[发明专利]一种生物组织工程培养系统

说明书

技术领域

本发明属于生物组织工程培养装备。为生物组织工程体外组织和器官培养提供模拟生物体内环境，营造可控的生物因子、pH、温度、维生素和矿物质离子浓度等生理环境。可以用于体外动态培养细胞和构建组织器官。

背景技术

生物医学、生物材料学和自动化控制等多学科交叉是本发明提供了理论和实践基础。目前体外细胞、组织器官二维静态或者三维动态培养在生物医学研究和生产领域普遍应用。体外细胞培养、组织器官二维静态培养多用于基础研究，生产应用研究主要为人工皮肤、软骨组织修复等提供种子细胞。三维动态培养主要用于生物反应器，生产药用生物分子。随着生物材料学的学科发展，可降解、无生物毒性、可塑、具有一定物理应力的生物材料被陆续研发出来，并且小规模生产，如羟基磷灰石、壳聚糖、聚乳酸等。自动化控制更是为精确控制体外营造的生理环境提供理论和设备支持，包括各种自动化设备。

肿瘤学研究提示我们：生物组织存活，提供营养的管道构建是组织成活的关键。为了解决这个问题，材料学家和生物学家在共同不断努力，希望能为材料内的空隙提供足够的流体力，诱导种子细胞在长成组织的同时形成血管，为后续移植修复提供血供通路。

综合上述研究成果，结合我们自己的研究，我们发明的设备可以提供形成血管所需要的不同物理动力，刺激血管形成，并且可调节物理动力的大小，控制营养液中各种生物因子的浓度。在物理动力和各种生物因子的共同作用下，可形成大小形状不一的组织，功能不一的组织。

发明内容

生物组织工程培养系统主要由五部分组成：培养系统、动力系统、气体交换系统、营养液交换系统、微机控制站。每一部分在独立完成自身功能，还可以把自身参数反馈到微机控制站，通过微机控制站调控系统各部分工作，共同完成组织工程培养任务。

(一)培养系统包括五部分：培养腔、加热和冷却、灭菌、照明和摄像、电源。(1)培养腔内可以放置普通培养罐、滚筒培养罐、管道分流分压培养罐，满足不同的组织培养需求。(2)加热和冷却部分包括加温模块、冷却模块、温度探测仪，确保整个培养系统可以快速加温和快速冷却，并且可以把培养系统内实时温度传输到微机控制站。(3)灭菌部分为臭氧发生器/干热灭菌系统，通过臭氧/干热对培养空间进行灭菌，确保培养腔内环境为无菌。(4)照明和摄像部分是为了方便在不打开培养系统时，在LED照明灯光下通过摄像头把培养腔内图像实时传送出，在微机站即可观察到组织器官培养的情况。(5)电源部分为培养腔的改装和改进提供拓展空间。

(二)动力系统包括四部分：泵、管道、阀门、流体压力探测。(1)泵部分可以提供两种动力泵：一是蠕动泵，一是往复泵，为整个生物组织工程培养系统提供流体动力。(2)管道部分，由不同管径的硅胶管、玻管璃和不锈钢接头组成，通过不同的分流形式，为培养组织器官输送营养、气体和代谢产物、废气。(3)阀门为单向限流阀，由硅胶、不锈钢或者玻璃组成，保障系统内营养液流动方向符合实验生产设计要求。(4)流体压力探测，仪表安装于培养腔、管道系统分流、泵系统前后部位，及时向微机控制站反馈系统内流体压力变化情况，为调整动力和液体分流提供参数。

(三)气体交换系统包括三部分：气体交换、气体浓度探测、气体流量控制。(1)气体交换有两种可以选择的模式：一是通过中空纤维气液对流交换，一是液气相通过膜交换气体。除此之外，系统还可以直接为培养腔提供所需要的气体，在气液平面上进行组织器官培养。(2)气体浓度探测部分包括氧浓度探测、二氧化碳浓度探测，采用的是最新红外探测头，把收集到的气体参数输送到微机控制站，为系统运行提供参数。(3)气体流量控制部分可以根据微机控制站的调控信号，对氧气和二氧化碳输入气体交换仪的流量和流速进行动作，以维持整个系统内气液相物质中氧气和二氧化碳浓度。

(四)营养液交换系统包括三部分：透析、pH监测和脲监测。通过透析仪可以对系统内营养流体成分进行置换，pH和脲监测仪可以防止系统内对细胞组织有害物质成分堆积。通过pH和脲监测仪输送到微机控制站的参数，可以对透析仪工作状态进行控制，维持系统内营养液成分对组织器官维持或者生长状态最佳。

(五)微机控制站包括三部分：信号收集、信号处理和调控信号输出。(1)信号收集主要通过以下设备感应：微型摄像头、温度探测头、流体压力探测仪、氧气探测头、二氧化碳探测头、pH监测仪、脲监测仪等。(2)信号处理为微机控制站的核心部分，包括生物组织工程培养系统软件、计算机、信号输入和输出集线器。(3)调控信号输出主要通过以下设备动作：LED灯、加热模块、冷却模块、泵、气体流量控制器、透析仪等。