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WO2002040076A1 - Method and device for producing biological prostheses - Google Patents

Method and device for producing biological prostheses Download PDF

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WO2002040076A1
WO2002040076A1 PCT/DE2001/003632 DE0103632W WO0240076A1 WO 2002040076 A1 WO2002040076 A1 WO 2002040076A1 DE 0103632 W DE0103632 W DE 0103632W WO 0240076 A1 WO0240076 A1 WO 0240076A1
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WO
WIPO (PCT)
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cell
cells
flow
bioreactor
ring line
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/DE2001/003632
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Konertz
Pascal Dochmen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AutoTissue GmbH
Original Assignee
AutoTissue GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AutoTissue GmbH filed Critical AutoTissue GmbH
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Priority to AU2002210367A priority patent/AU2002210367A1/en
Publication of WO2002040076A1 publication Critical patent/WO2002040076A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/36Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix
    • A61L27/38Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix containing added animal cells
    • A61L27/3839Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix containing added animal cells characterised by the site of application in the body
    • A61L27/3843Connective tissue
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/04Hollow or tubular parts of organs, e.g. bladders, tracheae, bronchi or bile ducts
    • A61F2/06Blood vessels
    • A61F2/062Apparatus for the production of blood vessels made from natural tissue or with layers of living cells
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    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/24Heart valves ; Vascular valves, e.g. venous valves; Heart implants, e.g. passive devices for improving the function of the native valve or the heart muscle; Transmyocardial revascularisation [TMR] devices; Valves implantable in the body
    • A61F2/2412Heart valves ; Vascular valves, e.g. venous valves; Heart implants, e.g. passive devices for improving the function of the native valve or the heart muscle; Transmyocardial revascularisation [TMR] devices; Valves implantable in the body with soft flexible valve members, e.g. tissue valves shaped like natural valves
    • A61F2/2415Manufacturing methods

Definitions

  • Rinderperi ardi m manufactured prostheses that have a similarly favorable hemodynamics as the homografts and are also available in any size and number.
  • these bioprostheses do not contain living tissue and cell growth is practically impossible. Such heart valves are therefore not capable of regeneration, not capable of growth and, moreover, are subject to gradual wear. In addition, these prostheses are classified as "foreign" by the immune system of the recipient organism and are combated by immune-competent cells.
  • DE 198 28 276 already describes a process for the production of bioartificial grafts, in which a cell-free, loosened collagen matrix has been populated with autologous cells of the transplant recipient or genetically modified cells which are compatible with the recipient ,
  • this method it is difficult to coat the collagen matrix with the body's own cells of the recipient, which is as smooth as possible, and is necessary for a trouble-free blood flow through the heart valves and in the blood vessels or bypass vessels. Trouble-free function and a long lifespan of the implant are therefore not guaranteed.
  • an acellularized bioprosthesis is located in a container which can be rotated about its longitudinal axis and / or its transverse axis and which is filled with a nutrient solution which contains the body's own or genetically identical cells of the recipient is.
  • a nutrient solution which contains the body's own or genetically identical cells of the recipient is.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method of the type mentioned at the outset for producing biological prostheses which approximate the natural conditions with regard to cell coating, in particular heart valves and blood vessels, which improves the durability and functionality of the implant in question and the quality of life of the implant Receiver increased, as well as to develop a device for performing the method.
  • the object is achieved with a method according to the features of patent claim 1 and a device for carrying out the method characterized by the features of patent claim 8.
  • an acellularized allogeneic or xenogeneic starting product for example the collagen / elastin matrix of an aortic valve from
  • Pig by rotating in a cell suspension formed from cells of the recipient of the prosthesis, is colonized with the body's own cells
  • the basic idea of the invention is that the coating of the matrix in a cell line approximating the natural flow conditions in the organs, organ parts or vessels concerned suspension current takes place.
  • the cells to be applied already learn in the coating and first growth phase to adapt to the natural conditions during the later function of the organ (in part), such as flow conditions and wall movements or strains, with regard to their arrangement, shape and adhesion, so that a complete, all-round and fast and safely growing colonization can be achieved and the new body's own cell layer creates resistance and low-friction flow conditions in the later blood-flowed areas.
  • the process is actually characterized by three settlement steps:
  • the conditioning and resting phase can be carried out in two or more substeps, each with an increased flow rate compared to the previous phase.
  • the device according to the invention for carrying out the method comprises a bioreactor that can be handled separately, rotatable in the longitudinal and transverse directions by hand or by motor, which is filled with the cell suspension and in which the implant to be coated is fixed tightly axially to the flow direction.
  • the bioreactor is integrated in a ring line which is connected to a diaphragm pump in order to generate a pulsating, variable-speed liquid flow.
  • Fig. 1 is a schematic view of a device according to the invention for coating an acellularized porcine aortic valve in a flow circuit from a body with endothelial cells of the intended recipient
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  • a second seal 19 is provided for liquid-tight fastening.
  • the aortic valve 8 is introduced into the hollow cylinder 9 in such a way that the direction of flow in the device corresponds to the natural direction of flow through the implant in the human body. Due to the fact that two quasi-identical valves are connected in series with the outlet valve 6 and the aortic valve 8, the outlet valve 6 of the diaphragm pump 3 could be dispensed with in this case. However, if blood vessels are coated with body cells in the same way, the outlet valve 6 in the diaphragm pump 3 is still required.
  • the endothelial cells proven to be viable are available from the cell cultivation described above in a number of at least 8 million in the medium also used in cell cultivation, which is 20% from the serum of the recipient commercially available cell growth agents DMEM and bFGF as well as antibiotics, L-glutamine and possibly a HEPES buffer.
  • This cell suspension is filled into the bioreactor 2 via one of the connecting pieces 12, 13 detached from the ring line 1 or a fill and drain valve 24, 25.
  • the bioreactor 2 held in a rotating device is rotated both around its longitudinal axis and around as a first step of the settlement its transverse axis and intermediate settling phases distribute the endothelial cells on the surfaces of the aortic valve 8, both under the effect of gravity and centrifugal forces.
  • the turning can preferably also be carried out manually with simultaneous visual observation.
  • a first cell conditioning step then takes place in that a pulsating cell suspension flow is generated via the membrane pump 3 at a flow rate of 11 / min in the direction of the arrow.
  • the direction of flow of the cell suspension corresponds to the direction of flow of the blood in the implanted state of the bioprosthesis.
  • Inner surfaces (flow surfaces) of the aortic valve 8 are gradually adapted in shape and orientation of the endothelial cells in shape and orientation to the flow direction and forces as well as the movements of the implant walls, ie the cells are conditioned and learn, at initially low flow velocity to be designed and arranged in such a way that in the growth phase a smooth, single-layer endothelial cell surface which opposes the flow as little as possible arises. That is, in the resting phase following the first cell conditioning step phase, which can be connected with a discontinuous rotation of the bioreactor 2, the endothelial cells have the opportunity to grow on the collagen matrix in the shape and direction learned by the previously entered flow stimuli. Cells that may have been detached when flowing through are resettled in this phase.
  • Information stimuli are provided to develop and grow in accordance with these changing flow conditions.
  • the entire previously described process of cell coating in the bioreactor 2 takes place in an incubator (not shown) in which the temperature is constantly 37 ° C. and an air humidity of 98% and a CO 2 content of 5% are maintained ,
  • the access of this atmosphere or the corresponding media to the bioreactor 2 is realized via at least one semi-permeable membrane valve 26 which is gas-permeable from the outside, but is not liquid-permeable in the opposite direction.
  • the membrane valves 26 can be arranged at a suitable point on the bioreactor 2, for example in the inserts 10, 11 or also in the ring line 1.
  • Growth phases are created under physiological flow conditions corresponding to the functions of the human heart on the collagen matrix of the bioprosthesis (aortic valve 8) provided with a submatrix of fibronectin -Recipient largely corresponds to the shape, size and location of the cells and the strength and flatness of the cell layer.
  • Implants for cardiac and vascular surgery are thus provided, the use of which is not associated with the risk of immune reactions and viral infections.
  • the cell layer applied to the implant is largely designed to approximate the physiological processes in the human organism, here the specific dynamics in the area of the heart and vessels.
  • the formation of the endothelial cell layer achieved with the method according to the invention and the corresponding device ensures, in the implanted state of the bioprosthesis, flow conditions which correspond to the natural conditions, so that the signs of wear are significantly minimized and the life of the implant can thus be increased.
  • porcine aortic valve treated as an example pulmonary or mitral valves or vessels, generally from allogeneic, xenogeneic or artificial starting material, can also be produced in the manner described.
  • Aortic valve (bioprosthesis)

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Abstract

The invention relates to a method for coating biological implants with autologous cells of the recipient, according to which the cell-free allogenic or xenogenic material foreign to the body is colonized in a speed-variable pulsating cell suspension flow close to the natural conditions in the respective organ or part of the organ. The resulting cell conditioning allows a complete, fast and safe coating with cells, the formation of which comes close to the natural conditions and guarantees a trouble-free functioning and a long life of the implant. The device for carrying out the method comprises a bioreactor (2) integrated into a loop (1) and filled with the cell suspension in which the implant (8) is axially and centrally fixated in the direction of flow. The loop (1) is connected to a pump (3) that generates a pulsating flow of medium that flows through the implant (8). The inventive coating with autologous cells can also be applied to artificial prostheses.

Description

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Rinderperi ardi m gefertigte Prothesen, die eine ähnlich günstige Hämodynamik wie die Homografts aufweisen und zudem in jeder Größe und Anzahl verfügbar sind.Rinderperi ardi m manufactured prostheses that have a similarly favorable hemodynamics as the homografts and are also available in any size and number.

Aufgrund der erforderlichen Konservierung enthalten diese Bioprothesen kein lebendes Gewebe und ein Zellwachstum ist praktisch nicht möglich. Auch solche Herzklappen sind daher nicht regenerationsfähig, nicht wachstumsfähig und zudem einem allmählichen Verschleiß unterworfen. Außerdem werden diese Prothesen vom Immunsystem des Empfängerorganismus als „fremd" eingestuft und durch immunkompetente Zellen bekämpft .Due to the required preservation, these bioprostheses do not contain living tissue and cell growth is practically impossible. Such heart valves are therefore not capable of regeneration, not capable of growth and, moreover, are subject to gradual wear. In addition, these prostheses are classified as "foreign" by the immune system of the recipient organism and are combated by immune-competent cells.

Zur Lösung dieses Problems wird in der DE 198 28 276 be- reits ein Verfahren zur Herstellung bioartifizieller Transplantate beschrieben, bei dem eine zellfrei gemachte, aufgelockerte Kollagen-Matrix mit autologen Zellen des Transplantat-Empfängers oder genetisch veränderten, für den Empfänger verträglichen Zellen besiedelt wurde. Bei diesem Verfahren bereitet jedoch die vollständige und für einen störungsfreien Blutstrom über die Herzklappen und in den Blutgefäßen bzw. Umgehungsgefäßen notwendige, möglichst glatte, feste Beschichtung der Kollagen-Matrix mit körpereigenen Zellen des Empfängers Schwierigkeiten. Eine störungsfreie Funktion und eine lange Lebensdauer des Implantats ist daher nicht gewährleistet .To solve this problem, DE 198 28 276 already describes a process for the production of bioartificial grafts, in which a cell-free, loosened collagen matrix has been populated with autologous cells of the transplant recipient or genetically modified cells which are compatible with the recipient , In this method, however, it is difficult to coat the collagen matrix with the body's own cells of the recipient, which is as smooth as possible, and is necessary for a trouble-free blood flow through the heart valves and in the blood vessels or bypass vessels. Trouble-free function and a long lifespan of the implant are therefore not guaranteed.

Zur Beseitigung dieser Nachteile wurde bereits ein Ver- fahren nebst zugehöriger Vorrichtung vorgeschlagen, bei dem sich eine azellularisierte Bioprothese in einem um seine Längsachse und/oder seine Querachse drehbaren Behälter befindet, der mit einer körpereigene oder genetisch identische Zellen des Empfängers aufnehmenden Nähr- lösung gefüllt ist. Durch schrittweises Drehen mit Sedimentationspausen oder durch kontinuierliche Rotation und die dabei auf die Zellen wirkenden Zentrifugalkräfte soll eine flächendeckende Beschichtung mit möglichst vielen lebenden Zellen gewährleistet werden.To eliminate these disadvantages, a method and associated device have already been proposed, in which an acellularized bioprosthesis is located in a container which can be rotated about its longitudinal axis and / or its transverse axis and which is filled with a nutrient solution which contains the body's own or genetically identical cells of the recipient is. By gradually turning with sedimentation breaks or by continuous rotation and The centrifugal forces acting on the cells are intended to ensure a surface-covering coating with as many living cells as possible.

Mit den bekannten Verfahren bzw. den entsprechenden Vorrichtungen ist es jedoch noch nicht möglich, eine gleichmäßige, ebenflächige und an die tatsächlichen Verhältnisse im menschlichen Körper weitgehend angepaßte vollständige Besiedlung der Kollagen-Matrix mit körpereigenen Zellen zu bewirken.With the known methods and the corresponding devices, however, it is not yet possible to achieve a uniform, flat surface and complete colonization of the collagen matrix with the body's own cells, which is largely adapted to the actual conditions in the human body.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Herstellung von biologischen, den natürlichen Verhältnissen hinsichtlich der Zellbeschichtung nahekommenden Prothesen, insbesondere von Herzklappen und Blutgefäßen, anzugeben, das die Haltbarkeit und die Funktionsfähigkeit des betreffenden Implantats verbessert und die Lebensqualität des Empfängers erhöht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln.The invention is therefore based on the object of specifying a method of the type mentioned at the outset for producing biological prostheses which approximate the natural conditions with regard to cell coating, in particular heart valves and blood vessels, which improves the durability and functionality of the implant in question and the quality of life of the implant Receiver increased, as well as to develop a device for performing the method.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einer durch die Merkmale des Patentanspruches 8 gekennzeichne- ten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst.According to the invention, the object is achieved with a method according to the features of patent claim 1 and a device for carrying out the method characterized by the features of patent claim 8.

Ausgehend von den bekannten Lösungen zur Herstellung von biologischen Prothesen, wonach ein azellularisiertes allogenes oder xenogenes Ausgangsprodukt, beispielsweise die Kollagen/Elastin-Matrix einer Aortenklappe vomStarting from the known solutions for the production of biological prostheses, according to which an acellularized allogeneic or xenogeneic starting product, for example the collagen / elastin matrix of an aortic valve from

Schwein, durch Drehen in einer aus Zellen des Empfängers der Prothese gebildeten Zellsuspension mit körpereigenen Zellen besiedelt wird, besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, daß die Beschichtung der Matrix in einem an die natürlichen Strömungsbedingungen in den betreffenden Organen, Organteilen oder Gefäßen angenäherten Zeil- suspensionsstrom erfolgt . Durch eine solche dynamische Beschichtung lernen die aufzutragenden Zellen bereits in der Beschichtungs- und ersten Wachstumsphase, sich an die natürlichen Zustände während der späteren Funktion des Organ (teils) , z.B. Strömungsbedingungen und Wandbewegungen oder -dehnungen, bezüglich ihrer Anordnung, Form und Haftung anzupassen, so daß eine vollständige, allseitige und schnelle sowie sicher wachsende Besiedlung erreicht werden kann und die neue körpereigene Zellschicht in den später blutdurchströmten Bereichen Widerstands- und reibungsarme Strömungsbedingungen schafft. Tatsächlich ist das Verfahren durch drei Besiedlungsschritte gekennzeichnet :Pig, by rotating in a cell suspension formed from cells of the recipient of the prosthesis, is colonized with the body's own cells, the basic idea of the invention is that the coating of the matrix in a cell line approximating the natural flow conditions in the organs, organ parts or vessels concerned suspension current takes place. With such a dynamic coating, the cells to be applied already learn in the coating and first growth phase to adapt to the natural conditions during the later function of the organ (in part), such as flow conditions and wall movements or strains, with regard to their arrangement, shape and adhesion, so that a complete, all-round and fast and safely growing colonization can be achieved and the new body's own cell layer creates resistance and low-friction flow conditions in the later blood-flowed areas. The process is actually characterized by three settlement steps:

1. Verteilen der Zellen auf dem in einem die1. Distribute the cells on the in one

Zellsuspension enthaltenden Bioreaktor zentrisch fixierten azellularen und mit Kleber behandelten Implantat durch Drehen des Bioreaktors mit anschließender Sedimentationsphase;Bioreactor containing cell suspension, centrically fixed acellular and adhesive-treated implant by rotating the bioreactor with subsequent sedimentation phase;

2. Überströmen der Implantatflächen mit einem den natürlichen Verhältnissen in dem betreffenden Organteil weitestgehend nachempfundenen Zellsuspensions- strom zur Konditionierung und weiteren Anlagerung der Zellen; und2. Overflow of the implant surfaces with a cell suspension flow that is largely based on the natural conditions in the organ part concerned for conditioning and further attachment of the cells; and

3. Erholen und Wachsen der konditionierten Zellen in einer an die ÜberStrömungsphase anschließenden Ruhephase .3. Recovery and growth of the conditioned cells in a resting phase following the overflow phase.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Kondi- tionierungs- und Ruhephase mit jeweils gegenüber der vorhergehenden Phase erhöhter Strömungsgeschwindigkeit in zwei oder mehreren Teilschritten durchgeführt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt einen separat handhabbaren, in Längsund Querrichtung von Hand oder motorisch drehbaren Bioreaktor, der mit der Zellsuspension gefüllt wird und in dem das zu beschichtende Implantat axial zur Durchströmungs- richtung straff fixiert wird. Für den Durchströmungs- oder Zellkonditionierungsvorgang ist der Bioreaktor in eine Ringleitung eingebunden, die zur Erzeugung eines pulsierenden, in der Geschwindigkeit veränderlichen Flüs- sigkeitsstromes an eine Membranpumpe angeschlossen ist.According to a further feature of the invention, the conditioning and resting phase can be carried out in two or more substeps, each with an increased flow rate compared to the previous phase. The device according to the invention for carrying out the method comprises a bioreactor that can be handled separately, rotatable in the longitudinal and transverse directions by hand or by motor, which is filled with the cell suspension and in which the implant to be coated is fixed tightly axially to the flow direction. For the flow-through or cell conditioning process, the bioreactor is integrated in a ring line which is connected to a diaphragm pump in order to generate a pulsating, variable-speed liquid flow.

Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.Further features and advantageous developments of the invention result from the subclaims and the following description of an exemplary embodiment.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung ist es möglich, mit körpereigenen Zellen beschichtete Implantate aus xenogenem oder allogenem oder künstlichem Fremdmaterial herzustellen, die über die bekannten Vorteile der Verwendung körpereigener Zellen hinaus auch in ihrer dynamischen Wirkung den natürlichen Verhältnissen weitestgehend entsprechen, eine lange Lebensdauer aufweisen sowie einen hohen Lebenskomfort gewährleisten.With the method according to the invention and the corresponding device, it is possible to produce implants coated with the body's own cells from xenogeneic or allogeneic or artificial foreign material which, in addition to the known advantages of using the body's own cells, also largely correspond to the natural conditions in terms of their dynamic effect, and have a long service life exhibit and ensure a high level of comfort.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird für die Herstellung einer gerüstfreien Aortenklappe anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is explained in more detail for the production of a scaffold-free aortic valve with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beschichtung einer azellularisierten porcinen Aortenklappe in einem Strömungskreislauf aus einer mit körpereigenen Endothelzellen des vorgesehenen Empfängers versetztenFig. 1 is a schematic view of a device according to the invention for coating an acellularized porcine aortic valve in a flow circuit from a body with endothelial cells of the intended recipient

Nährlösung; und

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nutrient solution; and
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einer Schraubkappe 23 mit Innengewinde, das in ein Außengewinde am Hohlzylinder 9 eingreift, verspannbar ist. Zur flüssigkeitsdichten Befestigung ist eine zweite Dichtung 19 vorgesehen. Das dem Bioreaktor nachgeschaltete Schlauchstück der Ringleitung 1 besteht aus flexiblema screw cap 23 with an internal thread, which engages in an external thread on the hollow cylinder 9, can be clamped. A second seal 19 is provided for liquid-tight fastening. The hose section of the ring line 1 connected downstream of the bioreactor consists of flexible

Material (Silikon) , so daß die Durchströmung aufgrund der pulsierenden Pumpwirkung gewährleistet ist. Sämtliche Teile der Vorrichtung, die mit dem Zellmaterial während der Beschichtung in Berührung kommen, bestehen aus biolo- gisch abstoßendem Material, an dem die Zellen nicht haften können.Material (silicone) so that the flow is guaranteed due to the pulsating pumping action. All parts of the device that come into contact with the cell material during the coating process are made of biologically repellent material to which the cells cannot adhere.

Aufgrund der zuvor beschriebenen Ausbildung und Anordnung der Einsatzstücke 10, 11 kann außerhalb des Hohlzylinders 9 eine entsprechend vorbereitete, das heißt, dezellulari- sierte, mit dem natürlichen Kleber Pronectin + L-Laminin behandelte und zugeschnittene Aortenklappe 8 an den gegenüberliegenden Befestigungsabschnitten 14, 15 der Einsatzstücke 10, 11 angenäht werden. In dieser Form wird die Aortenklappe 8 in den Hohlzylinder 9 eingebracht, und zwar so, daß die Strömungsrichtung in der Vorrichtung mit der natürlichen Strömungsrichtung durch das Implantat im menschlichen Körper übereinstimmt. Aufgrund dessen, daß mit dem Auslaßventil 6 und der Aortenklappe 8 zwei quasi gleichartige Ventile hintereinander geschaltet sind, könnte in diesem Fall auf das Auslaßventil 6 der Membranpumpe 3 verzichtet werden. Wenn aber Blutgefäße in der gleichen Weise mit Körperzellen beschichtet werden, ist das Auslaßventil 6 in der Membranpumpe 3 weiterhin erfor- derlich.Due to the previously described design and arrangement of the inserts 10, 11, a correspondingly prepared, that is, decellularized, treated and cut with the natural adhesive Pronectin + L-Laminin can be cut outside the hollow cylinder 9 on the opposite fastening sections 14, 15 of the Inserts 10, 11 are sewn on. In this form, the aortic valve 8 is introduced into the hollow cylinder 9 in such a way that the direction of flow in the device corresponds to the natural direction of flow through the implant in the human body. Due to the fact that two quasi-identical valves are connected in series with the outlet valve 6 and the aortic valve 8, the outlet valve 6 of the diaphragm pump 3 could be dispensed with in this case. However, if blood vessels are coated with body cells in the same way, the outlet valve 6 in the diaphragm pump 3 is still required.

Für die Besiedelung der Aortenklappe liegen aus der oben beschriebenen Zellzüchtung die als lebensfähig nachgewiesenen Endothel-Zellen in einer Anzahl von mindestens 8 Millionen in dem auch bei der Zellzüchtung verwendeten Medium vor, das zu 20 % aus Serum des Empfängers, den handelsüblichen Zellwachstumsmitteln DMEM und bFGF sowie Antibiotika, L-Glutamin und gegebenenfalls einem HEPES- Puffer besteht. Diese Zellsuspension wird über einen der von der Ringleitung 1 gelösten Anschlußstutzen 12, 13 oder ein Füll- und Ablaßventil 24, 25 in den Bioreaktor 2 gefüllt. Nach dem Schließen des von der Ringleitung 1 gelösten Bioreaktors 2 an den Anschlußstutzen 12, 13 mit Stopfen oder Abdeckkappen (nicht dargestellt) wird als erster Besiedlungsschritt durch wiederholtes Drehen des in einer Drehvorrichtung (nicht dargestellt) gehaltenen Bioreaktors 2 sowohl um seine Längsachse als auch um seine Querachse und dazwischenliegende Absetzphasen eine Verteilung der Endothelzellen auf den Flächen der Aortenklappe 8, und zwar sowohl unter der Wirkung der Schwer- kraft als auch von Zentrifugalkräften, vorgenommen. Das Drehen kann vorzugsweise auch manuell unter gleichzeitiger visueller Beobachtung durchgeführt werden. Bei an den Bioreaktor 2 angeschlossener Ringleitung 1 erfolgt anschließend ein erster Zellkonditionierungsschritt , indem über die Membranpumpe 3 ein pulsierender Zellsus- pensionsstrom mit einer Fließgeschwindigkeit von 1 1/min in Richtung des Pfeils erzeugt wird. Die Strδmungsrich- tung der Zellsuspension entspricht der Strömungsrichtung des Blutes in implantiertem Zustand der Bioprothese. Bei der impulsartigen Strömung der Zellsuspension über dieFor the colonization of the aortic valve, the endothelial cells proven to be viable are available from the cell cultivation described above in a number of at least 8 million in the medium also used in cell cultivation, which is 20% from the serum of the recipient commercially available cell growth agents DMEM and bFGF as well as antibiotics, L-glutamine and possibly a HEPES buffer. This cell suspension is filled into the bioreactor 2 via one of the connecting pieces 12, 13 detached from the ring line 1 or a fill and drain valve 24, 25. After the bioreactor 2 detached from the ring line 1 is closed at the connecting piece 12, 13 with plugs or cover caps (not shown), the bioreactor 2 held in a rotating device (not shown) is rotated both around its longitudinal axis and around as a first step of the settlement its transverse axis and intermediate settling phases distribute the endothelial cells on the surfaces of the aortic valve 8, both under the effect of gravity and centrifugal forces. The turning can preferably also be carried out manually with simultaneous visual observation. In the case of a ring line 1 connected to the bioreactor 2, a first cell conditioning step then takes place in that a pulsating cell suspension flow is generated via the membrane pump 3 at a flow rate of 11 / min in the direction of the arrow. The direction of flow of the cell suspension corresponds to the direction of flow of the blood in the implanted state of the bioprosthesis. With the impulsive flow of the cell suspension over the

Innenflächen (Strömungsflächen) der Aortenklappe 8 werden bei zunächst geringer Strömungsgeschwindigkeit allmählich die Endothelzellen durch den ständig wiederholten Strömungsreiz in ihrer Form und Ausrichtung an die Strömungs- richtung und -kräfte sowie die Bewegungen der Implantat - wände angepaßt, d.h. die Zellen werden konditioniert und lernen, sich so auszubilden und anzuordnen, daß in der Wachstumsphase eine glatte, der Strömung einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzende einschichtige Endo- thelzellenflache entsteht. Das heißt, in der sich an den ersten Zellkonditionierungsschritt anschließenden Ruhe- phase, die mit einem diskontinuierlichen Drehen des Bioreaktors 2 verbunden sein kann, haben die Endothelzellen Gelegenheit, in der durch die zuvor eingegebene Strömungsreize erlernten Form und Richtung an der Kollagen- Matrix zu wachsen. Beim Durchströmen gegebenenfalls abgelöste Zellen werden in dieser Phase wieder angesiedelt.Inner surfaces (flow surfaces) of the aortic valve 8 are gradually adapted in shape and orientation of the endothelial cells in shape and orientation to the flow direction and forces as well as the movements of the implant walls, ie the cells are conditioned and learn, at initially low flow velocity to be designed and arranged in such a way that in the growth phase a smooth, single-layer endothelial cell surface which opposes the flow as little as possible arises. That is, in the resting phase following the first cell conditioning step phase, which can be connected with a discontinuous rotation of the bioreactor 2, the endothelial cells have the opportunity to grow on the collagen matrix in the shape and direction learned by the previously entered flow stimuli. Cells that may have been detached when flowing through are resettled in this phase.

In dem darauffolgenden zweiten Zellkonditionierungsschritt mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 1/min werden die Endothelzellen mit entsprechend stärkerenIn the subsequent second cell conditioning step with a flow rate of 2 l / min, the endothelial cells become correspondingly stronger

Informationsreizen versorgt, um sich entsprechend diesen veränderten Strömungsbedingungen auszubilden und zu wachsen.Information stimuli are provided to develop and grow in accordance with these changing flow conditions.

Nach einer weiteren Ruhe- und Wachstumsphase (Zwischeninkubation) ohne Strömungsbewegung der Zellsuspension, jedoch wahlweise bei einer Drehbewegung des Bioreaktors 2, folgt ein dritter Zellkonditionierungsschritt mit einer Fließgeschwindigkeit von 4 1/min, an den sich wie- der eine Nachinkubationsphase (Erholungs- und Wachstums- phase) anschließt.After a further resting and growth phase (intermediate incubation) without flow movement of the cell suspension, but optionally with a rotary movement of the bioreactor 2, there follows a third cell conditioning step with a flow rate of 4 1 / min, which is followed by another post-incubation phase (recovery and growth - phase).

Der gesamte zuvor beschriebene Vorgang der Zellbeschich- tung in dem Bioreaktor 2 findet in einem Inkubator (nicht dargestellt) statt, in dem ständig eine Temperatur von 37°C herrscht und eine Luftfeuchtigkeit von 98 % sowie ein C02-Gehalt von 5 % aufrechterhalten werden. Der Zugang dieser Atmosphäre bzw. der entsprechenden Medien zum Bioreaktor 2 wird über mindestens ein semipermeables Membranventil 26 realisiert, das von außen gasdurchlässig ist, aber in umgekehrter Richtung nicht flüssigkeitsdurchlässig ist. Die Membranventile 26 können an einer geeigneten Stelle des Bioreaktors 2, z.B. in den Einsatzstücken 10, 11 oder auch in der Ringleitung 1 angeordnet sein. Im Ergebnis dieses Prozesses der allmählichen Besiedlung und Ausbildung der Endothelzellen bei sich stufenweise erhöhender und dabei schonend und mit Lernfunktion auf die Zellen wirkender pulsierender Strömungsgeschwindig- keit mit zwischen- und nachgeschalteten Erholungs- undThe entire previously described process of cell coating in the bioreactor 2 takes place in an incubator (not shown) in which the temperature is constantly 37 ° C. and an air humidity of 98% and a CO 2 content of 5% are maintained , The access of this atmosphere or the corresponding media to the bioreactor 2 is realized via at least one semi-permeable membrane valve 26 which is gas-permeable from the outside, but is not liquid-permeable in the opposite direction. The membrane valves 26 can be arranged at a suitable point on the bioreactor 2, for example in the inserts 10, 11 or also in the ring line 1. As a result of this process of gradual colonization and formation of the endothelial cells with a gradually increasing and at the same time gentle and with a learning function pulsating flow rate acting on the cells with intermediate and subsequent recovery and

Wachstumsphasen wird unter physiologischen, den Funktionen des menschlichen Herzens entsprechenden Fließbedingungen auf der mit einer Submatrix aus Fibronectin versehenen Kollagen-Matrix der Bioprothese (Aortenklappe 8) eine geschlossene, einschichtige Endothelflache aus körpereigenen Zellen gebildet, die der Endothelschicht an den Gefäß- und Klappenwänden des Prothesen-Empfängers hinsichtlich Form, Größe und Ansiedlung der Zellen sowie Stärke und Ebenflächigkeit der Zellschicht weitestgehend entspricht.Growth phases are created under physiological flow conditions corresponding to the functions of the human heart on the collagen matrix of the bioprosthesis (aortic valve 8) provided with a submatrix of fibronectin -Recipient largely corresponds to the shape, size and location of the cells and the strength and flatness of the cell layer.

Es werden somit Implantate für die Herz- und Gefäßchirurgie bereitgestellt, deren Anwendung nicht mit der Gefahr von Immunreaktionen und viralen Infektionen verbunden ist. Von wesentlicher Bedeutung gegenüber dem nächstlie- genden Stand der Technik ist hier die Tatsache, daß die auf das Implantat aufgebrachte Zellschicht weitestgehend annähernd den physiologischen Vorgängen im menschlichen Organismus, hier der spezifischen Dynamik im Bereich des Herzens und der Gefäße, ausgebildet ist. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung erreichte Ausbildung der EndothelZellenschicht gewährleistet im implantierten Zustand der Bioprothese mit den natürlichen Verhältnissen übereinstimmende Strö- mungsverhältnisse, so daß die Verschleißerscheinungen deutlich minimiert und damit die Lebensdauer des Implantats erhöht werden kann.Implants for cardiac and vascular surgery are thus provided, the use of which is not associated with the risk of immune reactions and viral infections. Of essential importance compared to the closest state of the art is the fact that the cell layer applied to the implant is largely designed to approximate the physiological processes in the human organism, here the specific dynamics in the area of the heart and vessels. The formation of the endothelial cell layer achieved with the method according to the invention and the corresponding device ensures, in the implanted state of the bioprosthesis, flow conditions which correspond to the natural conditions, so that the signs of wear are significantly minimized and the life of the implant can thus be increased.

Die Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene Aus- führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr sind im Schutzbereich der Patentansprüche vielfältige Modifikationen des Verfahrens und der Vorrichtung denkbar. Anstelle der beispielhaft behandelten porcinen Aortenklappe können auch Pulmonal- oder Mitralklappen oder Gefäße, und zwar allgemein aus allogenem, xenogenem oder künstlichem Ausgangs- material, in der beschriebenen Weise hergestellt werden. The invention is not restricted to the exemplary embodiment described above. Rather, various modifications of the are within the scope of the claims Process and the device conceivable. Instead of the porcine aortic valve treated as an example, pulmonary or mitral valves or vessels, generally from allogeneic, xenogeneic or artificial starting material, can also be produced in the manner described.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Ringleitungloop

Bioreaktorbioreactor

Membranpumpediaphragm pump

Ausgleichskammercompensation chamber

Schlauchleitung (für 3)Hose line (for 3)

Auslaßventiloutlet valve

Einlaßventilintake valve

Aortenklappe (Bioprothese)Aortic valve (bioprosthesis)

Hohlzylinder erstes Einsatzstück (in St ömungsrichtung vorn) zweites Einsatzstück (in Strömungsrichtung hinten)Hollow cylinder first insert (in the flow direction at the front) second insert (in the flow direction at the rear)

Anschlußstutzenconnecting branch

Anschlußstutzenconnecting branch

Befestigungsabschnittattachment section

Befestigungsabschnittattachment section

Befestigungslöchermounting holes

Befe tigungslδcherAttachment holes

BundSteg von 11 erste DichtungBundSteg from 11 first seal

Ringsteg von 9Ring bridge from 9

Schraubringscrew ring

Bund von 10Bunch of 10

SchraubklappeScrew Caps

Füll- und AblaßventilFilling and drain valve

Füll- und AblaßventilFilling and drain valve

Me branventi1Me branventi1

Zweite Dichtung Second seal

Claims

Patentansprüche claims 1. Verfahren zur Herstellung von biologischen Prothesen, insbesondere von Implantaten für die Herz- und Gefäßchirurgie, bei dem von einem allogenen oder xenogenen Fremdmaterial durch Entfernen der Zellen eine Kollagen/Elastin-Matrix hergestellt und mit einem Kleber vorbehandelt wird, und anschließend in einem Behälter mit vom jeweiligen Empfänger des Implantats gewonnenen, in einer Zellsuspension befindlichen Zellen besiedelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbehandelte Kollagen/Elastin-Matrix des Implantats zur Konditionierung der Empfängerzellen in der natürli- chen Fließrichtung von einem hinsichtlich Frequenz und Geschwindigkeit an die natürlichen Strömungsverhältnisse im menschlichen Körper angepaßten pulsierenden Zellsuspensionsstrom durchströmt wird, an den sich eine Zell-Erholungs- und Wachstumsphase anschließt.1. Process for the production of biological prostheses, in particular implants for cardiac and vascular surgery, in which a collagen / elastin matrix is produced from an allogeneic or xenogeneic foreign material by removing the cells and pretreated with an adhesive, and then in a container is populated with cells obtained from the respective recipient of the implant and located in a cell suspension, characterized in that the pretreated collagen / elastin matrix of the implant for conditioning the recipient cells in the natural flow direction from one with respect to frequency and speed to the natural flow conditions in the flows through the human body adapted pulsating cell suspension flow, which is followed by a cell recovery and growth phase. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Zeilsuspensionsstroms zwischen 0,5 1/min und 5 1/min liegt.2. The method according to claim 1, characterized in that the flow rate of the cell suspension stream is between 0.5 1 / min and 5 1 / min. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Durchströmungsphasen mit gegenüber der vorhergehenden jeweils erhöhter Fließgeschwindigkeit durchgeführt werden.A method according to claims 1 and 2, characterized in that two or more through-flow phases are carried out with a flow rate which is respectively higher than the previous one. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellkonditionierung ein erster Schritt zur Zellverteilung auf der Kollagen-Matrix durch Drehen des Behälters mit zwischen- und nachgeschalteten Ruhe- und Absetzphasen vorgeschaltet ist.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the cell conditioning is preceded by a first step for cell distribution on the collagen matrix by rotating the container with intermediate and downstream resting and weaning phases. 13 13 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellverteilung und -konditio- nierung und das Zellwachstum bei 37 °C und bei 98 % Luftfeuchte sowie einem C02-Gehalt von 5 % durchge- führt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the cell distribution and conditioning and cell growth is carried out at 37 ° C and at 98% humidity and a C0 2 content of 5%. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellsuspension etwa 8 Millionen Zellen und einen Serumanteil des Empfängers von 20 % enthält sowie aus Zeilwachstumsmitteln, Antibiotika, L-Glutamin und einem Hepes-Puffer besteht.6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the cell suspension contains about 8 million cells and a serum portion of the recipient of 20% and consists of cell growth agents, antibiotics, L-glutamine and a Hepes buffer. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsprodukt für die Zell- beschichtung eine künstliche Prothese eingesetzt wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that an artificial prosthesis is used as the starting product for the cell coating. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ringleitung (1) mit an diese zur Erzeugung eines pulsierenden Flüssigkeitsstromes veränderlicher Geschwindigkeit angeschlossener Membranpumpe (3) und einen in die Ringleitung (1) lösbar eingebundenen Bioreaktor (2) , in dem das zu behandelnde allogene oder xenogene Implan- tatmaterial (8) in Durchströmungsrichtung der Zellsuspension axial angeordnet und unter Vorspannung fixierbar ist.8. An apparatus for performing the method according to claim 1, characterized by a ring line (1) with this connected to generate a pulsating liquid flow variable speed membrane pump (3) and a detachably integrated in the ring line (1) bioreactor (2), in which the allogeneic or xenogeneic implant material (8) to be treated is arranged axially in the flow direction of the cell suspension and can be fixed under prestress. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bioreaktor (2) aus einem Hohlzylinder (9) mit an dessen gegenüberliegenden Stirnseiten lösbar und abdichtend gehaltenen Einsatzstücken (10, 11) gebildet ist, wobei die Einsatzstücke (10, 11) jeweils einen verschließbaren oder an die Ringleitung (1) anschließbaren Anschußstutzen (12, 13) sowie einen9. The device according to claim 8, characterized in that the bioreactor (2) from a hollow cylinder (9) with releasably and sealingly held insert pieces (10, 11) is formed on its opposite end faces, the insert pieces (10, 11) each one closable or to the ring line (1) connectable connecting piece (12, 13) and a Befestigungsabschnitt (14, 15) zum beidseitigen zent- rischen Fixieren der Bioprothese (8) im Hohlzylinder (9) aufweisen.Fastening section (14, 15) for the central have fix the bioprosthesis (8) in the hollow cylinder (9). 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsabschnitte (14, 15) kreisringförmig ausgebildet und mit am Umfang verteilten Befestigungslöchern (16, 17) zum Annähen der zu beschichtenden Bioprothese (8) versehen sind.10. The device according to claim 9, characterized in that the fastening sections (14, 15) are annular and are provided with fastening holes (16, 17) distributed around the circumference for sewing on the bioprosthesis (8) to be coated. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einsatzstück (10) von innen und das andere Einsatzstück (11) von außen mit einem Befestigungsmittel (21, 23) an dem Hohlzylinder (9) gehalten ist und beide Einsatzstücke (10, 11) in der gleichen Richtung in den Hohlzylinder (9) einführbar bzw. aus diesem entnehmbar sind.11. The device according to claim 9 and 10, characterized in that an insert (10) from the inside and the other insert (11) from the outside with a fastening means (21, 23) on the hollow cylinder (9) is held and both inserts (10 , 11) can be inserted into or removed from the hollow cylinder (9) in the same direction. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel als Schraubring (21) , des- sen Innengewinde mit einem am Einsatzstück (10) vorgesehenen Außengewinde in Eingriff steht, bzw. als am Umfang des Hohlzylinders (9) verschraubbare Schraubkappe (23) ausgeführt sind.12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the fastening means as a screw ring (21), whose internal thread engages with an external thread provided on the insert (10), or as a screw cap (23) screwable on the circumference of the hollow cylinder (9) ) are executed. 13. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ringleitung (1) Füll- und Ablaßventile (24, 25) zum Zuführen der Zellsuspension in den Bioreaktor (2) für die Beschichtung der Kollagen- Matrix mit körpereigenen Zellen des Empfängers bzw. zum Abziehen des Mediums aus dem Bioreaktor (2) und der Ringleitung (1) eingebunden sind.13. The apparatus of claim 8 and 9, characterized in that in the ring line (1) filling and drain valves (24, 25) for supplying the cell suspension in the bioreactor (2) for coating the collagen matrix with the recipient's own cells or for withdrawing the medium from the bioreactor (2) and the ring line (1). 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, gekennzeichnet durch deren Anordnung in einem Inkuba- tor, wobei in dem Bioreaktor (2) und/oder der Ringleitung (1) ein von außen gasdurchlässiges und von innen für Flüssigkeiten undurchlässiges semipermeab- les Membranventil (26) bzw. eine Membran zum Gasaustausch mit der Atmosphäre im Inkubator vorgesehen ist .14. Device according to one of claims 8 to 13, characterized by its arrangement in an incubator, wherein in the bioreactor (2) and / or the ring line (1) a gas-permeable from the outside and from a semipermeable membrane valve (26) impermeable to liquids or a membrane for gas exchange with the atmosphere in the incubator is provided on the inside. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung hinter dem Bioreaktor (2) in die Ringleitung (1) eine Ausgleichskammer (4) zum Ausgleich der Druckspitzen des pulsierenden Flüssigkeitsstroms eingebunden ist.15. Device according to one of claims 8 to 14, characterized in that in the flow direction behind the bioreactor (2) in the ring line (1) a compensation chamber (4) is integrated to compensate for the pressure peaks of the pulsating liquid flow. 16. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (3) eine Membranpumpe ist und ein Auslaß- und ein Einlaßventil (6, 7) aufweist, wobei das Auslaßventil (6) bei der Herstellung von Herzklappenprothesen entfällt.16. The apparatus according to claim 8, characterized in that the pump (3) is a diaphragm pump and has an outlet and an inlet valve (6, 7), the outlet valve (6) being omitted in the manufacture of heart valve prostheses. 17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den körpereigenen Zellen in Berührung kommenden Bauteile aus einem der Zellhaftung entgegenstehenden, biologisch abstoßenden Material bestehen.17. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the components coming into contact with the body's own cells consist of a biologically repellent material which opposes cell adhesion. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzstücke (10, 11) aus Teflon bestehen und der Hohlzylinder (9) aus Piacryl gebildet ist.18. The apparatus according to claim 17, characterized in that the inserts (10, 11) consist of Teflon and the hollow cylinder (9) is made of piacryl. 19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringleitung (1) aus flexiblem Material, bei- spielsweise Silikon, besteht. 19. The apparatus according to claim 17, characterized in that the ring line (1) consists of flexible material, for example silicone.
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