DE20207617U1

DE20207617U1 - Bioreaktor

Info

Publication number: DE20207617U1
Application number: DE20207617U
Authority: DE
Original assignee: BIONICOR GmbH
Current assignee: Jotec GmbH
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2012-05-16

Description

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bionicor gmbh

Lotzenäcker 3

72379 Hechingen

Bioreaktor

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor, mit dessen Hilfe medizinische Substrate, wie beispielsweise Gefäß-, Herz- oder Venenklappensubstrate, mit biologischen Zellen besiedelt werden können, um somit die Gefahr einer Abstoßung dieser Substrate durch den menschlichen Körper zu verhindern.

Ein Verfahren zur Besiedlung von Substraten mit biologischen Zellen ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 199 15 610 beschrieben. Das Verfahren wird mit einem Gefäß, einem so genannten Bioreaktor, in welchem ein darin gehaltenes zu besiedelndes Substrat den zur Besiedlung vorgesehenen Zellen ausgesetzt wird, durchgeführt. Vorzugsweise wird das Substrat immer wieder gedreht, um die für die Besiedlung vorgesehene Zellen immer wieder in Kontakt mit dem Substrat zu bringen. Das medizinische Substrat kann in diesem Bioreaktor zusätzlich mit Nähr- oder Zelllösungen oder anderen Substanzen behandelt werden.

Bei einer solchen Behandlung eines medizinischen Substrats, um dieses Substrat mit biologischen Zellen zu besiedeln, kommt es sehr darauf an, dass das Substrat bei der Handhabung, bei-

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spielsweise beim Einführen und Befestigen im Bioreaktor und auch beim anschließenden Herausnehmen aus dem Bioreaktor nicht verunreinigt wird und dass die Substrat- und Besiedlungsintegrität nicht geschädigt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Bioreaktor zur Besiedlung von medizinischen Substraten mit biologischen Zellen, der eine aseptische und das Substrat und die Zellbesiedlung nicht störende Handhabung des Substrats ermöglicht und der es außerdem erlaubt, das Substrat vielfältigen Behandlungen zu unterziehen, bereitzustellen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Bioreaktor, der die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale aufweist, gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen an.

Der erfindungsgemäße Bioreaktor zur Besiedlung von medizinischen Substraten mit biologischen Zellen umfasst ein Substrathalteelement, mit dem das medizinische Substrat, wie beispielsweise ein Gefäßsubstrat oder ein Herzklappensubstrat, gehalten wird, und ein dieses Substrathalteelement umgebendes abdichtbares Gehäuse.

Das Substrathalteelement besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus zwei Endelementen und einem diese verbindenden Brückenelement, die vorzugsweise lösbar miteinander verbunden werden können. Die lösbare Verbindung zwischen dem Brückenelement und den Endelementen kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass das Brückenelement an seinen Enden Schnappelemente, beispielsweise ringförmige Schnappelemente, aufweist, die in entsprechende Vertiefungen der Endelemente eingreifen.

Das Brückenelement muss zusammen mit den Endelementen das zu besiedelnde Substrat sicher halten können. Dabei muss auch gewährleistet werden, dass die Substratflächen für die Besied-

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lung mit den biologischen Zellen frei zugänglich sind. Insgesamt ist es daher vorteilhaft, wenn das aus dem Brückenelement und den Endelementen bestehende Substrathalteelement das zu haltende Substrat in einer beabstandeten Weise umgibt. So bleibt die freie Zugänglichkeit des Substrats erhalten, das Substrathalteelement kann gehandhabt werden, ohne dass man das Substrat selbst berühren muss, und das Substrat kann sicher im Substrathalteelement gehalten werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht daher das Brückenelement, das die beiden Endelemente des Substrathalteelements verbindet, aus einem oder mehreren Längsprofilen, wobei diese mit kleinen Öffnungen versehen sein können, sodass durch diese Öffnungen biologisches Nahtmaterial hindurchgeführt, und somit das Substrat sicher befestigt werden kann. Damit ist das Substrat am Substrathalteelement vor der zyklischen Deformation durch sein Eigengewicht während der Rotation im Bioreaktor und während der Handhabung sicher geschützt.

Für eine gute Befestigung des Substrats am Substrathalteelement ist es weiter vorteilhaft, wenn auch die Endelemente eine Substratbefestigungsvorrichtung aufweisen. Diese kann je nach der Art des zu haltenden Substrats unterschiedliche Formen aufweisen. Es können beispielsweise Hohlzylinder oder Kegel verwendet werden. Die Kegel dienen zur Vergrößerung des Anschlussdurchmessers beispielsweise bei Herzklappensubstraten. Die vorzugsweise aus medizintechnischem Silikon hergestellten Kegel können selbsttragende Strukturen sein, an die z. B. ein Herzklappensubstrat wie bei einer Implantation angenäht werden kann. Die Kegel lassen sich auf andere Durchmesser trimmen und auf einen Hohlzylinder verschieben, um so eine Anpassung an den Durchmesser und die Länge des Substrats zu ermöglichen. Dabei können auch hier kleine Öffnungen vorgesehen sein, sodass durch diese wiederum chirurgisches Nahtmaterial zur Befestigung hindurchgeführt werden kann.

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Da die Endelemente mit dem Gehäuse in einer abdichtenden Weise verbunden werden müssen, ist es vorteilhaft, wenn diese eine die Abdichtung erleichternde Form aufweisen. Dazu können sie beispielsweise in Form von Dichtkegeln ausgebildet sein, die in eine entsprechende Aufnahme im Gehäuse eingefügt werden können.

Das Gehäuse des Bioreaktors besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform zunächst aus einem Gehäusehauptteil, in dem sich später das Substrathalteelement befindet. Im Gehäusehauptteil können inwendig zwei oder mehrere axiale Nuten vorgesehen sein. Diese Nuten können die Längsprofile des Brückenelements aufnehmen. Dadurch wird eine Torsion des filigranen Brückenelements beim Zuschrauben der Deckelelemente verhindert. Das Gehäusehauptteil kann beispielsweise in Form eines länglichen Zylinders mit zwei offenen Enden ausgebildet sein. Die beiden Enden werden dann mit Deckelelementen abdichtend verschlossen. So ist gewährleistet, dass das Substrathalteelement leicht in das Gehäuse eingeführt und wieder aus ihm entnommen werden kann, wobei das Gehäuse abdichtend gegenüber der Umgebung verschließbar ist.

Um die biologischen Zellen oder andere Stoffe, wie Nährlösungen, in den Bioreaktor einführen und wieder abführen zu können, sind die Deckelelemente vorzugsweise mit Öffnungen und entsprechenden Anschlussstutzen für Schläuche versehen. Diese Anschlüsse können beispielsweise als Schlauchstutzen oder Luer-Lock-Stutzen ausgebildet sein. Mit diesen Anschlüssen können auf der Innenseite auch stationäre Kanülen verbunden sein, um so die zugeführten Stoffe an ganz bestimmte Stellen des Substrats heranzuführen. Da der Bioreaktor vorteilhafterweise gedreht wird, damit das Substrat möglichst vollständig mit den biologischen Zellen oder anderen Stoffen in Berührung kommt, ist es ratsam, die Anschlüsse an den Deckelelementen in Form von Drehdurchführungen auszuführen.

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Damit eine gute Abdichtung zwischen Deckelelementen und dem Gehäusehauptteil als auch, sofern gewünscht, zwischen den Deckelelementen und dem Substrathalteelement erreicht werden kann, sind die Deckelelemente vorteilhafterweise mit Dichtvorrichtungen, beispielsweise in Form von O-Ringen versehen.

Wenn der Bioreaktor in einer handelsüblichen Rollvorrichtung um seine Längsachse gedreht werden soll, ist es zur Steigerung des Reibungsmoments zwischen Bioreaktor und Rollvorrichtung vorteilhaft, wenn der äußere Umfang der Deckelelemente mit einer die Reibung erhöhenden Reibungsfläche versehen ist. Diese Reibungsfläche kann zur besseren Orientierung des Laborpersonals auch eingefärbt sein. Dabei kann beispielsweise eine blaue Einfärbung gemäß den medizinischen Konventionen den Einlass und eine rote Farbe den Auslass am Bioreaktor bezeichnen.

Es ist vorteilhaft, wenn das Gehäuse des Bioreaktors transparent ist, sodass man die in ihm ablaufenden Vorgänge besser beobachten kann.

Der gesamte Bioreaktor sollte, zumindest an seiner Innenseite, aus gut sterilisierbarem Material bestehen. Dabei bietet sich die Verwendung von Kunststoffen, wie beispielsweise Polycarbonat oder Fluoräthylen-Propylen, PTFE oder PSU an.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Bioreaktors wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1

eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bioreaktors;

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Fig. 2 eine Ausführungsform des Substrathalteele

ments, mit dem ein Gefäßsubstrat gehalten wird;

Fig. 3 eine Ausführungsform des Substrathalteele

ments, mit dem ein Herzklappensubstrat gehalten wird;

Fig. 4 die Ausführungsform des Substrathalteele

ments der Fig. 2 in seinem zusammengefügten Zustand;

Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V

durch den Bioreaktor aus Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bioreaktors dargestellt. Der Bioreaktor besteht aus einem Gehäuse und einem Substrathalteelement. Das Gehäuse besteht aus einem hier zylinderförmig ausgebildeten Gehäusehauptteil 10, das an seinen beiden offenen Enden mit je einem Deckelelement 20 abgeschlossen ist. Im Inneren erkennt man das Substrathalteelement, das aus einem Brückenelement 3 0 und zwei an den Enden angeordneten Endelementen 3 2 besteht. Der genauere Aufbau des Substrathalteelements wird aus den später erläuterten Zeichnungsfiguren 2 bis 4 deutlicher. Im Substrathalteelement wird zwischen den beiden Endelementen 32 das zu besiedelnde Substrat 50, das hier in Form eines länglichen Gefäßsubstrats angedeutet ist, gehalten.

Die Deckelelemente 20 des Gehäuses sind mit verschiedenen Öffnungen und Anschlussstutzen 22 versehen, durch die verschiedene Stoffe, wie Zellkulturen oder Nährlösungen in den Bioreaktor gebracht werden können. Die Anschlüsse können in verschiedener Weise ausgebildet sein, und es kann auch beispielsweise eine stationäre Kanüle 24 an ihnen befestigt sein, um die zu-

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zuführenden Stoffe genauer platzieren zu können.

Die Deckelelemente 20 sind weiter mit Dichtungen 26, die hier in Form von O-Ringen angedeutet sind, versehen, um eine dichte Verbindung zwischen Deckelelement 20 und Gehäusehauptteil 10 als auch, wenn dies gewünscht wird, zwischen Deckelelement 20 und Endelement 32 des Substrathalteelements zu erhalten.

Die Deckelelemente 20 können an ihrem äußeren Umfang weiter mit Reibungsflächen 28, die hier ebenfalls in Form eines O-Rings angedeutet sind, versehen werden, um das Reibungsmoment zwischen dem Bioreaktor und einer Rollenvorrichtung, die verwendet wird, um diesen zu drehen, zu erhöhen.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Substrathalteelements, die besonders vorteilhaft ist, um ein längliches Gewebesubstrat, wie ein Gefäßsubstrat 50 zu halten. Man erkennt die beiden Endelemente 32, die hier in Form von Dichtkegeln ausgebildet sind, und das sie verbindende Brückenelement 30, das hier in Form eines Längsträgers ausgebildet ist. Das Brückenelement 30 weist an seinen Enden zwei Schnappringe 3 4 auf, die in entsprechende Vertiefungen 3 6 des Endelements eingeklippt werden können, um somit das Brückenelement 30 in lösbarer Weise mit den Endelementen 32 zu verbinden. Die Längsträger des Brückenelements 30 weisen kleine Öffnungen 38 auf, durch die chirurgisches Nahtmaterial hindurchgeführt werden kann, um das Substrat weiter zu befestigen, wie dies deutlicher in der Fig. 4 gezeigt ist. Die Endelemente weisen Substratbefestigungsvorrichtungen, die hier in Form von hohlen Zylindern 40 ausgebildet sind, auf. An diesen kann das Gefäßsubstrat 50 beispielsweise mittels chirurgischem Nahtmaterial 42 befestigt werden.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Substrathalteelements, die besonders vorteilhaft ist, um ein voluminöseres Gewebesub-

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strat, wie ein Herzklappensubstrat 50 zu halten. Als Substratbefestigungsvorrichtungen der Endelemente 32 sind hier neben den hohlen Zylindern 40 in diese variabel einschiebbare Kegel 44, beispielsweise aus Silikon, vorgesehen. Die Kegel 44 können passend zu den Abmessungen des Herzklappensubstrats 50 getrimmt werden. Das Substrat 50 wird dann wieder beispielsweise mittels chirurgischem Nahtmaterial 42 an diesen Kegeln 44 befestigt, und diese Kegel 44 lassen sich variabel verschiebbar in die hohlen Zylinder 40 einschieben, um beispielsweise den Abstand zu den Schnappringen 34 einzustellen.

Fig. 4 zeigt schließlich die Ausführungsform des Substrathalteelements der Fig. 2 in seinem zusammengefügten Zustand, d. h. im Zustand, in dem die Schnappringe 34 in die Endelemente 32 eingeklippst sind. Man erkennt hier gut, wie durch chirurgisches Nahtmaterial 42, das durch die Öffnungen 3 8 des Brückenelements 30 geführt ist, das Substrat 50 nochmals gut gegen ein Herausfallen und Deformieren während der Rotation im Reaktor und den dreidimensionalen Bewegungen während der Handhabung der Substrathalteelements gesichert wird. In diesem eingeschlossenen Zustand braucht das Substrat 50 bis zum Ende der Besiedlung mit biologischen Zellen und sogar bis zum Beginn der Implantation nicht mehr mit den Händen berührt werden. Bis zum Herausschneiden des besiedelten Gefäßsubstrats 50 vor der Implantation dient das Substrathalteelement als handberührbares Haltesystem.

Fig. 5 zeigt, dass das Gehäusehauptteil 10 innen mit zwei Längsnuten 11 versehen ist, in denen das Brückenelement 30 mit dem Substrat 50 verankert ist.

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Bezuqszeichenliste:

10 Gehäusehauptteil

20 Deckelelement

22 Anschlussstutzen

24 Kanüle

26 Dichtungselement

28 Reibungsfläche

3 0 Brückene1ement

32 Endelement

34 Schnappring

36 Vertiefung im Endelement

38 Öffnung im Brückenelement

40 hohler Zylinder

42 chirurgisches Nahtmaterial

44 Kegel

50 Substrat

Claims

1. Bioreaktor zur Besiedlung von medizinischen Substraten mit biologischen Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Substrathalteelement und ein dieses umgebendes abdichtbares Gehäuse aufweist.

2. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrathalteelement aus zwei Endelementen (32) und einem diese verbindenden Brückenelement (30) besteht.

3. Bioreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endelemente (32) lösbar mit dem Brückenelement (30) verbindbar sind.

4. Bioreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Brückenelement (30) an seinen Enden Schnappringe (34) aufweist, die in entsprechende Vertiefungen (36) der Endelemente (32) eingeklippst werden können.

5. Bioreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnappringe (34) des Brückenelements (30) durch mindestens ein Längsprofil fest miteinander verbunden sind.

6. Bioreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Längsprofil kleine Öffnungen (38) aufweist, durch die chirurgisches Nahtmaterial (42) hindurchführbar ist.

7. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endelemente (32) jeweils eine Substratbefestigungsvorrichtung (40, 44), an der das zu besiedelnde Substrat (50) befestigt werden kann, aufweisen.

8. Bioreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratbefestigungsvorrichtung in Form eines hohlen Zylinders (40) ausgebildet ist.

9. Bioreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der hohle Zylinder (40) an seinem Ende kleine Öffnungen zum Hindurchführen von chirurgischem Nahtmaterial (42) aufweist.

10. Bioreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratbefestigungsvorrichtung zusätzlich zum hohlen Zylinder (40) noch einen auf diesem variabel verschiebbaren Kegel (44) aufweist.

11. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Endelemente (32) in Form von Dichtkegeln ausgebildet sind, die abdichtend in eine entsprechende Aufnahme im Gehäuse einfügbar sind.

12. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem Gehäusehauptteil (10) mit zwei offenen Enden und zwei diese offenen Enden des Gehäusehauptteils abdichtend verschließende und lösbar am Gehäusehauptteil befestigten Deckelelementen (20) besteht.

13. Bioreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäusehauptteil (10) aus einem länglichen Zylinder besteht.

14. Bioreaktor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäusehauptteil (10) inwendig mit mehreren axialen Nuten zur Aufnahme der Längsprofile des Brückenelements (30) versehen ist.

15. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelelemente (20) Öffnungen und mit diesen verbundene Anschlussstutzen (22) aufweisen.

16. Bioreaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussstutzen (22) in Form von Schlauchstutzen und/oder Luer-Lock-Stutzen und/oder Drehdurchführungen ausgebildet sind.

17. Bioreaktor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem der Anschlussstutzen (22) innen eine stationäre Kanüle (24) befestigt ist.

18. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelelemente (20) zur abdichtenden Verbindung mit dem Gehäusehauptteil (10) und/oder dem Substratelement Dichtungselemente (26) in Form von O-Ringen aufweisen.

19. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelelemente (20) an ihrem äußeren Umfang mit Reibungsflächen (28), die auch eine spezielle Farbe aufweisen können, versehen sind.

20. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem transparenten Material hergestellt ist.

21. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratelement und das Gehäuse aus sterilisierbarem Material, wie beispielsweise Polycarbonat, Fluoräthylen-Propylen, PTFE oder PSU besteht.