CH694165A5 - Stuetzstruktur fuer einen Bioreaktor und Bioreaktor. - Google Patents

Description

  



   Die Erfindung betrifft eine Stützstruktur für einen Bioreaktor mit  einer porösen Membrane und einer in unmittelbarer Nähe angeordneten  textilen Struktur sowie einem aus dieser Stützstruktur aufgebauten  Bioreaktor. 



   Eine solche Stützstruktur ist aus der Zeitschrift "Tissue Engineering  for Therapeutic Use 3" aus den "Proceedings of the Third International  Symposium of Tissue Engineering for Therapeutic Öse, Tokyo, 4-5 September  1998" aus dem Artikel "Scaffold structure for a bioartificial liver  support system" von J. Mayer, E. Karamuk, K. Interevic, T. Akaike  und E. Wintermantel auf den Seiten 87 bis 97 bekannt. Dort ist insbesondere  in der Fig. 1B eine Struktur erläutert, die für das gemeinsame Kultivieren  von Hepatozyten und nicht-parenchymalen Zellen geeignet ist. Der  Ansatz liegt in der Notwendigkeit der möglichst dichten Anordnung  der Hepatozyten zu den nicht-parenchymalen Zellen über eine poröse  Polymermembran. Diese poröse Polymermembran ist teilweise biologisch  abbaubar, sodass die einzelnen Zellen in dichten Kontakt zueinander  treten können.

   Zwischen dem verwebten Polymergewebe sind Hohlräume,  die zur Aufnahme der Hepatozyten dienen. Das Gewebe ist aus Monofilamenten  aufgebaut. 



   Es werden jeweils zwei poröse Polymermembranen bzw. zwei textile  Materialien gegenüber angeordnet, um Zwischenräume für den Plasma-/Mediumfluss  zu erhalten. Die Stützstruktur verfügt in der Membran über eine flache,  filmartige Seite und eine strukturierte Gewebeseite mit Poren zwischen  800 und 50  mu m entsprechend dort vorgeschlagenen Geweben. Der Film  der Membran wird in mechani   scher Weise an und zwischen den Fasern  angelagert. 



   Für den geplanten Einsatzzweck solcher Stützstrukturen bei stoffwechselaktiven  Zellen ist ein intensiver Stoffaustausch notwendig. Dies kann in  der Abgabe und Aufnahme von Stoffen bestehen, z.B. dem Toxinmetabolismus  in der Leber, dem Insulinstoffwechsel der Bauchspeicheldrüse oder  dem Harnstoffwechsel der Niere. Der Stand der Technik nutzt die Membran  sowohl als stoffliche Barriere mit einem Diffusionswiderstand als  auch als die Oberfläche, an der die Zellen angelagert werden. Dabei  wird insbesondere bei dem Einsatz von zumindest teilweise biologisch  abbaubaren Membranen auf den möglichst engen räumlichen Kontakt zwischen  auf gegenüberliegenden Seiten der Membran liegenden Zellen hingearbeitet.                                                      



   Die bei dieser Stützstruktur erreichbaren Vorsorgungs- und Zellwachstumswerte  bilden einen ersten Schritt zu einem künstlichen Organsystem zum  Beispiel zu einem Leberunterstützungssystem. Sie reichen aber noch  nicht aus. 



   Aus der GB 2 297 980 ist ein plattenförmiger Bioreaktor bekannt,  der im Wesentlichen flächig aufgebaut ist. Er wird in der Fläche  in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen mit Plasma und  Sauerstoff sowie in einer Querrichtung dazu mit Nährstoffen versorgt.  Hier werden für die Versorgung insbesondere Hohlfasern eingesetzt.  Der Nachteil dieses Aufbaus liegt in der begrenzten Dicke, da sämtliche  Versorgungswege in der Längsrichtung aufgebaut sind und keine Möglichkeit  der Variation der Stützstrukturen in vertikaler Richtung gestatten.                                                            



   Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe  zu Grunde, eine Stützstruktur für einen Bioreaktor und einen Bioreaktor  anzugeben, der günstigere Bedingungen für Dif   ferenzierung und  metabolische Leistung sowie bessere Transporteigenschaften ermöglicht.                                                         



   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss für eine Stützstruktur für einen  Bioreaktor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch  gelöst, dass auf der Membran ein weiteres Gewebe direkt angeordnet  ist, welches zwischen der Membran und dem besagten ersten Gewebe  liegt. Dieses weist eine erheblich feinere Struktur auf. 



   Durch das Vorsehen dieses weiteren Gewebes wird die Anlagerung von  Zellen von der Membran losgelöst und somit besteht für diese Zellen  kein Diffusionswiderstand an der Textiloberflache. Dies ermöglicht  eine verbesserte Nährstoffversorgung lokal, wobei die Anhaftung der  Zellen im jeweiligen, grobmaschigen Zwischenraum optimiert ist. 



   Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf der gegenüberliegenden  Seite des ersten Gewebes eine weitere mit dem zweiten Gewebe im Wesentlichen  identische feine Gewebestruktur aufgebracht, sodass sich ein Zellwachstumshohlraum  zwischen den groben Maschen des ersten Gewebes ausbildet. Auf diesem  dritten Gewebe wird ein zweites grossmaschiges Gewebe aufgebracht,  welches beispielsweise eine halbe Maschenweite aufweist und einen  Fliesskanal für die Blutversorgung bildet. 



   Damit ist ein Bioreaktor herstellbar, der beliebige Dicken erreichen  kann und sich somit von den nachteiligen länglichen Rohrreaktoren  abhebt. 



   Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen  Patentansprüchen gekennzeichnet. 



     Nachstehend wird nun die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen  in den Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:       Fig. 1 eine Stützstruktur für einen Bioreaktor gemäss einem ersten  Ausführungsbeispiel,     Fig. 2 eine Stützstruktur für einen Bioreaktor  gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel,     Fig. 3 eine Darstellung  eines Bioreaktors gemäss der Erfindung und     Fig. 4 eine vergrösserte  Ausschnittdarstellung zur Verteilung von Nährstoffen in einem Bioreaktor  nach Fig. 3.  



   Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stützstruktur  1 für einen Bioreaktor gemäss der Erfindung. Ein anderer Begriff  für das Element 1 ist auch Zellträger. Die schematische Darstellung  basiert auf einer porösen Membran, insbesondere einer Polymermembran,  welche das Entweichen von Zellen verhindert, aber den Durchtritt  von Nährstoffen und Gasen durch Diffusion gestattet. Eine solche  Polymermembran 2 kann z.B. aus expandiertem Teflon, PEEK oder anderen  Polymermaterialien bestehen. Auf dieser in einem Bioreaktor beispielsweise  eingespannten Membran 2 ist ein engmaschiges Sieb 3 und auf diesem  ein weitmaschiges Gewebe 4 aufgelegt. Dabei handelt es sich jeweils  um flächige Gebilde mit definierter Porosität, die eine periodische  Struktur aufweisen. Dabei kann es sich auch um extrudiertes Gewebe  aus Polymermaterial handeln.

   Ferner sind Metallnetze, z.B. aus Titan,  möglich. Alle diese Ausführungsformen sind unter dem Begriff "textiles  Gebilde" zusammengefasst, welches synonym zu "Gewebe" oder "textiles  Gewebe" verwendet wird. 



   Unter dem Begriff engmaschiges Sieb 3 ist eine als Diaphragma wirkende  feine Struktur mit Porengrössen zwischen 3 und 50  mu m zu verstehen,  wohingegen ein weitmaschiges Netz 4 mit Porengrössen zwischen 50  und 800  mu m aufweist. Diese textilen Gebilde können    aus Monofilamenten  bestehen, die eine Grösse zwischen 10 und 100 mu m aufweisen. 



   In dem Bereich 5 zwischen zwei Maschen des weitmaschigen Netzes 4  lagern sich insbesondere Zellen 6 ab, von denen schematisch der Umriss  und der Zellkern dargestellt ist. Mithilfe einer solchen Stützstruktur  wird ein Hohlraum erzeugt, durch welchen in Pfeilrichtung 7 ein Nährstoffmittelfluid  durchgeleitet wird, welches durch noch im Zusammenhang mit der Fig.  4 zu beschreibende Mittel auf die Zellen 6 ausgerichtet wird (Pfeil  8) und diese durchdringt. 



   Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches  in der Basis gleich aufgebaut ist, d.h. die Stützstruktur 11 verfügt  über eine Membran 2, ein feinmaschiges Netz 3 und ein grobmaschiges  Netz 4. Die Stützstruktur 11 ist dann aber auf der feinen Struktur  3 gegenüberliegenden Seite der groben Struktur 4 mit einem weiteren  feinmaschigen Netz 13 belegt, welches zu der Hohlraumbildung 15 zwischen  den beiden Netzen 13 und 3 führt. Weiterhin ist ein zweites grobmaschiges  Netz auf dem zweiten feinmaschigen Netz 13 aufgelegt, welches in  dem dargestellten Ausführungsbeispiel die halbe Maschenweite aufweist.  Die halbe Maschenbreite gestattet eine grössere Verwirbelung von  in Pfeilrichtung 17 einfliessenden Fluiden in Richtung auf das zweite  feinmaschige Netz 13.

   Mit dem Bezugszeichen 16 sind paraenchymale  Zellen bezeichnet, die sich auf dem zweiten feinmaschigen Gewebe  13 ablagern. Hiermit wird ein direkter Kontakt zwischen den Zellen  15 und den weiteren Zellen 16 über die Poren des zweiten feinmaschigen  Gewebes 13 ermöglicht. 



   Die Fig. 3 zeigt einen Bioreaktor mit Stützstruktur gemäss den Fig.  1 und 2. In allen Zeichnungen werden für gleiche Merkmale gleiche  Bezugszeichen verwendet. Der Ausschnitt aus dem Bioreak   tor zeigt  mehrere, hier 4, übereinander angeordnete Stützstrukturen 11, die  jeweils kopfüber angeordnet sind. Zwischen zwei Membranen besteht  ein Hohlraum 25 in der Grösse von beispielsweise 30 Mikrometer, sodass  entsprechende Nährflüssigkeiten oder Sauerstoff hindurchgeführt werden  können. Zwischen den beiden feinmaschigen Netzen 13 ist nur ein zweites  grobmaschiges Netz 14 angeordnet, sodass sich hier jeweils ein Hohlraum  35 ausbildet, durch den ein Fluidfluss 17 hindurchgeführt wird. Alternativ  wäre dieser Hohlraum auch durch den Einsatz röhrenförmiger Strukturen  (z.B. so genannte "micro tubes") zu erzeugen. 



   In der Fig. 4 ist hier zu sehen, dass durch die symmetrisch angeordneten  Monofilamente des zweiten grobmaschigen Gewebes 14 eine Verwirbelung  des Nährmittelflusses 17 gemäss den Pfeilen 27 erreicht wird, sodass  die Flüssigkeit durch die zweite Gewebeschicht 13 zu den Zellen gelangt,  welche die in der Flüssigkeit enthaltenen Substanzen metabolisieren  können. 



   Die erste feine Gewebeschicht 3 kann mit der Membran 2 beispielsweise  aufgelegt, verschweisst oder verklebt sein. Die einzelnen Filamente  der grobmaschigen Gewebe 4 und 14 können hohl ausgestaltet sein,  um eine Flüssigkeitsentnahme zu gestatten. Sie können einzeln, in  periodischen Abständen oder als Netz als sensorielle Fasern ausgestaltet  sein, um beispielsweise den Sauerstoffpartialdruck zu messen oder  pH-Messungen durchzuführen und diese Parameter durch externe Steuerungsmöglichkeiten  in der Peripherie regeln zu können. Ferner können sie als aktuatorische  Elemente dienen, z.B. zur Einleitung von Wärme, zur Katalyse durch  Elektrochemie oder zur Schalleinleitung als dispergierendes Medium  von Zellen 5 in den Hohlräumen 15 und 25.

   Die die grobmaschigen Netze  4 und 14 aufbauenden Fasern oder die einen kleinen Durchmesser aufweisenden  Filamente der kleinmaschigen Netze 3 und 13 können auch als Lichtwellenleiter  für entspre chende bekannte Anwendungen ausgestaltet sein. 



   Es ist ferner möglich, das feinmaschige Gewebe 3 und das grobmaschige  Gewebe 4 oder das feinmaschige Gewebe 13 und das grobmaschige Gewebe  14 als ein doppellagiges oder allgemein mehrlagiges Gewebe auszugestalten,  um einen grösseren Abstand zwischen einzelnen Strukturen zu erzeugen,  ohne dickere Filamente einzusetzen. 



   Oberflächenbehandelte "textile Gewebe" oder Stützstrukturen, die  z.B. mittels Plasmatechnologie, chemischer und/oder physikalischer  Verfahren behandelt wurden, können das Zellwachstum, Zellorientierung  und Zellpositionierung steuern und/oder beeinflussen. 



   Es ist auch möglich, die in den Zeichnungen jeweils als eben dargestellten  Stützstrukturen zu falten oder zu rollen, um damit eine Oberflächenvergrösserung  zu erreichen, was zu einer verbesserten Nährstoffaufnähme in den  Mittelbereichen führen kann. 



   Wesentlich ist die Möglichkeit, über kurze Strecken einen intensiven  Nährmittelaustausch zu erhalten, da das in üblichen Rohrreaktoren  oder Plattenreaktoren in der Länge erhaltene Volumen hier in der  Dicke ausgestaltet wird. Damit können die unzureichenden Gradienten  der Versorgung bei Rohr- oder langen Plattenreaktoren vermieden werden  respektive Gradienten gezielt zu gestalten. 



   Es ist ebenfalls möglich, eine Struktur nach der Fig. 1 zuerst mit  ersten Zellen 6 anzureichern und eine Struktur entsprechend dem oberen  Teil der Fig. 2 (zweite feinmaschige Struktur 13 und zweite grobmaschige  Struktur 14) zur Anreicherung von Blutzellen getrennt zu kultivieren  und diese erst anschliessend zusammenzu   schliessen. Somit kann  durch Entkopplung der beiden Wachstumsprozesse diese jeweils einzeln  optimiert werden, bevor ein Zusammensetzen im Bioreaktor geschieht.  Somit können hochkomplexe künstliche Organsysteme erfolgreich aufgebaut  werden.

Claims (10)

1. Stützstruktur für einen Bioreaktor mit einer porösen Membrane (2) und einer in unmittelbarer Nähe angeordneten ersten textilen Struktur (4), dadurch gekennzeichnet, dass auf der Membran (2) ein zweites Gewebe (3) direkt angeordnet ist, welches zwischen der Membran (2) und der besagten ersten textilen Struktur (4) liegt, und dass das zweite Gewebe (3) eine gegenüber der ersten textilen Struktur (4) erheblich feinere Struktur aufweist.

2. Stützstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten textilen Struktur (4) ein drittes Gewebe (13) angeordnet ist, welches eine dem zweiten Gewebe (3) in der Grössenordnung entsprechende Feinmaschigkeit aufweist.

3.

Stützstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem dritten Gewebe (13) ein viertes Gewebe (14) angeordnet ist, welches eine der ersten textilen Strukturen (4) in der Grössenordnung ungefähr entsprechende Feinmaschigkeit aufweist.

4. Stützstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Gewebe (14) gegen-über der ersten textilen Struktur die halbe Maschenweite aufweist.

5. Stützstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten und/oder dritten Gewebe gegenüber der ersten textilen Struktur und/oder dem vierten Gewebe eine um einen Faktor 3 bis 10 kleinere Maschenweite aufweisen.

6.

Bioreaktor mit einer Stützstruktur gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei identische Stützstrukturen mit den Membranen (2) einander gegenüber in einem Ab stand angeordnet sind, der in der Grössenordnung der Dicke des zweiten Gewebes (3) liegt.

7. Bioreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er in der Dicke aus einer Abfolge von sich wiederholen Stützstrukturen besteht, die aus einer Abfolge Membran (2), zweites Gewebe (3), erste textile Struktur (4), drittes Gewebe (13), viertes Gewebe (14), drittes Gewebe (13), erste textile Struktur (4), zweites Gewebe (3) und Membran (2) besteht.

8.

Bioreaktor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, durch welche eine Strömungserzeugungseinrichtung, eine Temperatureinstelleinheit, eine Begasungseinheit, eine Entgasungseinheit und/oder weitere Versorgungseinheiten steuerbar und/oder regelbar sind.

9. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioreaktor rohrförmig ist und dass die im Wesentlichen flächige Stützstruktur in einer gerollten Form in dem rohrförmigen Bioreaktor angeordnet ist.

10. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der Gewebe oder der textilen Struktur (3, 4, 13, 14) oberflächenbehandelt sind und dass dabei jeweils eine bioverträgliche Oberfläche für die Adhäsion des organischen Materials ausgebildet ist.