[发明专利]一种近生理脉动流环境动脉血管组织工程反应器

说明书

技术领域

本发明涉及细胞培养、组织工程领域，更具体地涉及一种血管组织工程反应器。

背景技术

在组织工程领域，组织工程生物反应器是研究不同环境因素(物理、生化因素)对特定细 胞、组织的三维功能化培养的影响的重要技术手段，也是改进功能化组织质量、降低生产成本 (包括自动化、在线监控等)，使组织工程从实验室进入到标准的工业化规模化生产和临床应用 过程中的一个关键环节。因此，有针对性地研发先进的组织工程用生物反应器对于组织工程的 发展具有重大意义(Martin，et al.，2004；Portner，R.，et al.，2005)。

迄今为止，自体移植、同种异体血管、异种血管、以及人工合成血管都不能够成为理想的 动脉血管替代物(特别是6mm口径以下的血管)，近年来组织工程化动脉血管构建和功能研究 为这一领域带来了希望。在生理状态下，动脉血管所处的力学环境是，管内血液呈周期性脉动 流状态，血压和血液流动速度(与管壁剪切应力直接相关)呈周期性脉搏波形态，压力和流速 在一个心动周期内有较大的脉动，而对于分布在不同部位的动脉血管段这些特征还有所不同。 近来的研究表明，在培养过程中应力对组织工程化血管的力学特性有显著的影响，脉动流灌注 下培养组织工程化动脉血管平滑肌细胞和内皮细胞，与定常流流状态下的培养有显著的不同， 因此建立可提供脉动流培养环境的血管组织工程反应器成为近来血管组织工程领域的一个重要 趋势(Jeong，S.I.，et al.，2005；McFetridge，P.S.，et al.，2004；Kitagawa，T.et al.，2006；Thompson，C.A.et al.，2002；Hsiai T K.et al.，2002)。

现有的血管组织工程反应器存在较大的缺陷，Hsiai(2002)所研制的实际上是脉动流Flow Chamber实验装置而不是组织工程反应器；Thompson研制的是脉动流式心瓣组织工程反应器； Jeong(2005)，McFetridge(2004)，Kitagawa(2006)的反应器是针对血管的。上述反应器基 本上采用蠕动泵或蠕动泵加步进电机的方式作为脉动源，并且由于没有做流体回路的脉搏波仿 真优化设计，没有仔细考虑流动阻抗、顺应性、阻力、流动惯性的模拟，导致现有的反应器无 法提供近似于动脉内血液脉动流状态的近生理流动环境。

本发明针对动脉血管组织生长的体内力学环境，在总结和研究体外环境下力学因素对血管 平滑肌、血管内皮细胞和外膜成纤维细胞的三维培养和功能化影响的基础上，采用新的动脉血 管组织工程反应器设计原理：在流动回路上模拟动脉血液流动的顺应性和流动阻力，采用圆筒 状永磁式直线直流电机，产生近生理脉动流；模拟不同动脉段的脉动频率、压力和流量波形， 模拟高血压，高剪切应力，低剪切应力等血流动力学状况。

发明内容

本发明的目的是提供一种近生理脉动流环境动脉血管组织工程反应器，利用该反应器可以 进行多种直径和长度的组织工程动脉血管培养，也可以进行血管细胞、血管组织生物学的研究， 其特点在于采用新的动脉血管组织工程反应器设计原理：在流动回路上模拟动脉血液流动的顺 应性和流动阻力，产生近生理脉动流；模拟不同动脉段的脉动频率、压力和流量波形，模拟高 血压，高剪切应力，低剪切应力等血流动力学状况。

本发明公开了一种近生理脉动流环境动脉血管组织工程反应器，该反应器具有以下特征：

一种近生理脉动流环境动脉血管组织工程反应器，能够在流动回路上模拟动脉血液流动的 顺应性、流动惯性和流动阻力等阻抗特性，产生近生理脉动流；能够用于组织工程动脉血管的 培养；该反应器主要由储液瓶，脉动源，阻力调节器，顺应性调节器和血管组织动态培养腔构 成，由工控机控制：

a.培养基从储液瓶出发，经过脉动源，阻力调节器1，顺应性调节器1调节后进入血管组织动 态培养腔，流出血管组织动态培养腔后经阻力调节器2，顺应性调节器2回到储液瓶，构成了一 个血管内循环；该流路构成可以使流经血管组织动态培养腔的培养基具有近生理脉动流的特 性；

b.储液瓶经由无菌空气交换器与瓶外空气相通；储液瓶与pH计相连接，可以在线检测瓶中 液体的pH值；储液瓶有换液装置，便于更换培养基；