弹性部件可拆卸的悬挂于3-D运动摇箱内，还包括设置在3-D运动摇箱一侧或两侧的多自由度运动机构。进一步，所述培养室的培养环境：温度为37℃；湿度为95～98％；含体积分数为5％CO2的空气；酸碱p H值为7.2-7.4。进一步，所述多自由度运动机构包括纵向旋转机构、水平旋转机构和设置在两者之间的多功能连接结构，所述条件培养液循环系统及气体交换系统通过多功能连接结构与外界连接进行培养液及气体交换。进一步，所述纵向旋转机构包括纵向旋转轴和调速电机I，所述纵向旋转轴的一端与3-D运动摇箱固定，另一端与调速电机I的主轴固定。进一步，所述水平旋转机构包括水平旋转架、水平旋转轴和调速电机II，所述水平旋转架的一端与纵向旋转轴的一端转动连接，另一端与水平旋转轴的一端转动连接，所述水平旋转轴的另一端与调速电机II的主轴固定。进一步，所述水平旋转架与纵向及水平旋转轴的连接处均设置有多功能连接结构。进一步，所述多自由度运动机构设置在3-D运动摇箱的两侧，所述多自由度运动机构还包括固定设置在3-D运动摇箱另一侧的纵向从动轴，所述纵向从动轴与水平旋转架之间设置有多功能连接结构。进一步，所述多功能连接结构包括可转动且密封套装于纵向或水平旋转轴外圆面的活动套、设置在活动套与纵向或水平旋转轴之间的密封腔、设置在活动套与纵向或水平旋转轴之间的滚动轴承，以及设置在水平旋转轴、水平旋转架、纵向旋转轴和纵向从动轴内的条件培养液循环通道和气体交换通道，所述密封腔通过条件培养液循环通道及气体交换通道分别与培养室连通。进一步，所述培养室内均匀间隔设置有多个弹性材料制成的挡板，所述挡板的头部设置具有圆弧顶部的弹性缓冲薄膜。进一步，所述弹性部件为弹簧或橡胶或其它弹性件。进一步，所述培养室包括室体和可将室体密封固定的室盖，所述室盖设置有与室体相互嵌合的卡合结构，所述室体设置有与卡合结构相匹配的卡合配合结构。进一步，还包括用于对本培养装置进行全自动控制的PLC控制系统和信息显示系统。本专利技术的目的之二是通过以下技术方案实现的：采用如上所述体外细胞及器官3-D培养装置培育人工器官的方法，利用细胞及器官体外3-D培养装置模拟人体器官生长发育的动态环境培育人工器官。进一步，所述人体器官生长发育的动态环境包括：将种子细胞的天然去细胞的整体器官支架弹性地悬挂于3-D培养装置内，在37℃、体积分数为5％CO2条件下分阶段培养，第一阶段1～7天，第二阶段8～14天，第三阶段15～21天，采用24h动态培养，白天先水平向左360°旋转,后水平向右360°旋转，晚上采用纵向旋转和水平旋转相结合的复合3-D旋转，白天转速为20～40rpm/min，晚上转速小于20rpm/min，每三天换培养基一次,每阶段更换不同的培养基。本专利技术的有益效果：1、本专利技术的的细胞及器官体外3-D培养装置，通过设置3-D运动摇箱模拟胎儿在母体胎盘羊水发育过程中的人体发育复合运动，并通过培养室弹性的设置在摇箱内模拟培养物在人体内悬吊过程中的简谐运动，较真实的模拟了人体细胞或器官在发育过程中的生长微环境，提高各种种子细胞的分化为成熟细胞密度及培养效率，为细胞或器官的体外3-D培养提供一个简单、经济、温和、立体、营养全面的生长微环境，加速体外人工器官生成，该装置与现有技术相比，具有明显的成本优势和推广价值。2、通过多功能连接结构实现介质输入系统与转轴之间可相对转动的目的，再由于将各介质通道设置在转轴上，3-D运动摇箱与培养室实现生长环境所需介质(培养液及37℃ 5％CO2气体)与培养室连通和交换，解决了多自由度转动过程中输入管道缠绕的问题。3、本专利技术培育人工器官的方法，由于该装置真实模拟人体细胞或器官的生长发育微环境，可以实现对各种人体器官的体外培育和重建。利用本专利技术的方法培养形成的肝脏样组织仅需3周时间，比近期报道采用BR方法体外诱导D本文档来自技高网...
【技术保护点】
细胞及器官体外3‑D培养装置，其特征在于：包括培养室、可做复合运动的3‑D运动摇箱，以及分别与培养室连通的条件培养液循环系统和气体交换系统，所述培养室通过弹性部件可拆卸的悬挂于3‑D运动摇箱内，还包括设置在3‑D运动摇箱一侧或两侧的多自由度运动机构。
【技术特征摘要】
1.细胞及器官体外3-D培养装置，其特征在于：包括培养室、可做复合运动的3-D运动摇
箱，以及分别与培养室连通的条件培养液循环系统和气体交换系统，所述培养室通过弹
性部件可拆卸的悬挂于3-D运动摇箱内，还包括设置在3-D运动摇箱一侧或两侧的多自
由度运动机构。
2.根据权利要求1所述的细胞及器官体外3-D培养装置，其特征在于：所述培养室的培养
环境：温度为37℃；湿度为95～98％；含体积分数为5％CO2的空气；酸碱pH值为7.2-7.4。
3.根据权利要求1所述的细胞及器官体外3-D培养装置，其特征在于：所述多自由度运动
机构包括纵向旋转机构、水平旋转机构和设置在两者之间的多功能连接结构，所述条件
培养液循环系统及气体交换系统通过多功能连接结构与外界连接进行培养液及气体交
换。
4.根据权利要求3所述的细胞及器官体外3-D培养装置，其特征在于：所述纵向旋转机构
包括纵向旋转轴和调速电机I，所述纵向旋转轴的一端与3-D运动摇箱固定，另一端与调
速电机I的主轴固定。
5.根据权利要求4所述的细胞及器官体外3-D培养装置，其特征在于：所述水平旋转机构
包括水平旋转架、水平旋转轴和调速电机II，所述水平旋转架的一端与纵向旋转轴的一
端转动连接，另一端与水平旋转轴的一端转动连接，所述水平旋转轴的另一端与调速电
机II的主轴固定。
6.根据权利要求5所述的细胞及器官体外3-D培养装置，其特征在于：所述水平旋转架与
纵向及水平旋转轴的连接处均设置有多功能连接结构。
7.根据权利要求6所述的细胞及器官体外3-D培养装置，其特征在于：所述多自由度运动
机构设置在3-D运动摇箱的两侧，所述多自由度运动机构还包括固定设置在3-D运动摇
箱另一侧的纵向从动轴，所述纵向从动轴与水平旋转架之间设置有多功能连接结构。
8.根据权利要求7所述的细胞及器官体外3-D培养装置，其特征在于：所述多功能连接结
构包括可转动且密封套装于纵...
【专利技术属性】
技术研发人员：白莲花，帅领，赖洁娟，张玉君，赖向东，张宏宇，别平，
申请(专利权)人：中国人民解放军第三军医大学第一附属医院，
类型：发明
国别省市：重庆;85
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