DE10130512A1

DE10130512A1 - Vorrichtung zur Druckperfusion für das Züchten und/oder für das Behandeln von Zellen

Info

Publication number: DE10130512A1
Application number: DE10130512A
Authority: DE
Inventors: Augustinus Bader
Original assignee: BIONETHOS GmbH
Current assignee: Bader Augustinus Prof Dr 04668 Parthenste De
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: US20040208761A1; US7682820B2; WO2003001060A1; DE10130512B4; US20080227189A1; US7378271B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Pumpen eines Fluids in einen Bioreaktor. Über eine Ventilanordnung wird ein pulsatiles Pumpen ermöglicht, so dass das Wachstum der Zellen im Bioreaktor gesteigert wird. Durch verschiedene Mechanismen kann die Pumpfunktion erreicht werden. Einerseits kann ein Kolben in einem Zylinder insbesondere durch einen Elektromagnet verschoben werden, wobei im Kolben selbst entweder ein Permanentmagnet oder ebenfalls ein Elektromagnet angeordnet ist. Der Kolben kann aber auch durch Druckluft verschoben werden. Andererseits kann ein elastischer hohler Körper vorgesehen werden, der durch mechanische oder elektromagnetische Kräfte deformiert werden kann, so dass über eine Volumenänderung eine Pumpfunktion erreicht wird. Eine Vorrichtung zum Pumpen kann aber auch als Implantat zur Unterstützung bzw. zum Ersatz der Herzfunktion eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das Züchten und/oder für das Behandeln von Zellen, insbesondere einen Bioreaktor. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Pumpen eines Fluides durch eine Vorrichtung für das Züchten und/oder für das Behandeln von Zellen, insbesondere durch einen Bioreaktor.

In der älteren Anmeldung des Erfinders DE 199 35 643.2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art beschrieben.

Es hat sich nun herausgestellt, dass die Bildung einer Zellschicht und das Zellwachstum deutlich verbessert wird, wenn man die Zellen einer Druckbelastung aussetzt. Hierzu ist es aus der Praxis bereits bekannt, einen Zellkulturraum z. B. durch einen Stempel, wie in US 6,060,306 beschrieben, zu mechanisch belasten. Neben dem hierfür erforderlichen konstruktiven Aufwand entspricht eine derartige Belastung auf Grund der dadurch erzielten heterogenen Druckverteilung nicht in-vivo-Verhältnissen. In US 5,928,945 wird hauptsächlich über Scherspannung mittels Kulturmedium eine mechanische Belastung von z. B. Knorpelzellen versucht. Dies ist jedoch unphysiologisch da z. B. in Gelenkbereichen keine derartigen Perfusionen auftreten. In US 6,060,306 ist auch ein Apparat beschrieben, in dem ein Knorpelkonstrukt innerhalb einer Kultivierungskammer durch Bewegungen der Außenwände wie in einem Blasebalg bewegt wird. Diese Bewegungsprozesse haben den Nachteil, dass die Bewegungsmuster eine hohe mechanische Belastung der Membranstrukturen bedingen. Dies führt dazu, dass die Membranen nach wenigen Tage reißen und die Produkte unsteril werden und dadurch für die Implantationen nicht mehr geeignet sind. Weiterhin können die Membranen auf Grund der Bewegungsmuster die ständig konvex-konkave Verformungen hervorrufen auch nur entsprechend punktuelle und dadurch inhomogen verteilte Druckverformungen erzeugen. Dadurch kommt es zu Oszillationen im Kulturmediumbereich und Druck-Heterogenitäten im den biologischen Geweben im Bioreaktor.

Einzelne dieser Vorrichtungen haben gemeinsam, dass die Druckbelastungen bauartbedingt in das Kulturgefäß fest integriert sind. Hierzu zählt z. B. auch der Bioreaktor nach Hoestrup et. al. (Tissue Engineering Vol. 6, 1, 2000 pp 75-79) für Gefäße und Herzklappen. Diese Modelle sind aufwendig in der Konstruktion und teuer im Vertrieb, da das Pumpsystem durch die Integration in den Bioreaktor komplett mit dem zukünftigen Bioimplantat versandt werden muss. Eine steriltechnische Trennung von dem Pumpenkopf ist nicht vorgesehen.

Alternierende Druckquellen sind in verschiedenen anderen Systemen, wie z. B. in WO 97/49799, vorgesehen, aber nicht näher ausgeführt. In US 5,899,937 wird ein System beschrieben, das mittels eines Exzenters über einen Stempel eine flüssigkeitsgefüllte Blase komprimieren kann und dadurch eine Entleerung des Beutels und einen Flüssigkeitsstrom bewirkt. Ebenso ist eine Blase vorgesehen in US 5,792, 603 (WO 97/49799). Hierbei handelt es jedoch um ein System bei dem die Gefäße offen in einem Kulturgefäß enden, wobei eine Durchmischung intravasaler und extravasaler Flüssigkeiten erfolgt. Dies ist besonders nachteilig wenn unterschiedliche Medienzusammensetzung intravasal und extravasal benötigt werden um z. B. Wachstumsfaktoren und chemotaktische Faktoren gerichtet anbieten zu können. Dies verhindert z. B. die Induktion einer gerichteten Migration von Myofibroblasten von Besiedlungsort zu den Außenseiten und stellt einen erheblichen Nachteil im Besiedlungsprozess dar. Ebenso wird die ortspezifische Rebesiedlung mit unterschiedlichen Zellpopulationen verhindert. Ebenso kommt es hierdurch zu sofortigem Druckausgleich, wodurch keine Möglichkeit gegeben ist, unterschiedliche Druckprofile im intravasalen und extravasalen Raum zu erzeugen. In dem Bioreaktor nach Laube et. al. ist die Klappenbeweglichkeit selbst beim Anlegen von großen Volumenamplituden bereits dadurch verhindert, dass die Klappenaußenwände durch Annähen an dem Gehäuse fixiert werden müssen.

In den meisten Fällen jedoch wird der pulsatile bzw. pulsartige Strom über eine peristaltische Pumpe in herkömmlicher Weise erzeugt, wodurch die Druckamplituden hinsichtlich der Volumenveränderungen gering sind, hohe flache Frequenzen aufweisen und durch den andauernden Kneteffekt auch hohe Belastungen für den Schlauch im wochenlangen Betrieb bedeuten. Hierzu zählt z. B. Niklason et. al., Science 4, 1999 vol 284 pp 489-492 oder EP 0320 441.

Weiterhin sind Vorrichtungen beschrieben, wie z. B. in DE 199 15 610 A1, die sich insbesondere für Gefäße und Herzklappen eignen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist. Es soll ermöglicht werden, physiologische, homogene einwirkende Druck- und Volumenamplituden in einem Flüssigkeitsvolumenstrom gleichermaßen zu erzeugen. Insbesondere sollen auch in dem bioartifziellen Gewebe innerhalb des Bioreaktors in allen Bereichen vollständig homogene Druckverhältnisse erzeugt werden können. Die Vorrichtung soll an die Druck-Volumen-Compliance des zu perfundierenden Sytems regelbar adaptierbar sein. Die Vorrichtung soll modular sein, klein, gewichtssparend, zuverlässig, mit niedrigem Energieverbrauch und an beliebige zu perfundierende Systeme ankopplungsfähig bzw. kombinierbar sein und den Volumenstrom nur minimal mechanisch oder gar nicht belasten, so dass es auch mit Blut oder anderen belastungsempfindlichen Flüssigkeiten mit und ohne biologische Bestandteilen, wie Zellen oder Proteinen, verbunden werden kann. Eine weiteres Aufgabe der Erfindung ist es, einen hohen Parallelisierungsgrad auf kleinstem Raum zu erreichen, der durch die Miniaturisierung des Moduls und die direkte Ankopplungs- und Integrationsmöglichkeit an beliebige Perfusionsysteme gegeben sein soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, bzw. nach Anspruch 31 gelöst. Die abhängigen Ansprüchen enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Unter dem Begriff Fluid soll in der vorliegenden Beschreibung nicht nur Flüssigkeiten, insbesondere Blut, Nährlösungen, Öle oder technische Lösungen, sondern auch Gase verstanden werden.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Druckperfusion nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Druckperfusion nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Druckperfusion nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Druckperfusion nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Druckperfusion nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Druckperfusion nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Pumpen von Fluiden nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Pumpen von Fluiden nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Pumpen von Fluiden nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Pumpen von Fluiden nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Pumpen von Fluiden nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Pumpen von Fluiden nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Pumpen von Fluiden nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Pumpen von Fluiden nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Pumpen von Fluiden nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Druckperfusion nach der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein modulares Bauteil gezeigt, das an einen Bioreaktor 3 angekoppelt ist. Das Modul besteht aus zwei Ventilen 1A und 1B und einem Kolben 2 und ist an den Bioreaktor über eine Sterilkupplung anpassbar und direkt, wie in Fig. 1 gezeigt, in den Einflussbereich integrierbar. Die Ventile 1A und 1B öffnen beide in dieselbe Richtung, in Fig. 1 nach links, hin zum Bioreaktor. Hierdurch wird ein Volumenstrom erzeugt, der in den Reaktorbereich mit einer hohen Amplitude und Druckkurve eingebracht wird. Hierdurch kann ein Öffnen- und Schliessen eines in den Bioreaktor eingebrachten Implantats, wie z. B. einer aus allogenen Herzklappe, erreicht werden. Besonders eignen sich für die Ventile 1A und 1B zweiflügelige Klappen, die sich passiv durch Veränderungen des Volumenstroms öffnen oder schließen. Andere Rückschlagventile, wie z. B. Kugeln in einem konisch sich verjüngenden Rohrabschnitt, sind ebenso möglich.

In der Fig. 1 ist das Perfusionsmodul in einer sagittal ausgerichtet Form gezeigt. Dies hat den Vorteil, dass die Rückwärtsbewegung des Kolbens 2 über die Öffnung des Ventils 1A ein Schließen des Herzklappensegels verstärkt bewirkt, und damit auch eine Entleerung des Bioreaktors ermöglicht. Durch die Vorwärtsbewegung des Kolbens 2 kommt es zu einem Verschluss des Ventils 1B und einer Öffnung des Ventils 1A mit einer nachfolgenden Öffnung der Bioklappe im Bioreaktor. Über das Reservoir 4 wird bei der Rückwärtsbewegung des Kolbens 2 zugleich Fluid bzw. Medium angesaugt, und bewirkt eine Kammerfüllung in dem Perfusionsmodul. Dieses wird im Kreislauf wieder gefüllt. Ein Druckausgleich findet über einen Sterilfilter 5 statt.

Die Fig. 5 zeigt, dass die Volumenveränderungen in dem Perfusionsmodul auch durch die Verschiebung einer Platte 6 erreicht werden kann, die über zwei Ventile 7A und 7B mittels Druckluft und Vakuum alternierend bewegt werden können. Dies hat den Vorteil, dass die klassische und aufwendige Stempeltechnik entfällt. Diese benötigt außerdem einen zusätzlichen äußeren Motor, wie in Fig. 1 gezeigt.

Noch kompakter ist die Vorrichtung nach Fig. 2 aufgebaut, bei der als bewegliche Platte 6 ein permanenter Magnet mit einer biokompatiblen bzw. flüssigkeitsdichten oder nicht erosiven Umkapselung mit z. B. einer Kunststoffschicht aus Silikon oder Teflon 6' zugleich eine Abdichtfunktion übernehmen kann. Ebenso kann eine Ummantelung mit einem weiterem Metall (z. B. Titan, Edelstahl) erfolgen. Hierzu ist eine Dichtring aus z. B. Teflon oder Silikon kombinierbar. Wesentlich ist aber, dass durch Integration einer Stromspule, an der alternierend Minus-Pole 7' oder Plus-Pole 7'' erzeugt werden, ein abwechselnd anziehendes bzw. abstoßendes Kraftfeld auf den permanenten Magneten erzeugt werden kann. Alternativ können zu der Verwendung von permanenten Magneten auch paramagnetische Partikel in die Platte 6 integriert werden, wodurch eine noch verbesserte Ausrichtung hinsichtlich des Kraftfeldes der Spule 7 erreicht werden kann. Der Vorteil des magnetischen Prinzips ist, dass aufwendige externe Motoren oder Druckluft bzw. Vakuumsysteme, wie in Kombination mit der Perfusiontechnik hier noch beschrieben, dabei aber entfallen können. Erst hierdurch wird das gesamte Modul sehr klein, da das Krafterzeugungs- bzw. das auf externe Kräfte reagierende Modul in das Bewegungsmodul integriert ist. Es ist lediglich eine Stromquelle und eine herkömmliche elektronische Steuerung erforderlich.

In der Fig. 3 wird gezeigt, dass in die Platte 6 auch eine eigene elektrische Spule 8 integrierbar ist, die mittels elastischer Verbindungskabel an eine alternierend zu 7' und 7'' gepolte Stromquelle 10' und 10'' angeschlossen ist.

In der Fig. 4 ist gezeigt, wie in den Kreislauf ein Knorpelzell- Knochenzellbioreaktor 12 integriert ist. Hierbei können auch Stammzellen integriert werden. Durch den Einsatz eines Sperrventils 11 ein Druckanstieg in dem Bioreaktor gekoppelt mit einem Volumenstrom realisierbar. Dies ist besonders wichtig für die Differenzierung von Knorpel aber auch Knochenstrukturen, sowie von Kombinationen z. B. unter Verwendung von phasenreinem beta- Trikalziumphosphaten als Besiedlungsgrundlage.

Die Fig. 5 zeigt ein integratives System in dem das magnetische Perfusionsprinzip in einen Bioreaktor für die Erstellung von Knorpelstrukturen integriert ist. Die Zellkultur ist hierbei in einem herausnehmbaren Einsatz (13) angebracht. Für die Entnahme des Einsatzes kann der Bioreaktor bei 14 mittels z. B. eines Dreh- oder Klammerverschlusses geöffnet oder geschlossen werden.

Die Fig. 7 zeigt den Einsatz des magnetischen Pumpmechanismus, um eine Membran zu bewegen und dadurch einen Volumenstrom zu erzeugen.

In der Fig. 8 ist die Verwendung des magnetischem Pumpsystems gezeigt, um Flüssigkeiten, wie z. B. Blut, wässrige Lösungen oder Gase, zu pumpen, ohne dass ein Behandlungsmodul wie z. B. ein Zellkultursystem (z. B. ein Bioreaktor) versorgt wird. Ein Anwendung ist z. B. eine extrakorporale Perfusion bei Herz- Lungenmaschinen oder zur Unterstützung bei Lebertransplantationsoperationen nach Hepatektomie. Die bisherigen Rotationspumpen führen zu gleichmäßigen Volumenströmen, sind sehr teuer und aufwendig in der Herstellung. Vorteil des Einsatzes des erfindungsgemäßen Pumpprinzips in der extrakoporalen Perfusion ist die Wiederherstellung physiologischer Druckamplituden. Diese sind wichtig für den Erhalt von Organfunktionen und die zelluläre Differenzierung insbesondere beim längerfristigen Einsatz.

In der Fig. 9 ist eine doppelseitige Pumpkammer gezeigt. Die Platte 16 bewegt sich oszillierend in der Kammer wobei die mit Klappen gekoppelten Auslassöffnungen 17' und 17'' jeweils gegensinnig zu den Einlassöffnungen 18' und 18'' gesteuert sind. In der Mitte befindet sich wieder eine bewegliche Platte mit einem permanentem Magneten, Paramagneten oder durch Magnetismus beeinflussbaren Material oder einer Elektrospule.

In der Fig. 10 ist der Aufbau für einen Kolbenmotor gezeigt. Hierbei bewegt sich die Platte, unterstützt durch Rollen 19' bis 19'''' in einer Kammer. An den Innenseiten der Kammern 20' und 20'' sind elektrische Leiter angebracht, die mittels der Rollen 20' bis 20'''' Kontakt mit der Platte 6 bekommen, innerhalb derer sich wieder eine elektrische Spule befindet. Auf die Platte 6 ist ein Stab angebracht, der wie ein Kolben die Kraft der Bewegung nach außen überträgt. Dies kann eingesetzt werden in Fahrzeugen oder als Ersatz für klassische Verbrennungsmotoren.

In der Fig. 11 ist das gleiche Prinzip dargestellt wie in Fig. 10, jedoch wird hierbei gleichzeitig eine Zug- und Druckrichtung der Kolben 21 und 21' ermöglicht. Die elektrischen Magnetfelder in 22 und 23 sind hierbei immer gegensinnig orientierbar und das Magnetfeld in der Platte (Stempel) 6 ist gleichbleibend. Alternativ kann das Feld in 6 immer wechseln und die Felder in 22 und 23 immer gleich bleiben. Über den Rollenmechanismus 19'-19'''' wird wie in Fig. 10 der Strom zur Spule in der Platte 6 geführt. In der Fig. 12 ist die Verwendung eines permanenten Magneten in der Platte 6 gezeigt.

In der Fig. 13 ist eine Ausführung gezeigt, in der der magnetische Pumpmechanismus direkt in einer elastischen Röhre wie in einem Schlauch in die Wandstrukturen entweder als Halbschalen oder zu befestigende oder zu integrierende Aufsätze angebracht ist. Dies hat den Vorteil, dass dadurch ein universelles Pumpmodul entsteht, das direkt in Kreisläufe oder Schlauch-, bzw. Röhrensysteme integrierbar ist. In der Fig. 13a sind Halbschalen 24 und 25 gezeigt, die mit der Wand des Schlauchsystems durch elastische Kunststoffe verbunden sind. Diese Materialien können aus konventionellen elastischen Bändern bestehen oder auch eine direkte Integration in die Wandstruktur des Schlauches besitzen. Von außen können zusätzliche Spulen 26 und 27 angebracht werden um die Pumpkraft zu erhöhen. Diese dadurch in sich selbst bewegliche Pumpe ist in Kombination mit den passiv beweglichen Klappen 1A und 1B ein universell einsetzbares Pumpenelement.

Die hohe Schonung des internen Perfusats ermöglicht auch den Einbau in den Körper als Herzunterstützungssystem in Kombination mit einer Batterie (intern) oder einem magnetischem Feld das von außen an den Körper (z. B. Thorax) angebracht wird. Die Kraftübertragung nach innen zum Implantat ist nicht invasiv und ohne mechanische Belastung des Körpers. Bei Implantaten empfiehlt es sich permanente Magneten oder sog. Paramagnete in (nano-)partikulärer Form in die Wandstrukturen des Schlauchimplantats zu integrieren, so dass hierbei durch Veränderungen der externen magnetischen Feldrichtung eine Kontraktion des Schlauchlumens erreicht werden kann. Hierzu können die externen Pole kontrolateral, d. h. vor und hinter dem Thorax angebracht werden. In der Fig. 13b und c wird die Anbringung einer externen Batterieeinheit 28, 29 um einen Schlauch 27 mit 2 beweglichen Platten 6 und 6' gezeigt, die zu passiven Volumenänderungen des Schlauches 6 führen.

In der Fig. 14 wird gezeigt, wie magnetische oder magnetisierbare Stäbe (30) in die Wandstruktur (31) eines Schlauches (32) integriert sind. Durch eine in Umfangsrichtung angebrachte elektrische Spule wird eine magnetisches Feld im Inneren erzeugt, das zu passiven Volumenveränderungen des Schlauches (32) führt. Der Schlauch ist von einer elektrischen Spule (34) umgeben.

In der Fig. 15 wird gezeigt, wie in den Schlauch selbst eine elektrische Spule (34) integriert ist. Außerhalb ist die elektrischen Spule (33) angebracht.

Eine weitere Vereinfachung stellt die Einbringung oder elastische Ummantelung eines Schlauches mit einer elastischen Spule (35) dar. Durch Veränderungen des elektrischen Durchströmungsrichtungen kommt es zu Feldveränderungen, die die elastischen Spulenringe zueinander anziehen oder abstößt. Durch die Verbindung mit dem elastischen Schlauch kommt es zu Pumpprozessen, die wiederum durch passive Klappen gerichtet werden können.

In der Fig. 16 wird ein Beispiel für eine Parallelisierung gegeben. Hierzu sind z. B. miniaturisierte Pumpmodule 36 auf Kammern 44 aufgebracht, die Zellkulturen 45 enthalten können. Das Volumen dieser Kammern entspricht z. B. 200-500 µl und enthält primäre Zellen in rekonstruieren Gebewebeschnittenkulturen. Die magnetisch anziehbare und abstoßbare Platte 37 kann sich gerichtet in dem Pumpmodul auf und ab bewegen. Durch eine von der Zellkulturkammer bzw. der Reaktion auch ohne zelluläre Systeme vorgesehen Reaktionskammer 44 wegführende Bewegung öffnet sich das Ventil 40 und Frischmedium wird durch Volumenerhöhung in die Reaktionskammer 44 eingeführt. Die Umkehrbewegung führt zu einer internen Druckzunahme in der Reaktionskammer und zu einem Öffnen des Ventils 38, wodurch ein volumenmäßig definierbarer Anteil des Reaktionskammerinhalts ausgetrieben werden kann. Diese Durchmischung hat z. B. in der Zellkultur den Vorteil, dass in der Kammer die durch die Zellen vor Ort produzierten und damit angereicherten Cytokine und Wachstumsfaktoren trotz der Zufuhrs von Frischmedium in Anteilen verbleiben können. Diese Kulturführung ist schonender als der komplette Austausch der Nährflüssigkeit. Diese Technologie ermöglicht somit auch bei einer batchweisen, d. h. schubweisen Nährstoffführung auch erstmals in nicht in nicht rezirkulierenden Systemen eine lokale definierte Durchmischung zu erhalten. Dadurch lassen sich die Vorteile der nichtrezirkulierenden Systeme, wie Dosierbarkeit und Definier- und Planbarkeit insbesonders bei pharmakologischen Untersuchungen in Minisystemen mit den zellbiologischen Vorteilen einer weitestgehenden biologischen Milieukonstanz verbinden. Die Vertikalbewegungen der Zwischenplatten 37 können durch entsprechende Positionierung und Vertikalbewegung einer Deckplattenstruktur 35 in der entsprechend positionierte Magnete oder Spulen sich befinden verursacht werden. Der Betrieb kann auch bei einer fixierten Deckplattenstruktur 35 vorgenommen werden, wenn in diesem Fall wechselnde Orientierungen von Magnetfeldern in dieser Struktur durch wechselnde Stromdurchführungen in Elektrospulen induziert werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Pumpen eines Fluides, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen diskontinuierlichen, insbesondere einen schubweisen Förderstrom des Fluides erzeugen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung periodisch arbeitet, wobei pro Arbeitszyklus ein Volumenanteil des Fluides schubweise gefördert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass pro Arbeitszyklus der Förderstrom des Fluides zumindest kurzzeitig zum Erliegen kommt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein erstes Bauteil (1A) zur Verhinderung und/oder zur Verminderung einer Rückströmung umfasst, insbesondere ein 2/2-Wegeventil, ein federbeaufschlagtes Rückschlagventil oder ein nicht federbeaufschlagtes Rückschlagventil, wobei das erste Bauteil (1A) zur Verhinderung einer Rückströmung stromabwärts angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein zweites Bauteil (1B) zur Verhinderung und/oder zur Verminderung einer Rückströmung umfasst, insbesondere ein 2/2-Wegeventil, ein federbeaufschlagtes Rückschlagventil oder ein nicht federbeaufschlagtes Rückschlagventil, wobei das zweite Bauteil (1B) zur Verhinderung einer Rückströmung stromaufwärts angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bauteil (1A; 1B) zur Verhinderung und/oder zur Verminderung einer Rückströmung jeweils eine oder mehrere Klappen umfassen, die druckabhängig nur in die zu erreichende Strömungsrichtung öffnen können, so dass eine Rückströmung bei geschlossenen Klappen verhindert und/oder vermindert wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bauteil (1A; 1B) zur Verhinderung und/oder zur Verminderung einer Rückströmung jeweils eine Kugel umfassen, wobei eine Rückströmung dadurch verhindert und/oder vermindert wird, dass die Kugel die Einlassöffnung abdichten kann.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mechanismus oder eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung des Öffnens und des Schließens des ersten Bauteils (1A) und/oder des zweiten Bauteils (1B) zur Verhinderung der Rückströmung vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderstrom durch einen Kolben (2) erzeugt wird, der in einem Zylinder (50) in dessen Achsrichtung bewegbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) in dem Zylinder (50) durch einen Motor, insbesondere einen Elektromotor oder einen Piezomotor, angetrieben wird.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) einen oder mehrere erste Magnete (52), insbesondere Permanentmagnete, Elektromagnete und/oder sonstige magnetisch wirkende bzw. beeinflussbare Materialien, umfasst.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere zweite Magnete (51), insbesondere Permanentmagnete, Elektromagnete und/oder sonstige magnetisch wirkende bzw. beeinflussbare Materialien, welche ein Magnetfeld erzeugen, wobei der zweite oder die zweiten Magnete (51) an einem Ende des Zylinders angeordnet ist, so dass im Zusammenwirken mit dem oder mit den ersten Magnete (52) eine Verschiebung des Kolbens (2) erreicht wird.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der ersten und/oder zweiten Magnete (52; 51) ein Elektromagnet ist, so dass durch sein wechselndes Magnetfeld der Kolben (2) im Zylinder (50) entlang dessen Achse hin- und herbewegt wird.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) mit Kunststoff, insbesondere mit Silikon, Teflon oder Metalle, wie Titan oder Edelstahl, ummantelt ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) elastisch gelagert ist, insbesondere durch einen elastischen Balg (54) mit Falten.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elastischen Balg (54) mit Falten die Funktion einer Druck- bzw. Zugfeder hat.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckfeder oder eine Zugfeder mit dem Kolben in Verbindung steht.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) durch Rollen und/oder Führungsschienen verschiebbar gelagert ist.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Kolben (2) angeordnete erste Elektromagnet (52) über Stromleitungen versorgt wird, die dem elastischen Balg (54) angeordnet sind.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Kolben (2) angeordnete erste Elektromagnet (52) über Schienen, die entlang des Zylinders (50) verlaufen und identisch mit den Führungsschienen sein können, mit Strom versorgt wird.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zylinder (50) eine Membran (15) vorgesehen ist, welche den Zylinderraum, in dem sich der Kolben (2) bewegt, abdichtet.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende des Zylinders (2) eine Öffnung vorgesehen ist, durch welche der Kolben mit Druckluft beaufschlagt werden kann.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben unter Unterdruck zurückgeführt werden kann.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilsystem (7A; 7B) zur Steuerung der Druckluft und/oder zur Steuerung der Absaugen der zugeführten Druckluft vorgesehen ist.

23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderstrom durch einen hohlen Körper (55) erzeugt wird, der zumindest in einem Teilbereich elastisch deformierbar ist, so dass der Körper (55) durch Deformation das Volumen seines Innenraumes verändern kann.

24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformation des hohlen Körpers (5) durch eine Einheit erreicht wird, die mechanische und/oder magnetische Kräfte erzeugen kann.

25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung des hohlen Körpers (55) ein oder mehrere erste Magnete, insbesondere Permanentmagnete, Elektromagnete und/oder sonstige magnetisch wirkende bzw. magnetisch beeinflussbare Materialien, angeordnet sind, um so die magnetisch wirkenden Kräfte auf den hohlen Körper (55) zu übertragen.

26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten an zwei gegenüberliegenden Seiten der Wandung des hohlen Körpers (55) angeordnet sind, wobei die Magnetfeldausrichtung des oder der Magneten an der einen Seite zum Innenraum des hohlen Körpers hin gerichtet sind, und die Magnetfeldausrichtung des oder der Magneten an der anderen Seite eine um 180° gedrehte Ausrichtung aufweisen in Bezug auf die Magneten auf der einen Seite.

27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere zweite Magnete, insbesondere Permanentmagnete, Elektromagnete und/oder sonstige magnetisch wirkende bzw. magnetisch beeinflussbare Materialien, welche ein Magnetfeld erzeugen, so dass über den oder die zweiten Magnete eine Deformation des hohlen Körpers (55) erreicht wird.

28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Aufteilung des Pumpraumes in zwei Pumpkammern (56, 57).

29. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei Pumpkammern (56, 57) ein drittes Bauteil zur Verhinderung und/oder zur Verminderung einer Rückströmung angeordnet ist, insbesondere ein 2/2-Wegeventil, ein federbeaufschlagtes Rückschlagventil oder ein nicht federbeaufschlagtes Rückschlagventil.

30. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Pumpkammern (56, 57) innerhalb des Zylinders (50) angeordnet sind, wobei der Kolben (2) die Pumpkammern voneinander trennt.

31. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere dritte Magnete (53), insbesondere Permanentmagnete, Elektromagnete und/oder sonstige magnetisch wirkende bzw. magnetisch beeinflussbare Materialien, welche ein Magnetfeld erzeugen, wobei der dritte oder die dritten Magnete (53) an dem den zweiten Magnet (51) gegenüberliegenden Ende des Zylinders angeordnet ist, so dass im Zusammenwirken mit dem ersten oder mit den ersten Magneten (52) eine Verschiebung des Kolbens (2) erreicht wird.

32. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Pumpkammern (56, 57) innerhalb des hohlen Körpers (55) angeordnet sind, wobei eine Zwischenwandung die Pumpkammern voneinander trennt, in welcher ebenfalls ein oder mehrere erste Magnete, insbesondere Elektromagnete, Permanentmagnete oder sonstige magnetisch wirkende bzw. magnetisch beeinflussbare Materialien, angeordnet sind, deren Magnetfeld so ausgerichtet ist, dass die Pumpkammern (56, 57) gegensinnig ihr Volumen vergrößern bzw. verkleinern.

33. Bioreaktor, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Pumpen eines Fluides nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

34. Bioreaktor nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche an den Bioreaktor insbesondere über eine Sterilkupplung angekoppelt ist.

35. Bioreaktor nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in bzw. an dem Bioreaktor integriert ist.

36. Bioreaktor, nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reservoir (4) für Nährlösung vorgesehen ist.

37. Bioreaktor, nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass ein Puffer- bzw. ein Druckausgleichsbehälter vorgesehen ist.

38. Bioreaktor, nach einem der Ansprüche 33 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sterilfilter (5) vorgesehen ist.

39. Bioreaktor, nach einem der Ansprüche 33 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in einem Kreislauf verläuft.

40. Bioreaktor, nach einem der Ansprüche 33 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pumpengehäuse eine Einrichtung zur Kultivierung von Zellen vorhanden ist.

41. Bioreaktor, nach einem der Ansprüche 33 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenbereich des Pumpengehäuses zur Kultivierung von Zellen geeignet ist.

42. Bioreaktor, nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Kultivierung von Zellen herausnehmbar ist.

43. Verwendung einer Vorrichtung zum Pumpen eines Fluides nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Druckbeaufschlagung von Zellen in einem Bioreaktor.

44. Anordnung zum Pumpen einer Vielzahl von Einzelströmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Vielzahl von Vorrichtungen zum Pumpen eines Fluides nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.

45. Anordnung zum Pumpen einer Vielzahl von Einzelströmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Vorrichtungen zum Pumpen eines Fluides auf einer Platte (34) angeordnet sind.

46. Anordnung zum Pumpen einer Vielzahl von Einzelströmen, dadurch gekennzeichnet, dass an die Vielzahl von Vorrichtungen zum Pumpen eines Fluides jeweils Bioreaktoren angeschlossen sind.

47. Vorrichtung zum Pumpen eines Fluides nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Implantat in einem menschlichen Körper zur Unterstützung und/oder zum Ersatz der Herzfunktion eingesetzt werden kann, wobei der zweite bzw. die zweiten Magnete seitlich am Brustkorb des Patienten anliegen, insbesondere im Bereich des Herzens auf der Brust und/oder auf dem Rücken.

48. Verwendung einer Vorrichtung zum Pumpen eines Fluides nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Implantat in einem menschlichen Körper zur Unterstützung und/oder zum Ersatz der Herzfunktion.

49. Elektromagnetisch angetriebener Motor, umfassend einen Zylinder (50) und einen Kolben (2), der in der Achsrichtung des Zylinders (50) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Kolben (2) ein oder mehrere erste Magnete (52), insbesondere Permanentmagnete, Elektromagnete und/oder sonstige magnetisch wirkende Materialien, angeordnet sind.

50. Elektromagnetisch angetriebener Motor nach Anspruch 40, gekennzeichnet durch einen oder mehrere zweite Magnete (51), insbesondere Permanentmagnete, Elektromagnete und/oder sonstige magnetisch wirkende Materialien, welche ein Magnetfeld erzeugen, wobei der zweite oder die zweiten Magnete (51) an einem Ende des Zylinders (50) angeordnet ist, so dass über den oder die ersten Magnete (52) eine Verschiebung des Kolbens (2) erreicht wird.

51. Elektromagnetisch angetriebener Motor nach Anspruch 40 oder 41, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der ersten und/oder zweiten Magnete (52; 51) ein Elektromagnet ist, so dass durch sein wechselndes Magnetfeld der Kolben (2) im Zylinder (50) entlang dessen Achse hin- und herbewegt wird.

52. Elektromagnetisch angetriebener Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit Kunststoff, insbesondere mit Silikon ummantelt ist.

53. Elektromagnetisch angetriebener Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben elastisch gelagert ist, insbesondere durch einen elastischen Balg (54) mit Falten.

54. Elektromagnetisch angetriebener Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) durch Rollen und/oder Führungsschienen verschiebbar gelagert ist.

55. Elektromagnetisch angetriebener Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Kolben (2) angeordnete erste Elektromagnet (52) über Stromleitungen versorgt wird, die dem elastischen Balg angeordnet sind.

56. Elektromagnetisch angetriebener Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Kolben (2) angeordnete erste Elektromagnet (52) über Schienen, die entlang des Zylinders verlaufen und identisch mit den Führungsschienen sein können, mit Strom versorgt wird.

57. Elektromagnetisch angetriebener Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere dritte Magnete, insbesondere Permanentmagnete, Elektromagnete und/oder sonstige magnetisch wirkende Materialien, welche ein Magnetfeld erzeugen, wobei der dritte oder die dritten Magnete an dem den zweiten Magnet (51) gegenüberliegenden Ende des Zylinders angeordnet ist, so dass im Zusammenwirken mit dem ersten oder der ersten Magneten (52) eine Verschiebung des Kolbens (2) erreicht wird.

58. Elektromagnetisch angetriebener Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung des Kolbens (2) innerhalb des Zylinders (50) über einen Pleuel in eine Drehbewegung einer Welle umgesetzt wird.