專利名稱：生物反應(yīng)器的制作方法
生物反應(yīng)器相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考本項(xiàng)申請(qǐng)是得益于美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)柎a61/183，387(2009年6月2日立案的題為新型生物反應(yīng)器)，美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)柎a61/216，193(2009年5月14日立案的題為血液培養(yǎng)生 物反應(yīng)器)，美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)柎a61/192,515(2008年9月19日立案，題為新型生物反應(yīng)器)， 和美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)柎a61/132，190(2008年6月16日立案，題為新型反應(yīng)器)等。每一個(gè)申 請(qǐng)均以參考文獻(xiàn)的形式出現(xiàn)在整個(gè)文章中。
背景技術(shù)：
氧氣對(duì)生物有機(jī)體來(lái)說(shuō)是十分重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。對(duì)于細(xì)胞來(lái)說(shuō)，許多種類的細(xì)胞 生存都依賴其生存環(huán)境持續(xù)不斷地提供氧氣。對(duì)于動(dòng)物組織器官來(lái)看，血液中缺乏氧氣，甚 至短期的缺氧，都可能導(dǎo)致非常災(zāi)難性的后果，例如大腦損傷，肺衰竭甚至是死亡。因此，對(duì) 動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)來(lái)說(shuō)，非常必要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)富氧的環(huán)境；并且對(duì)于治療相關(guān)疾病來(lái)說(shuō)，提供一個(gè) 富氧的血液也是十分必要的。發(fā)明概述本申請(qǐng)涉及到細(xì)胞培養(yǎng)和血液溶氧的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明總體上是發(fā)明了一種細(xì)胞培養(yǎng)器，包括擁有特殊內(nèi)壁的能夠旋轉(zhuǎn)的容器， 該容器定義為培養(yǎng)室，培養(yǎng)室壁上有進(jìn)液口能夠使細(xì)胞培養(yǎng)室和外部液體交換。在某些情 況下，細(xì)胞培養(yǎng)室壁表面有一個(gè)進(jìn)口能促進(jìn)容器氣體接觸。連接到培養(yǎng)室的制動(dòng)器可以使 容器圍繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以提高培養(yǎng)室中液體的溶解氧。為了具體化這一方面，還包括下面一個(gè)或多個(gè)特征。這個(gè)容器還有個(gè)出液口，能使液體在培養(yǎng)室和傳感器之間傳遞信息。這個(gè)傳感器 是用來(lái)測(cè)量培養(yǎng)室中液體的環(huán)境，比如，可以測(cè)定培養(yǎng)室中液體的溶氧和PH水平。該儀器使用了一個(gè)控制系統(tǒng)，它可以接收來(lái)自傳感器的信號(hào)，根據(jù)此信號(hào)來(lái)決定 轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。外部流動(dòng)來(lái)源包括液體來(lái)源和氣體來(lái)源。在系統(tǒng)中提供了一個(gè)閥門，可以選擇性 地將液體源和氣體源和轉(zhuǎn)動(dòng)的容器進(jìn)口連接。液體源包括培養(yǎng)液，氣體包括一種或幾種氣 體空氣、氧氣、二氧化碳、及氮?dú)?。該儀器使用了 一個(gè)罐體來(lái)連接容器和驅(qū)動(dòng)器。一個(gè)可以移動(dòng)的平臺(tái)連接罐體來(lái)使 容器沿第二個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。容器內(nèi)壁的表面是經(jīng)過(guò)顯微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)鑒定過(guò)的。在至少部分封閉的環(huán)境中，如孵育器，可以控制溫度或控制氣體組成的環(huán)境中，容 器能夠處于健康的狀態(tài)。本發(fā)明另一個(gè)方面的特點(diǎn)在于其使培養(yǎng)液充氧的方法，如使用上面所介紹的細(xì)胞 培養(yǎng)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法包括把培養(yǎng)液引入至少部分含有氣體的培養(yǎng)室，在其中培養(yǎng)室被 定義為一個(gè)有壁的容器，并且內(nèi)壁表面可以促使氣體與內(nèi)壁更多的接觸。這種方法也包括 容器的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)培養(yǎng)液與容器內(nèi)壁相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，而提高培養(yǎng)液中的溶氧水平。
這個(gè)方法的具體表現(xiàn)包括以下一個(gè)或多個(gè)特征。在轉(zhuǎn)動(dòng)的容器中，能夠產(chǎn)生出微小的含有氧氣分子的氣泡。這個(gè)方法同時(shí)也包括檢測(cè)培養(yǎng)液的流動(dòng)情況，根據(jù)檢測(cè)的流動(dòng)情況控制轉(zhuǎn)速。流體的情況包括以下一個(gè)或多個(gè)pH水平、溶氧水平、二氧化碳水平和溫度。該發(fā)明的第三個(gè)特征是培養(yǎng)系統(tǒng)，它擁有一個(gè)可以使培養(yǎng)液增加更多溶氧的傳氧設(shè)備。傳氧設(shè)備包括一個(gè)容器，它帶有一個(gè)進(jìn)口可以接收培養(yǎng)液使其氧化，和一個(gè)出液口能 輸出富氧的培養(yǎng)液，一個(gè)內(nèi)表面可以促使氣體和內(nèi)表面更多的接觸；一個(gè)和容器連接的驅(qū) 動(dòng)器可以使容器轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)增加培養(yǎng)液中溶氧水平。培養(yǎng)設(shè)備還可以從傳氧設(shè)備中獲得溶過(guò)氧 的培養(yǎng)液。培養(yǎng)設(shè)備包括一個(gè)可以接收生物材料進(jìn)入培養(yǎng)設(shè)備內(nèi)部的通道；和一個(gè)在培養(yǎng) 設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行液體交換的進(jìn)口，它可以傳輸溶過(guò)氧的培養(yǎng)液更多的與生物材料接觸。具體表現(xiàn)包括以下一個(gè)或多個(gè)方面的特征。培養(yǎng)設(shè)備所涉及到的生物材料包括細(xì)胞和組織。培養(yǎng)設(shè)備包括灌注柱，這是一種適合細(xì)胞培養(yǎng)的具有生物相容性的基質(zhì)。生物相 容性基質(zhì)包括，比如微載體和酯片載體。其中一些基質(zhì)是包括聚合纖維的材料，它可以是紡 織的也可以是無(wú)紡的。灌注柱中培養(yǎng)液的流速控制是基于灌注柱子的高度的。培養(yǎng)液進(jìn)入灌注柱的速度 控制是與其流出灌注柱的速度相等。并且，灌注柱是安裝在一個(gè)可以調(diào)節(jié)的支架上來(lái)調(diào)節(jié) 灌注柱的高度。系統(tǒng)還包括一個(gè)泵，它是用來(lái)推動(dòng)富氧的培養(yǎng)液進(jìn)入培養(yǎng)設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)能夠用來(lái)控制溶氧的培養(yǎng)液的流速，也可以進(jìn)一步用來(lái)控制溶氧設(shè)備容 器的轉(zhuǎn)速。在某些例子中，該設(shè)備容器有個(gè)倒置的圓錐形底部或錐形圓底。該發(fā)明的第四個(gè)的特征是該培養(yǎng)細(xì)胞系統(tǒng)包括一個(gè)罐體，該罐體有個(gè)第一個(gè)終端 和與第一個(gè)終端相反的第二個(gè)閉合的終端，第一個(gè)終端有個(gè)通路可以接收和排出培養(yǎng)液。 在罐體內(nèi)部有個(gè)管狀部件；該管狀部件有第一個(gè)開口末端，在罐體第二個(gè)終端有第二個(gè)閉 口末端；圓盤膜與第一個(gè)開口末端相連接，這樣至少可以部分套入第二個(gè)管狀部件內(nèi)部。第 二個(gè)管狀部件定義為細(xì)胞培養(yǎng)室，圓盤狀部分至少包括一個(gè)開口，可以使得培養(yǎng)室和第二 個(gè)管狀部分的外部進(jìn)行液體流通。驅(qū)動(dòng)器與罐體連接來(lái)使罐體轉(zhuǎn)動(dòng)增加培養(yǎng)室中液體的溶 氧水平。這個(gè)方面的具體還包括下面一個(gè)或多個(gè)特點(diǎn)；這個(gè)管狀部件是可以在罐體中拆分的，通過(guò)其第一個(gè)開口末端可以接收適合細(xì)胞 生長(zhǎng)的生物相容性基質(zhì)。管狀部件的內(nèi)壁可以促進(jìn)氣體和內(nèi)表面的接觸。第五個(gè)有關(guān)該發(fā)明的特征是，該細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備包括管狀部件，它具有第一個(gè)末端 和與第一個(gè)末端是相反的第二個(gè)封閉末端，第一個(gè)末端有個(gè)通路可以進(jìn)液和出液；生物相 容性的基質(zhì)可以放在管狀部件的內(nèi)部；管狀部件內(nèi)部有一個(gè)可拆卸的圓盤狀部件，它是用 來(lái)充分限制培養(yǎng)室中的這些生物相容性基質(zhì)的圓盤狀部件與管狀部件第二個(gè)末端之間。圓 盤狀部件包括至少一個(gè)開口允許培養(yǎng)液進(jìn)入培養(yǎng)室。在一個(gè)具體表現(xiàn)中，一個(gè)帽可以連接管狀部件的第一個(gè)末端用來(lái)堵住管狀部件內(nèi) 部。
該發(fā)明的第六個(gè)特征是，該細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)包括一個(gè)可以延長(zhǎng)的部件，它有第一個(gè) 關(guān)閉終端和與第一個(gè)封閉末端相反的第二個(gè)封閉終端，培養(yǎng)室的內(nèi)壁至少部分充滿氣體， 并且壁上有個(gè)進(jìn)口，能夠獲得培養(yǎng)液。在培養(yǎng)室里配置了一個(gè)桿，其第一個(gè)和第二個(gè)末端均 位于延長(zhǎng)的部件的通信末端。一套一個(gè)或多個(gè)圓盤狀部件均同心地位于桿上。驅(qū)動(dòng)器與桿 是機(jī)械連接的，可以轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤狀部件圍繞桿的經(jīng)向轉(zhuǎn)動(dòng)，促進(jìn)培養(yǎng)液與延長(zhǎng)組件的內(nèi)表面 進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)。傳感器可以檢測(cè)培養(yǎng)室中培養(yǎng)液的溶氧水平。 這一方面的具體表現(xiàn)包括以下一個(gè)或多方面生物相容性基質(zhì)放置于延長(zhǎng)組件內(nèi)部的下部。生物相容性基質(zhì)可包括聚合纖維?？刂葡到y(tǒng)是用來(lái)接收來(lái)自傳感器的信號(hào)，可以顯示培養(yǎng)液中的溶氧水平，并且根 據(jù)收到的傳感器信號(hào)進(jìn)一步調(diào)整轉(zhuǎn)速。延長(zhǎng)組件還包括了第二個(gè)進(jìn)口，它是用來(lái)引入氣體進(jìn)入延長(zhǎng)部分的內(nèi)部?？刂葡到y(tǒng)同時(shí)也可以在延長(zhǎng)組件的內(nèi)部控制氣體的組分。該發(fā)明的第七個(gè)特征是，這個(gè)系統(tǒng)可以給血液傳氧，并輸送這些血液給實(shí)驗(yàn)對(duì)象。 這個(gè)系統(tǒng)包括(1)適合輸血的血液泵裝置；(2)血液傳氧裝置與血液泵裝置相連接；(3)傳 輸裝置；(4)控制裝置。血液傳氧裝置可以從血液泵裝置中獲取血液，并給血液傳氧。例如，血液傳氧裝置 有一個(gè)血液生物反應(yīng)器/傳氧器，它包括(a)含壁的容器；(b)在容器中第一個(gè)入口適合含 氧氣體的傳輸以使氣體更多的接觸到內(nèi)壁；(c)容器的第二個(gè)進(jìn)口是適用于輸送血液更多 的與第二個(gè)表面壁接觸，在此血液生物反應(yīng)器/傳氧器可以使血液流動(dòng)以便可以血液與第 一層表面接觸而產(chǎn)出含氧的血液；同時(shí)(d)第一個(gè)出口和第二個(gè)出口分別是用來(lái)排除含二 氧化碳的氣體的和輸送溶氧過(guò)的血液。輸送裝置連接到第二個(gè)出口，并且它適合將輸送溶 過(guò)氧的血液給實(shí)驗(yàn)對(duì)象；控制裝置是與血液傳氧裝置連接的。一個(gè)具體表現(xiàn)是，血液生物反應(yīng)器/產(chǎn)氧器，可以血液運(yùn)動(dòng)起來(lái)，因此，血液和含 氧的氣體重復(fù)不斷的與第一表面接觸。例如，這一運(yùn)動(dòng)是個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。另一個(gè)體現(xiàn)，這個(gè)罐 體定義為在下部分有一個(gè)含倒置圓錐的底部或圓錐形的圓形底部的容器。在上述的系統(tǒng)中，血液生物反應(yīng)器/傳氧器進(jìn)一步還包括pH電極、溫度電極、及溶 氧電極。一方面，這個(gè)系統(tǒng)同時(shí)還有一個(gè)治療裝置，它可以從血液中去除不需要的組分。這 些組分包括化學(xué)試劑、生物分子、抗體、病毒或細(xì)胞。另外一個(gè)方面，該系統(tǒng)還包括光/輻射 源，用來(lái)殺死血液中不需要的細(xì)胞。 利用以上所描述的系統(tǒng)，本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種給人類或動(dòng)物血液傳氧的方法 和一種從實(shí)驗(yàn)對(duì)象的血液中去除不想要組分的方法。本發(fā)明還發(fā)明了一種利用以上所描述的系統(tǒng)來(lái)治療血液溶氧有缺陷的癥狀患者 的方法。這些癥狀包括心血管紊亂(如心肌梗塞)、肺部衰竭、其他的呼吸性紊亂比如急性 呼吸困難綜合癥。本發(fā)明也突出了用來(lái)治療癌癥和腫瘤轉(zhuǎn)移患者的方法，比如白血病、淋巴 瘤、惡性毒瘤等。本發(fā)明還突出一種治療受微生物感染的方法，比如細(xì)菌、酵母細(xì)胞或病毒 的感染。每一種方法都包括了利用上述系統(tǒng)從血液中去除不需要組分的步驟(比如癌細(xì) 胞、細(xì)菌細(xì)胞、酵母細(xì)胞或病毒)。其他關(guān)于本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，從下面的描述和權(quán)利要求中詳細(xì)介紹。


圖1是帶轉(zhuǎn)動(dòng)生物反應(yīng)器的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的第一個(gè)具體體現(xiàn)示意圖。圖2A和2B是圖1的生物反應(yīng)器的一個(gè)具體實(shí)施例示意圖。圖3是圖2A的生物反應(yīng)器內(nèi)部表面的一張圖片。圖4是帶轉(zhuǎn)動(dòng)生物反應(yīng)器的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)第二個(gè)具體體現(xiàn)示意圖。圖5是帶轉(zhuǎn)動(dòng)生物反應(yīng)器的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)第三個(gè)具體體現(xiàn)照片。圖6帶轉(zhuǎn)動(dòng)生物反應(yīng)器的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)第四個(gè)具體示意圖。圖7A 7B是細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的第五個(gè)具體的照片。圖8A-8C是帶有溶氧裝置(“人工肺”)的灌注細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的三個(gè)具體體現(xiàn)和一 個(gè)紙片載體包括柱體(A和B)或是有圓錐形底部(C)的培養(yǎng)容器的紙片載體示意圖。圖9是安裝在潔凈細(xì)胞室內(nèi)的帶溶氧裝置的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的另一個(gè)具體體現(xiàn)的 照片。圖10是一個(gè)帶紙片載體的柱子用來(lái)灌注生物反應(yīng)器系統(tǒng)圖9和圖8A-8C的照片。圖11是一張容器內(nèi)部一次性使用的塑料袋子的照片，這些袋子是用于圖9和圖 8A-8C生物反應(yīng)器的。圖12是圖10中培養(yǎng)容器內(nèi)部的紙片載體的電子顯微照片。圖13是一個(gè)以經(jīng)典攪拌漿和鼓泡為溶氧裝置的細(xì)胞培養(yǎng)灌注系統(tǒng)第二具體體現(xiàn) 的照片。圖14是帶有一個(gè)氧氣傳遞轉(zhuǎn)輪的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的一個(gè)具體體現(xiàn)示意圖。圖15是一個(gè)帶有氧氣傳遞轉(zhuǎn)輪的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)和容器內(nèi)部堆有紙片載體的培養(yǎng) 容器的第二個(gè)具體體現(xiàn)示意圖。圖16是血液傳氧系統(tǒng)第一個(gè)具體體現(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖。圖17是圖16血液傳氧、培養(yǎng)、再循環(huán)系統(tǒng)的第一個(gè)具體體現(xiàn)的示意圖。圖18是圖16血液傳氧、培養(yǎng)、再循環(huán)系統(tǒng)的第二個(gè)具體體現(xiàn)的示意圖。圖19是血液傳氧使用的第二個(gè)具體體現(xiàn)的照片。圖20是在溶氧環(huán)境中，微載體與CHO細(xì)胞粘附一起的照片。圖21是在溶氧環(huán)境中，微載體與VERO細(xì)胞粘附一起的照片。圖22A和B是在圖8細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中CHO-S (A)和CHO-Kl⑶細(xì)胞生長(zhǎng)的照片。圖23A和B是在圖8A或8B的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中MDCK (A)和VERO⑶細(xì)胞生長(zhǎng)的照 片。圖24A和B是在圖8A或B細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中BHK-21 (A)和MARC145⑶細(xì)胞生長(zhǎng)的 照片。發(fā)明詳述1 總述氧氣是細(xì)胞生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)成份，短暫的缺氧狀態(tài)都可能導(dǎo)致細(xì)胞損傷，這會(huì)導(dǎo) 致器官紊亂或出現(xiàn)故障。比如心臟病和中風(fēng)患者都是經(jīng)歷了血管堵塞或轉(zhuǎn)換，這種變化阻 止了氧氣輸送到致病組織的細(xì)胞中。同時(shí)，由于缺氧，心臟和大腦會(huì)出現(xiàn)日益增多的惡化反 應(yīng)。嚴(yán)重缺氧會(huì)導(dǎo)致器官完全衰竭，甚至死亡。較輕的，也需要住院專家，專門治療，需要很 長(zhǎng)時(shí)間才能復(fù)原。在許多生物臨床情況中，在培養(yǎng)液或血液中的氧氣水平是通過(guò)檢測(cè)其中的溶氧(DO)濃度來(lái)反映的，DO就是說(shuō)媒介中含有或攜帶有氧的一個(gè)相對(duì)值。本申請(qǐng)中，發(fā)現(xiàn)多種不同的系統(tǒng)和技術(shù)來(lái)提供溶氧的細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境和/或血液， 比如不采用傳統(tǒng)的鼓泡或攪拌技術(shù)提高液體中的溶氧水平。這些系統(tǒng)和技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng) 用中相當(dāng)廣泛。2細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)該部分描述了各種各樣具體的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠提供溶氧過(guò)的培養(yǎng) 液，并且可以用于很多種細(xì)胞的培養(yǎng)。2. 1帶有搖床的生物反應(yīng)器系統(tǒng)圖1顯示了采用轉(zhuǎn)動(dòng)的生物反應(yīng)器的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)110的第一個(gè)具體體現(xiàn)。這個(gè) 生物反應(yīng)器可以用來(lái)培養(yǎng)懸浮或貼壁細(xì)胞。為了提高貼壁細(xì)胞的生長(zhǎng)，可以在生物反應(yīng)器 110中安裝基質(zhì)，使得細(xì)胞粘附在基質(zhì)的表面生長(zhǎng)。這些基質(zhì)可以包括微載體(如用明膠制 作的基質(zhì)、膠原、纖維素或其他的一些材料)和紙片載體(如有聚合纖維和丙烯酸膠)。
在這個(gè)具體體現(xiàn)中，生物反應(yīng)器110包括一個(gè)壁112，是用來(lái)培養(yǎng)的，培養(yǎng)室114， 細(xì)胞或組織在其中生長(zhǎng)。進(jìn)口 116是在壁112中的，允許培養(yǎng)液122或氣體124通過(guò)一個(gè)三 通管126進(jìn)入培養(yǎng)室114中。根據(jù)不同的情況，氣體124包括空氣、氧氣、氮?dú)?、二氧化碳?是某些氣體的混合氣。出口 116，也是設(shè)計(jì)在壁112中的，是允許培養(yǎng)液進(jìn)入培養(yǎng)室114的， 也可以選擇性的連接到廢液袋132上，傳感器134進(jìn)行檢測(cè)(包括PH，溶氧和溫度電極)。生物反應(yīng)器110能夠連接到罐體140上，罐體通過(guò)機(jī)械方法接到平臺(tái)150上。驅(qū) 動(dòng)器160連接到罐體140上，來(lái)使得生物反應(yīng)器110繞軸142以一定速度旋轉(zhuǎn)，這個(gè)過(guò)程可 以由控制系統(tǒng)170來(lái)控制。平臺(tái)150可以固定的或沿XY軸運(yùn)動(dòng)(在圖中有說(shuō)明)，這樣就 可以使得生物反應(yīng)器110沿兩個(gè)方向輪流循環(huán)運(yùn)動(dòng)了。關(guān)于圖2A和2B，當(dāng)生物反應(yīng)器110繞軸142轉(zhuǎn)動(dòng)或滾動(dòng)，或沿χ和y軸移動(dòng)，培養(yǎng) 室114中的培養(yǎng)液不停的沖刷壁的內(nèi)表面，比如在162和164之間的表面。在許多例子中， 由于生物反應(yīng)器110的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的培養(yǎng)液與表面的循環(huán)相互作用，能產(chǎn)生出更多的微小的 含有氧分子的氣泡。當(dāng)這些氧分子融入到培養(yǎng)液中，就可以得到高水平的溶氧了。在許多 實(shí)驗(yàn)中，采用上述的技術(shù)可以有效的提高培養(yǎng)液中溶氧，并且這種方法比直接鼓泡(傳統(tǒng) 的攪拌技術(shù))更有效。在許多例子中，生物反應(yīng)器110是由玻璃或塑料制造的，有一個(gè)光滑的內(nèi)部表面。 生物反應(yīng)器可以做成一次性的也可以做成能重復(fù)使用的。如，生物反應(yīng)器110包括了一次 性的容器111(塑料袋子)安裝在一個(gè)可承受壓力和一定熱的容器內(nèi)(例如，一個(gè)玻璃的罐 體)。在許多實(shí)驗(yàn)方案中，為了進(jìn)一步增加溶氧效果，或?yàn)榱酥С指呙芏鹊募?xì)胞培養(yǎng)，生 物反應(yīng)器110是由微米或納米級(jí)的材料做表面的。比如，圖2B中的生物反應(yīng)器有一個(gè)不平 的內(nèi)表面(有一系列不同維數(shù)和形狀的凹面)，是為了提高氣體與表面的接觸。在第一個(gè)半 圈循環(huán)中，當(dāng)培養(yǎng)液升到內(nèi)表面的一端的時(shí)候，另一端暴露在空氣中，在內(nèi)表面就會(huì)形成一 層微小的氧氣泡。然后，在第二個(gè)半循環(huán)中，這些小泡層又被沖進(jìn)入培養(yǎng)液中，這樣就導(dǎo)致 了一個(gè)快速的溶氧過(guò)程。在一些實(shí)驗(yàn)中，這種效果同樣可以用內(nèi)壁光滑的生物反應(yīng)器來(lái)得 到。圖3表明一種適合高密度細(xì)胞培養(yǎng)和增加溶氧的內(nèi)表面的照片。
在許多實(shí)驗(yàn)中，生物反應(yīng)器110的壁被認(rèn)為是像山一樣的微觀表面，具體的可以通過(guò)納米手段來(lái)辨別的(通過(guò)電子顯微鏡)。這樣的結(jié)構(gòu)或許在某些應(yīng)用中可以提供更高 的氧氣轉(zhuǎn)換特征。比如，微觀的凸凹，直徑在1-2000納米之間(5、10、50、100、200、500、1000 或1500納米)，與內(nèi)壁接觸，可以破壞培養(yǎng)液的表面張力，因此可以產(chǎn)生出微小的氣泡。生 物反應(yīng)器的內(nèi)壁可以由各種材料制作而成，包括玻璃、硅玻璃、鋼鐵、鋁和不同型號(hào)的塑料。 必須得注意在反應(yīng)器轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中即使產(chǎn)生出了氣泡，但他們的大小及空間分布也是不同 的，只有那些含有溶氧的氣泡才能提高培養(yǎng)液中的氧的含量。要注意反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)和滾動(dòng)的速度是能夠根據(jù)培養(yǎng)液中的溶氧水平進(jìn)行調(diào)整的。 如，溶氧感應(yīng)器134可以用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶氧水平，然后將測(cè)定結(jié)果反饋給電腦180。電腦180 對(duì)比DO實(shí)測(cè)值與設(shè)定值，來(lái)決定是否增加或減少傳動(dòng)器160的轉(zhuǎn)速。在一些試驗(yàn)中，反應(yīng) 器的轉(zhuǎn)動(dòng)是被控制的，這樣內(nèi)部的培養(yǎng)液看起來(lái)是相對(duì)靜止的，因此減少了或限制了機(jī)械 應(yīng)力對(duì)粘附在支架上的細(xì)胞的影響。這是一種在某些應(yīng)用中想要得到的特征，基于攪拌漿 的反應(yīng)器會(huì)產(chǎn)生剪切力或攪動(dòng)力，這樣會(huì)傷害到懸浮細(xì)胞。在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)器的轉(zhuǎn)動(dòng) 和滾動(dòng)速度是取決于想得到的沖刷力的大小(或基于內(nèi)部培養(yǎng)室的中液體的流動(dòng)速度)這 樣可能符合反應(yīng)器特殊的表面特征。圖4給出細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)400的第二個(gè)特征，該系統(tǒng)采用了一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的生物反 應(yīng)器410.與第一個(gè)特征相似，生物反應(yīng)器410是連接到容器440上的，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)460，該 容器可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)或滾動(dòng)。機(jī)器410包括壁412定義為細(xì)胞培養(yǎng)室414，細(xì)胞可以在培養(yǎng)室 中生長(zhǎng)。進(jìn)口 416是在壁上的，可以使培養(yǎng)液，氣體，或生物材料(包括細(xì)胞和組織)通過(guò)， 進(jìn)入培養(yǎng)室414.圖5給出了細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)500的第三個(gè)特征，就是它能使一套完整的轉(zhuǎn)動(dòng)生物反 應(yīng)器510進(jìn)入單一的系統(tǒng)。在這個(gè)特征中，每個(gè)生物反應(yīng)器是由塑料制成的。生物反應(yīng)器 安裝在外罩上并連接到起動(dòng)機(jī)，這樣反應(yīng)器既可以單獨(dú)運(yùn)行也可以同時(shí)一起運(yùn)行。整個(gè)系 統(tǒng)可以放置于至少一個(gè)特殊的封閉環(huán)境中，(如孵育器)，同時(shí)可以控制溫度，氣體組分和濕度。圖6給出了一個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)600的第四個(gè)特征，它采用了一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的生物反 應(yīng)器610.這個(gè)反應(yīng)器610采用了一個(gè)兩層的結(jié)構(gòu)，包括620的外罩，它有第一個(gè)終點(diǎn)622 和第二個(gè)閉合終點(diǎn)624，管子630處于外罩620的內(nèi)部。管子630包括一個(gè)開口末端632， 一個(gè)閉合末端634，圓盤636連接到開口末端632上，為了在里面進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)。圓盤636 包括至少一個(gè)開口能夠用來(lái)在培養(yǎng)室和外面交換培養(yǎng)液。在許多實(shí)驗(yàn)中，管子630可以從外罩620上拆卸下來(lái)，讓細(xì)胞和組織進(jìn)入管子630 的里面。在其他實(shí)驗(yàn)中，管子630固定在外罩620的里面，這樣的話，細(xì)胞和組織能夠通過(guò) 內(nèi)部的通道650注射進(jìn)入其中.培養(yǎng)液也能夠通過(guò)內(nèi)部通道650注射到培養(yǎng)室中，在一些 實(shí)驗(yàn)中，隨著反應(yīng)器610的轉(zhuǎn)動(dòng)和滾動(dòng)，培養(yǎng)室內(nèi)的培養(yǎng)液可以保持相對(duì)的水平。圖7A和7B，給出了細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)700的第五個(gè)特征，它采用的三個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的反應(yīng) 器710，連接到單一發(fā)動(dòng)機(jī)760上。在此，生物反應(yīng)器710包括了一個(gè)管子730 (塑料材質(zhì))， 在它的里面是生物相容性基質(zhì)740。生物相容性基質(zhì)包括微載體和紙片載體，這些在之前部 分已經(jīng)講到過(guò)。圓盤部分720是可拆卸的，處于管子內(nèi)部的，這樣圓盤部分720可以確保生 物相容性基質(zhì)處于培養(yǎng)室內(nèi)部。根據(jù)不同的操作，細(xì)胞或生物組織可以通過(guò)圓盤720的開口注射進(jìn)入培養(yǎng)室。一些試驗(yàn)中，隨著生物反應(yīng)器710的轉(zhuǎn)動(dòng)和滾動(dòng)，培養(yǎng)室內(nèi)部的培養(yǎng)液可以保持相對(duì)水平。注意，以上所述的特征，能夠放置于一個(gè)與圖5相似的可控環(huán)境中。2.2 “人工肺”系統(tǒng)圖8A給出了細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)800的第一個(gè)特征，它采用了溶氧裝配(“人工肺”)820， 可以產(chǎn)生溶過(guò)氧的培養(yǎng)液輸送給細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備840。溶氧裝配820包括有一個(gè)進(jìn)口 824的反應(yīng)器822，可以獲得由儲(chǔ)水池810提供的培 養(yǎng)液，這些培養(yǎng)液經(jīng)溶氧過(guò)進(jìn)入反應(yīng)器。反應(yīng)器822安裝了一個(gè)馬達(dá)828，這個(gè)可以提高反 應(yīng)器的轉(zhuǎn)速，因此可以提高培養(yǎng)液中的溶氧。反應(yīng)器822的結(jié)構(gòu)和它的操作在2006年9月 遞交的國(guó)際申請(qǐng)
發(fā)明者惠覓宙 申請(qǐng)人:美國(guó)安普公司;杭州安普生物工程有限公司