生物组织工程血管发生装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了生物组织工程血管发生装置，包括微型直流调速电机，圆柱摩擦轮传动系统，旋转式血管反应器，血管基质支架，血管内皮种子细胞培养罐，血管壁种子细胞培养罐，恒温水浴箱，可编程脉冲蠕动泵，混合气瓶，过滤器，本装置所构建的血管要具有含成纤维细胞外膜、平滑肌细胞中膜和内皮细胞内膜的三层构造，达到或接近正常血管的力学特性和生物学活性。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于生物组织工程制备装置，特别涉及生物组织工程血管发生装置。
技术介绍
目前生物组织工程血管主要在生物反应器中构建，现有技术和装置仍在实验研究 阶段，尚未出现可以工厂化生产的解决方案。现将该领域研究水平和技术难题列举如下(1)血管的三维培养传统的单层细胞培养细胞呈二维方式生长，其生长状态、生物学特征和增殖代谢 与体内生长差异很大，无法满足生物组织工程学的要求。因此，近年来发展起来的血管三维 培养技术是血管组织工程的重要技术。目前对血管种子细胞，尤其是构成血管壁的血管平 滑肌细胞，三维培养方法主要依赖细胞外基质作为支架，提供活细胞在体外生长所需的支 持物，为细胞生长创造三维空间，便于细胞黏着、生长和新陈代谢。制备支架的材料包括胶 原、纤维结合蛋白等天然材料和聚乙醇酸、聚乙交酯等人工合成材料。这些材料与种子细胞 混合后形成胶体，置入培养板中在孵箱内培养。这种血管种子细胞与支架材料混合培养的方式虽然解决了三维生长的问题，但仍 然无法真实模拟血管在体内的生长环境。首先，由于重力原因，细胞无法在支架中均勻生 长；再者，细胞融入凝胶之中会增加与培养液的接触距离，导致细胞营养供应不上，还会使 代谢废物堆积，影响细胞生长；另外，如果支架材料不可分解，就会造成已成型血管与基质 分离困难，不利于自动化生产。(2)血管组织动态培养与静态种植比较，动态培养在前者细胞附着的数量、分布的均勻度、生长情况和纤 维蛋白的沉积都具有优势。目前的动态培养多采用体外模拟生物体内反应，即生物反应器 内的培养。生物反应器能兼顾器官培养所需的传热、传气、营养供给和流体动力条件，当前 应用较多的是旋转式器官培养装置，基本能满足血管的三维培养需要。但现有的生物反应器本身是为细胞的动态培养设计，不能达到组织工程血管生产 的要求。一是生物反应器只能培养单种细胞，而生产血管需要多种细胞共同参与；二是旋转 式生物反应器无法真实模拟血管承受的流变力、切应力、脉冲压等流体动力学条件；三是器 形多为竖桶或圆皿状，不利于血管支架的置入与和成品血管的取出。(3)血管三层结构的建立理想的血管应当具备成纤维细胞构成外膜、平滑肌细胞构成的中膜和内皮细胞构 成的内膜等三层结构。目前建立组织工程血管结构的方法主要有三一是采取在人工血管 内表面种植内皮细胞的方法，以纤维蛋白胶预衬人工血管，将内皮细胞制成悬液灌入，置入 孵箱内静态培养；二是在毯状血管基质上种植多层细胞，先种植血管壁细胞，再在其上层种 植内皮细胞，置入生物反应器中动态培养，使用时缝合成管状；三是在血管支架材料上种 植可以分化为多种血管组织的干细胞，培养装置多为自制的反应器，模拟动脉搏动等血流 条件。3以当前技术构建的血管难以形成理想的三层结构，并且可能出现以下问题一是 种植的内皮细胞层不够牢固，不能耐受血流的冲刷，脱落后会引起继发性的血栓形成，降低 其远期的通畅率；二是在体外静态下形成的组织工程血管缺乏足够的弹性中膜支撑，不能 达到或接近正常血管的结构强度；三是需要复杂的后期加工或者诱导干细胞分化过程，不 利于形成工厂化生产；四是反应装置需要置入孵箱，对器形、气路、电路限制较多，且开放式 的生产环境增加污染机会。现有的生物组织工程血管生产方案具有如下不足一是无法满足生产血管所具备 的三维空间构造，生产过程无法模拟血管在体内承受的流体动力学环境，因此难以在体外 构建出理想的组织工程血管；二是无法承载两种以上种子细胞同时生长，因此也就无法生 成包含三层结构并各具活性的血管组织架构；三是生产过程整合程度不高，往往包含数个 独立的操作，既不利于形成工厂化生产，也给不便于标准化控制。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种生物组织工程血管的反应装置，能提供生物组织 工程血管构建实验室生产的全过程解决方案，并有放大形成工厂化生产的潜力。所构建的 血管要具有含成纤维细胞外膜、平滑肌细胞中膜和内皮细胞内膜的三层构造，达到或接近 正常血管的力学特性和生物学活性。本技术的技术方案是这样实现的微型直流调速电机通过齿轮与圆柱摩擦轮传动系统连接，圆柱摩擦轮传动系统与 旋转式血管反应器紧贴，带动其旋转；血管基质支架在旋转式血管反应器的中间，与其构成 同心圆筒关系；血管内皮种子细胞培养罐和血管壁种子细胞培养罐嵌入进恒温水浴箱；血 管内皮种子细胞培养罐的吸液管道与血管基质支架的进液口、出液口与回流管道连接；血 管壁种子细胞培养罐的吸液管道与旋转式血管反应器的外圈进液口、外圈出液口与回流管 道连接；两个可编程脉冲蠕动泵分别搭载在血管内皮种子细胞培养罐的吸液管道与血管基 质支架的进液口、血管壁种子细胞培养罐的吸液管道与旋转式血管反应器的外圈进液口的 硅胶管道上；混合气瓶与过滤器连接，过滤器分别与血管内皮种子细胞培养罐和血管壁种 子细胞培养罐的进气管道连接。血管内皮种子细胞培养罐的吸液管道与血管基质支架的进液口、出液口与回流管 道用硅胶管连接。血管壁种子细胞培养罐的吸液管道与旋转式血管反应器的外圈进液口、外圈出液 口与回流管道用硅胶管连接。混合气瓶与过滤器用加强软管连接。在初步试验中，以兔腹主动脉脱细胞基质作为血管基质材料，以培养的大鼠主动 脉内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞作为种子细胞，经过15 20天的反应，生产除了生 物组织工程血管。经检测表明，具备以下特征(1)石蜡切片、HE染色、光镜观察表明具备外膜、中膜、内膜三层结构，与天然血管 结构相似；(2)所制备的血管爆破压达到天然血管(兔腹主动脉)的43%，断裂强度达到 38%，应变率为比天然血管高出观％，基本达到体内移植的要求；(3)血管对乙酰胆碱的最大收缩率为19. 23%、肾上腺素最大收缩率为34. 13%, 表明具有一定的生物学活性。附图说明图1是本技术生物组织工程血管发生装置结构示意图；图2是本技术旋转式血管反应器结构示意图；图3是本技术旋转式血管基质支架结构示意图。具体实施方式参照附图所示，微型直流调速电机1、圆柱摩擦轮传动系统2、旋转式血管反应器3 均固定于平板上，按图示安装齿轮，组装传动系统的三个摩擦轮，调整反应器圆筒高度，使 之与摩擦轮紧密接触；分别安装血管内皮种子细胞培养罐5和血管壁种子细胞培养罐6顶端的三根管 路，拧紧罐盖后反向旋1/4圈(留出进气缝隙)，然后将两个罐子放入恒温水浴箱中7 ；用加强硅胶软管将气体由混合气瓶9的减压阀处引出，连接到过滤器10上，除菌 后的气体经软管分别连接到两个培养罐的气体管路上；液体管路均为专用硅胶软管，构成两个循环一是从血管内皮种子细胞培养罐5 的吸液管路引出，连接到反应器左端的血管支架进液口，液体经过血管基质后从右侧出液 口引至该罐的回流管路；二是从血管壁种子细胞培养罐6的吸液管路引出，连接到反应器 左端底侧的进液口，液体经过反应器外筒后，从右侧顶端的出液口引至该罐的回流管路；在两个循环的培养罐吸收管路与进液口之间的软管上，各搭载一个可编程脉冲蠕 动泵8，软管按照蠕动泵使用说明绕于泵头之中。应用该装置生产生物组织工程血管的流程如下(1)选择或制备血管基质，可以为适合细胞生长的人工合成材料，也可以为经脱细 胞处理的天然血管基质，部分市售人工血管亦可作为基质；(2)选择种子细胞，一般血管内皮种子细胞为成本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．生物组织工程血管发生装置，包括微型直流调速电机（１），圆柱摩擦轮传动系统（２），旋转式血管反应器（３），血管基质支架（４），血管内皮种子细胞培养罐（５），血管壁种子细胞培养罐（６），恒温水浴箱（７），可编程脉冲蠕动泵（８），混合气瓶（９），过滤器（１０），其特征在于，微型直流调速电机（１）通过齿轮与圆柱摩擦轮传动系统（２）连接，圆柱摩擦轮传动系统（２）与旋转式血管反应器（３）紧贴，带动其旋转；血管基质支架（４）在旋转式血管反应器（３）的中间，与其构成同心圆筒关系；血管内皮种子细胞培养罐（５）和血管壁种子细胞培养罐（６）嵌入进恒温水浴箱（７）；血管壁种子细胞培养罐（６）的吸液管道与旋转式血管反应器（３）的外圈进液口、以及外圈出液口与回流管道连接；混合气瓶（９）与过滤器（１０）连接，过滤器（１０）分别与血管内皮种子细胞培养罐（５）和血管壁种子细胞培养罐（６）的进气管道连接。

【技术特征摘要】
1.生物组织工程血管发生装置，包括微型直流调速电机(1)，圆柱摩擦轮传动系统 O)，旋转式血管反应器(3)，血管基质支架G)，血管内皮种子细胞培养罐(5)，血管壁种子 细胞培养罐(6)，恒温水浴箱(7)，可编程脉冲蠕动泵(8)，混合气瓶(9)，过滤器(10)，其特 征在于，微型直流调速电机(1)通过齿轮与圆柱摩擦轮传动系统( 连接，圆柱摩擦轮传动 系统( 与旋转式血管反应器C3)紧贴，带动其旋转；血管基质支架(4)在旋转式血管反应 器(3)的中间，与其构成同心圆筒关系；血管内皮种子细胞培养罐( 和血管壁种子细胞培 养罐(6)嵌入进恒温水浴箱(7)；血管壁种子细胞培养罐(6)的吸液管道与旋转式血管反 应器⑶的外圈进液口、以及外圈出液口与回流管道连接；混合气瓶(9)与过滤器(10)连 接，过滤器(10)分别与血管内皮种子细胞培养罐( 和血管壁种子细胞培养罐(6)的进气 管道连接。2.根据权利要求1所述的生物组织...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘毅，牛雯，罗颖，刘曼玲，王瑞安，
申请(专利权)人：中国人民解放军第四军医大学，
类型：实用新型
国别省市：87