使用磁性产生的机械压力进行组织培养制造技术

一种组织培养的方法，包括培养组织生成细胞，同时使组织生成细胞经受磁性产生的机械压力。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及培养细胞的方法，更具体涉及(但并不局限于)培养细胞生成人类或动物组织替代物的方法。本专利技术甚至更具体涉及，但并不局限于，机械应答组织的培养方法。体外培养人类和动物的替代组织是一个重要的发展，该技术是使取自患者的细胞生长为组织，因而该替代组织不会引起排斥问题。可用于替代治疗的替代组织的实例包括结缔组织、骨、软骨、肌腱、胰腺。替代组织不一定仅限于由同一类型的细胞组成，因为该组织除要实现替代外还必须具有符合要求的、尽可能复杂的三维形状。这样，替代组织通常生长在形状合适的支架上或内部，该支架浸没在生物反应器的培养基质中。支架是细胞生长的支撑，其提供了使组织生长为所需的三维形状。培养基质在生物反应器内流动(通常恒定)，保证了在支架上或内部的组织生成细胞持续得到营养的供应，并且细胞的代谢废物被清除。和静态的培养瓶相比，生物反应器中的培养基质的量的增加，使得适合许多不同组织生长的各种不同大小范围的支架可以浸没在培养基质中。培养基质充满了支架，使得支架结构内的所有细胞得益于生存和生长的良好环境。此外，尤其是在对机械力反应的组织中，在培养成为具有全功能组织的过程中，很有必要使组织生成细胞经受机械压力。这样，比如，一些结缔组织如骨、软骨、韧带和肌腱，应该在培养过程中经受机械压力，以获得所需的机械性能。所需压力的大小根据所用细胞类型和所需组织类型而变化，产生这些压力的各种方式是本领域中已知的，包括对细胞的直接机械刺激和水力加压系统。所述前一方法用滚筒或类似物压迫细胞，而后一方法在培养基质中增加脉冲压力，给生物反应器中的细胞提供机械刺激。但是，以机械方式刺激细胞产生功能组织的已知方法还没有一种可令人十分满意地用于多种类型组织，如骨、肌腱和韧带等。直接的机械刺激方法很麻烦，给细胞培养所需的无菌条件造成了困难。水力压缩方法通常无效。而且，所有以前的方法都有一个缺点，即在任一时刻，施加在所有培养细胞上的压力大小只有一种，(通常比细胞水平所需的压力要大得多)，而且细胞生长所用的支架自身必须有相当大的机械抵抗力来承受施加在其上的压力。所以本专利技术的一个目标是消除或减小上述的缺点。按照本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种组织培养的方法，该方法包括组织生成细胞生长的同时，向该细胞施加由磁性产生的机械压力。这样按照本专利技术，磁性产生的压力被施加到组织生成细胞上，以保证生产出全功能的组织。本专利技术的方法可以用于体外培养患者移植用组织。如果在体外实施，最好将组织生成细胞在三维支架上或其内部培养，较优选的方式是培养在有组织培养基流动穿过的生物反应器中。其它类型的组织培养容器也可以应用。本专利技术的方法也可用于在患者体内进行原位新生组织的培养。所述压力可由磁性材料产生，磁性材料响应施加在生物反应器中的磁场产生力，并将该力传递给培养中的组织生成细胞，从而给该细胞施加了所需的压力。在本专利技术的优选的实施例中，磁性材料以微米级或纳米级的微粒附着在组织生成细胞上，较优选的为磁性材料包被的微米或纳米级微粒。另一种选择是，磁性材料可以是掺入培养基中的铁磁流体。另外还可联合使用铁磁流体和附着在细胞上的磁性材料。不考虑使用的特定磁性材料，通过随时间变化的磁性梯度或均一的磁场来调节磁性材料的运动，从而给组织生成细胞重复地施加压力。所述压力可以在强度和施加方向两方面精确变动，从而可使组织生成细胞能接受到所需的压力，确保生成全功能组织。这些可通过改变同一支架不同区域(或不同的支架)的不同细胞上附着的微粒的磁性来实现，或通过在梯度磁场中应用磁场强度的空间变化来实现。磁场可以在某一个频率范围内变化，比如0.1-10赫兹，但是，也可使用该范围以外的频率。常用的磁场通量密度范围为(但不限于)10mT到1400mT。施加在细胞上的压力的大小范围为(但不限于)0.1到100皮牛(piconewtonpN)，所施加压力的方向可由磁性材料在施加的磁场中的直线迁移(linear transitional motion)(由于有梯度，所以微粒无需磁阻隔(magnetically blocked))，或者旋转运动(由于微粒的磁化载体和磁场的夹角，因而必须是磁阻隔微粒)决定。本专利技术的显著的进步是(如所示)容易控制施加压力的大小和方向，同时保持体外无菌条件，例如在生物反应器中或体内，这一现象的原因是磁场变化可以遥控。而且，细胞水平产生的压力通常很小，(例如，几个皮牛)，如此，任何支架(组织生成细胞在其上或内生长)不需要强化的机械性能。本专利技术的方法可以用来在生物反应器中和体内生产各种类型的组织，在体内则需要机械施压(mechanical loading)或活化对机械力敏感的离子通道。这包括(但不限于)结缔组织比如骨、软骨、韧带和肌腱。待培养的细胞的活组织检查可以通过标准程序进行。本专利技术的方法也可用于由至少两种不同类型组织构成的组织构件，例如骨和软骨。也可用间叶细胞样的干细胞作为来源，这些干细胞在支架上或内部原位分化为软骨细胞或骨细胞。如上所述，本专利技术的优选实施方案包括将微米或纳米级的磁性微粒附着在组织生成细胞上，目的是施加所需的压力。可以先将微米和纳米级的磁性颗粒功能化并附着于组织生成细胞上，然后将该组织生成细胞种植在供组织生长于其上或其中的支架上。这样，例如，微米和纳米级的颗粒可以以粘连分子包被，比如纤连蛋白分子和RGD分子用于附加在细胞上。微米和纳米级的微粒(打算附加在细胞上)是球形或椭圆形的，直径在10nm到10um范围内。附加到细胞上的微粒可以包被或不包被，有一个或多个磁畴，合适的微粒包括但不限于(i)包被的磁性微球(d＝4cm)从Spherotech公司获得。这些微球体由磁性被封闭的核心和包被其的聚合物组成。(ii)单磁畴，涂抹有铁酸盐的二氧化硅纳米颗粒，大小可调(d＝50-300nm)，并且大小分布范围窄。但是，磁性材料并不一定要微粒状，而且也不一定要附着在细胞上。例如，对于生物反应器或体内有充足培养基时，可以让培养基中包含铁磁流，该铁磁流在梯度磁场的作用下产生的力作用于所培养的细胞。铁磁流体可以是，例如，PVA/磁铁矿纳米颗粒级的铁磁流体(d＝4-10nm)。也可将附着在细胞上的微粒和铁磁流体联合使用。生物反应器可以是，例如，现有生物反应器的改进，例如profusion，旋转瓶(spinner flask)，水力加压和旋转容器系统。为方便起见，让磁场产生在组织培养容器的外部(如果所述方法是在体外应用)，或者当该方法在体内应用时，让磁场产生在体外。磁场可由永久磁铁或电磁铁产生。为了产生可变化的磁场，永久磁铁可相对于培养的细胞移动。因此，在生物反应器中，所述运动可以，例如，沿着反应器的纵轴进行，朝向和远离反应器或围绕反应器运动。这些运动也可结合使用。和永久磁铁方式相同，在电磁铁中，给电磁铁提供合适水平的电流并有选择的和电磁铁的运动结合可以产生变化的磁场。可以使用并可购买到的磁铁的实例包括钕-铁-硼和钐-钴永久磁铁，它们能够产生所需的磁场梯度和磁通量密度。它们可以几何学上制作，并磁化成为所需的规格，并在表面产生的磁通量密度高于1T(10,000高斯)。可用的电磁铁的实例包括冷冻、超导的磁性线圈，该线圈可以产生几个特斯拉的磁场。施加在细胞上的磁力通常从0.1到10pN(如前本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组织培养方法，该方法包括在培养组织生成细胞的同时，向所述组织生成细胞施加机械压力，其特征在于所述机械压力是由磁性产生。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：艾丽西亚詹尼弗哈菲兹艾尔一哈吉，乔恩保罗多布森，
申请(专利权)人：基尔大学，
类型：发明
国别省市：GB[英国]