具有组织流控制和实时成像兼容性的灌注生物反应器

具有组织流控制和实时成像兼容性的灌注生物反应器
1.本技术是申请号为cn201480021924.8，申请日为2014年4月17日，发明名称为“具有组织流控制和实时成像兼容性的灌注生物反应器”的发明的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求2013年4月18日提交的美国临时申请61/813,378号的权益，并要求2013年7月23日提交的美国临时申请61/857,490号的权益。
4.关于联邦资助研究的声明
5.本发明在美国政府基金号nycpf cu11-1915的支持下完成。美国政府具有本发明中的某些权利。
6.本公开主题的背景
技术领域
7.本公开的主题涉及用于组织工程和获取的系统和设备。特别地，本公开的主题涉及利用灌注生物反应器室(perfusion bioreactor chamber)来工程化宽范围的组织，从而允许控制长时间培养期间流体穿过或围绕各种形状、结构和拓扑结构支架材料的分布。
8.在组织工程领域，本公开内容大幅简化并改进了技术，从而优化用于移植和科研的形状复杂、多相组织的性质，并且能够在不中断培养的情况下加深对于组织生长的了解。


技术实现要素：

9.根据本发明的一方面，提供一种生物反应器培养室。生物反应器培养室包括支架、至少一个pdms块、多个歧管(manifold)和多个流体路径块(fluid routing block)。流体路径块用流体路径结构零件来构造。流体路径块构造为嵌套在歧管中。生物反应器培养室还包括壳体(case)。该壳体设置在支架、pdms块和多个歧管的外部。
10.根据本发明的另一方面，提供一种生物反应器培养室。生物反应器培养室包括块体。该块体具有至少一个侧面、大致位于中心的腔。块体具有从所述至少一个侧面向所述大致位于中心的腔延伸的多个通道。生物反应器培养室包括流体路径歧管(fluid routing manifold)。流体路径歧管包括入口和出口。流体路径歧管与多个通道以流体连通。生物反应器培养室包括围绕流体路径歧管的外部所设置的外壳(enclosure)。
11.在一些实施方案中，外壳实质上为管状。在一些实施方案中，块体包含pdms。在一些实施方案中，外壳对流体路径歧管施加压缩力。在一些实施方案中，将多个通道构造为使得多个通道的每一个具有实质上相同的流路阻力(flow path resistance)。在一些实施方案中，生物反应器培养室包括设置在大致位于中心的腔内的支架。在一些实施方案中，支架包含多个细胞。在一些实施方案中，入口与储蓄池(reservoir)以流体连通。在一些实施方案中，储蓄池包含营养液。在一些实施方案中，x射线实质上透过块体和外壳。在一些实施方案中，mri实质上透过块体和外壳。在一些实施方案中，生物反应器培养室包括具有入口和出口的另外的流体路径歧管。在此类实施方案中，外壳围绕着另外的流体路径歧管的外部设置。在一些实施方案中，支架和大致位于中心的腔实质上形状相同。
附图说明
12.参照下文简述的附图，对本文所述主题的各个方面、特征和实施方案进行详细说明。附图是示例性的，而且并不必然是按比例作图，并且为了清晰而放大了一些部件和特征。附图说明了本主题的各个方面和特征，并且可全部或部分说明本主题的一个或多个实施方案或实施例。
13.图1是根据本公开主题的生物反应器培养室部件的分解视图的示意图。
14.图2是图1的生物反应器培养室组装后的示意图。
15.图3是根据本公开主题的双培养基灌注的示例性实施方案的示意图。
16.图4a-b是显示流动模拟的计算流体动力学标绘图，其可确定所需的流体流动方案，并设计pdms块。
17.图5是根据本公开主题的示例性pdms块制造技术的分解视图的示意图。
18.图6是图5的组装的pdms块制造的示意图。
19.图7是根据本公开主题的另一示例性pdms块制造技术的分解视图的示意图。
20.图8是根据本公开主题的歧管的可选实施方案的示意图。
21.图9是图8的实施方案的正视图。
22.图10是根据本公开主题的歧管的可选实施方案的示意图。
23.图11是根据本公开主题的pdms块的可选的实施方案。
24.图12是根据本公开主题的生物反应器培养室的可选实施方案的部件的分解视图示意图。
25.图13是根据本公开主题的供骨软骨异体移植物保持细胞活力的系统的图示。
具体实施方式
26.将对本公开主题的示例性实施方案进行详细引证，其实例在附图中说明。将结合系统的详细记述来描述本公开主题的设备和相应方法。
27.本文提出的方法和系统可用来设计和利用灌注生物反应器室来工程化宽范围的组织，从而允许控制长时间培养时流体穿过或围绕各种形状、结构和拓扑结构的支架材料的分布。本文公开的生物反应器也允许使用两种或更多种不同的培养基(例如，用来帮助复合组织的形成)、控制组织内部的氧浓度，以及不中断培养而实时成像(例如，通过μct、mri)。
28.生物反应器培养室的示例性实施方案示于图1，并且包括五个主要部件。这些部件包括：复合支架(complex scaffold)100，聚二甲基硅氧烷(pdms)块200，两个流体路径歧管300、400，和壳体500。为组装生物反应器，将支架100插入为匹配结构形状而专门制造的pdms块200。pdms块200夹在两个流体路径歧管300、400之间，而管状外壳500在组件上滑动，提供压缩力来将所有单独的部件紧密地封闭在一起(如图2所示)成为组装单元1000。流体路径歧管300、400设计为具有供培养基灌注的多个接口。
29.图3示出流体路径歧管300、400，其具有允许引入两种不同类型流体310、320(“培养基#1”和“培养基#2”)的两个入口301、302和两个出口401、402(其中流动的方向用箭头指示)。流体路径歧管300、400在空间上将流动的流体分配至pdms块200的不同区域和支架100。
30.大型结构要求良好控制的营养供给，以支持细胞活力并刺激组织形成。为控制培养基灌注，根据局部支架厚度来调整pdms块200中的通道330的大小并定位，以提供贯穿支架的所需的流体流动方案。
31.图4描述对使用计算流体动力学的数据计算和可视化技术预测的给定设计进行流动模拟。例如，在不同位置具有不同厚度的符合解剖形状的支架中，为获得接近均质的流体流动速度，较大直径的通道可放置在较厚的区域，而较小直径的通道放置在较薄的区域，以这样的方式提供精确相同的流路阻力。另外地或可选择地，可规定任一区域中通道的间距(例如对特定的细胞类型和密度)来提供例如组织空间中的氧所需的基本浓度。
32.灌注通道的数量、大小和布局可通过计算流动动力学建模来确定，以获得所需的流体流动的分布方案。如图5所示，对于给定的实施方案，一旦确定了通道的分布和大小来提供流体流动所需的方案，就可产生用来产生pdms块的模具。在示出的示例性实施方案中，pdms块制造技术包括四个部件：具有预定通道的两个壳体210、220；具有预定通道的支架形状的阳模230；和各种大小的杆240。模具用来产生pdms块200。
33.支架形状的阳模和包含供通道用的预定孔的外部壳体可通过3d打印或机械加工来制造。如图6所示，多个杆240通过外部壳体210、220的预定的孔插入支架形状的阳模。将pdms注入两个壳体之间的空隙并固化，以产生具有预定通道的pdms阴模。然后除去杆来产生具有各种大小和位置的通道，切割pdms块，并除去支架形状的阳模。
34.根据本发明的另一方面，并且为了说明而非限制的目的，用于组装此生物反应器的材料为硅酮和塑料，例如聚碳酸酯和聚醚酰亚胺(例如ultem)，以实现ct或mri中的监测兼容性。整个室可放置在成像机器中，而不必在成像期间除去或开启任何需要无菌的部分。
35.如图7所示，制造pdms块的另外的方法通过将pdms浇铸在低熔化温度材料(例如蜡)中的歧管通道的3d打印结构上而完成。此处，将蜡或可溶性材料通过3-d打印来产生阳模250。将该模具插入壳体260，并可从顶部注入pdms。一旦固化，升高温度以将蜡从pdms清除，从而形成pdms歧管。同样的过程也可用可溶性材料(例如水溶性)来完成。
36.根据本发明，本文公开的系统和方法提供多种优点。本发明能够设计控制一种或多种培养基在pdms块中的空间分布的流体路径歧管。pdms块可在任何需要的位置具有多个大小和间隔不同的通道。通过计算流动模拟来设计该块来匹配支架中的所需流体流动分布。提供制造通道化的pdms块的方法。生物反应器的设计与实时成像(例如通过μct和mri)兼容。提供制造通道化的pdms块的各种可选择的方法。
37.在图8-13中提供本公开主题另外的示例性实施方案。如图8-9所示，歧管302可构造为具有通常平面的内表面，其包括当处于装配位置时径向向内延伸(或延伸出纸页外，如图8所示)的上下凸缘。歧管302也包括设置在平面侧、在上下凸缘之间延伸的凹部304。调整凹部304的大小和形状，以容纳相似形状的支架和/或组织生长。此外，接口306定位在凹部304之中，并构造为使得当处于装配位置时流体以垂直于生物反应器纵轴的方向转移。如图9所示，流体通过接口308从歧管302的内表面供给和/或除去。
38.类似地，图10描绘歧管312的另一实施方案。在该实施方案中凹部314构造为矩形形状，并包括多个从接口316径向向外延伸的通道。如上文关于图9的实施方案所述，流体通过接口318从歧管312的内表面供给和/或除去。
39.图11描绘示例性的pdms块202，其具有多个设置在其外部的洞或孔212，来促进流
体转移和组织生成。洞的大小可随着给定的支架尺寸而变化。同样地，洞的集中度或密度可随着给定的支架尺寸而变化。
40.图12描绘示例性的歧管302和304，其可构造为接纳流体路径块322和324。在示出的实施方案中，流体路径块322和324构造为插入歧管302、304中的单独且分立的部分。这些流体路径块322和324依次紧密配合并密封地联接，以包围支架102。流体路径块322和324可构造为具有不同的大小、形状和集中度的通道，按需引导流体。组装后，这些部件嵌套、联接并插入壳体502中。
41.本公开内容的各种实施方案对例如用于移植的异体移植物等天然组织的运输和存储是有用的。骨和软骨的异体移植物的获取、评价和匹配可花去约一个月(其中约两周归于获取和筛选，以及两周归于组织匹配)。在此期间，细胞活力降低至15-50％的范围。根据本公开内容的装置保持这些移植物的活力。例如，骨软骨异体移植物的获取是有限的，并且仅有约14天的短暂的保存期。通过将骨软骨异体移植物放入根据本公开内容的灌注生物反应器，可保持并支持该组织，从而延长骨软骨组织的保存期。
42.参照图13，示出用于移植物保持的系统1300。如上文所进一步描述的，移植室1301联接至环境控制单元1303和培养基储蓄池1302。各自与微泵1304以流体连通。微泵1304使培养基循环经过环境控制单元1303和移植室1301。在一些实施方案中，微泵1304是电池供电的。
43.本文根据某些优选的实施方案描述了公开的主题，本领域技术人员将认识到，可对公开的主题进行各种不偏离其范围的修改和改进。此外，虽然本公开主题的一个实施方案的个别特征可在本文中讨论或示于一个实施方案的附图而在其它实施方案中未示出，但很显然一个实施方案的个别特征可与另一实施方案的一个或多个特征或与来自多个实施方案的特征组合。
44.除了下文要求的特定的实施方案以外，本公开主题也涉及其它具有下文要求的从属特征和上文所述特征的任何可能组合的实施方案。因此，从属权利要求所提出和上文所公开的特定特征可在本发明主题的范围内以其它方式互相组合，这样本公开的主题应理解为也具体涉及具有任何其它可能组合的其它实施方案。因此，上文中对公开主题的具体实施方案的描述已为说明和描述的目的提出。并不意图将本公开主题穷尽或限制于公开的这些实施方案。
45.对本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本公开主题意旨或范围的前提下，可对本公开主题的方法和系统进行各种修改和变形。因此，本公开主题意图包括在所附权利要求及其等效方案的范围内的修改和变形。