ES2799499T3 - Bioreactor composed of a watertight chamber and internal matrix for the generation of medical implants with cells - Google Patents
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Abstract
Biorreactor para la generación de implantes médicos con células caracterizado porque comprende una cámara externa hermética al agua unicompartimentada (1) o multicompartimentada (2) que contiene en su interior una o más matrices (3,4,5,6,7), fabricándose simultáneamente estas matrices interiores (3,4,5,6,7) y la cámara externa (1,2) del biorreactor mediante un proceso de creación rápida de prototipos; en el que la cámara externa (1,2) comprende una forma adaptada a la forma de implante para pasar a tener células (matriz interna), y porque permite que los implantes se retiren del interior del biorreactor cortando la cámara externa (1,2) en ubicaciones que comprenden hendiduras (9) justo antes de la implantación, habilitando la esterilidad del implante.Bioreactor for the generation of medical implants with cells characterized in that it comprises a unicompartmental (1) or multi-compartment (2) watertight external chamber that contains one or more matrices (3,4,5,6,7) inside, being manufactured simultaneously these inner matrices (3,4,5,6,7) and the outer chamber (1,2) of the bioreactor through a process of rapid prototyping; in which the external chamber (1,2) comprises a shape adapted to the implant shape to have cells (internal matrix), and because it allows the implants to be removed from the interior of the bioreactor by cutting the external chamber (1,2 ) in locations comprising grooves (9) just before implantation, enabling sterility of the implant.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Biorreactor compuesto por cámara hermética al agua y matriz interna para la generación de implantes médicos con célulasBioreactor composed of a watertight chamber and internal matrix for the generation of medical implants with cells
Objeto de la invenciónObject of the invention
La presente invención se refiere a un biorreactor compuesto por una cámara hermética al agua y una o más matrices contenidas en su interior, que se fabrican simultáneamente, cuya matriz puede ser bidimensional o tridimensional, con porosidad variable y diseñado mediante formas simples o complejas, es capaz de soportar la siembra y el cultivo de células para, tras la retirada de la cámara hermética al agua, originar implantes médicos con células para el reemplazo/regeneración de tejidos u órganos de animales o humanos previamente dañados por traumatismo o enfermedad.The present invention refers to a bioreactor composed of a watertight chamber and one or more matrices contained in its interior, which are manufactured simultaneously, whose matrix can be two-dimensional or three-dimensional, with variable porosity and designed by simple or complex shapes. capable of withstanding the seeding and culturing of cells to, after removal from the watertight chamber, originate medical implants with cells for the replacement / regeneration of tissues or organs of animals or humans previously damaged by trauma or disease.
Estado de la técnicaState of the art
En el reemplazo o regeneración de tejidos u órganos después del daño físico causado por traumatismo o enfermedad, actualmente se usan auto-, alo- o xenoinjertos en la práctica clínica. Sin embargo, estos injertos médicos tienen limitaciones como la baja disponibilidad de tejido sano, problemas de inmunocompatibilidad o infección cruzada entre diferentes especies animales. Para superar estas restricciones en su uso en la práctica clínica actual, la ingeniería de tejidos surgió como una alternativa prometedora. Esta estrategia incluye el desarrollo de matrices porosas bi- o tridimensionales que soportan la colonización y el cultivo celular, el cultivo ex vivo de células y la presencia de factores de crecimiento que inducen diferenciación y/o crecimiento celular. Estos factores pueden usarse de manera independiente, en grupos de dos o tres para permitir la regeneración tisular.In the replacement or regeneration of tissues or organs after physical damage caused by trauma or disease, auto-, allo- or xenografts are currently used in clinical practice. However, these medical grafts have limitations such as the low availability of healthy tissue, immunocompatibility problems or cross infection between different animal species. To overcome these restrictions in its use in current clinical practice, tissue engineering emerged as a promising alternative. This strategy includes the development of two- or three-dimensional porous matrices that support colonization and cell culture, the ex vivo cultivation of cells and the presence of growth factors that induce cell differentiation and / or growth. These factors can be used independently, in groups of two or three to allow tissue regeneration.
Siendo el desarrollo de matrices porosas bi- o tridimensionales una etapa clave en el éxito de una estrategia de ingeniería de tejidos, estas matrices deben comprender un conjunto de propiedades fisicoquímicas (por ejemplo, porosidad, interconectividad, rugosidad, área superficial, propiedades mecánicas, hidrofilia) que permitan adhesión, migración, proliferación y diferenciación celular. El mantenimiento de células en cultivo dentro de estas matrices porosas bi- o tridimensionales puede lograrse mediante el uso de sistemas de cultivo estáticos o dinámicos. Se ha demostrado que el cultivo de células en un entorno bioquímico adecuado y en presencia de estímulos mecánicos puede favorecer la generación de implantes médicos con células. Por tanto, existe un gran interés por replicar in vitro el entorno fisiológico de un tejido diana, a través del uso de sistemas biomecánicos de simulación dinámica, científicamente conocidos como biorreactores. Estos biorreactores no solo proporcionan las células en cultivo dentro de matrices porosas bi- o tridimensionales con concentraciones iguales de nutrientes y oxígeno, sino que también permiten la retirada de subproductos resultantes de su actividad metabólica. Además de estas características, los biorreactores también permiten una colonización más uniforme de las matrices porosas bi- o tridimensionales por las células. Por tanto, estos sistemas de cultivo dinámicos constituyen un mejor método de control cuantitativo sobre los parámetros del cultivo celular, y pueden proporcionar un número ilimitado de implantes médicos con células.With the development of two- or three-dimensional porous matrices being a key stage in the success of a tissue engineering strategy, these matrices must comprise a set of physicochemical properties (eg, porosity, interconnectivity, roughness, surface area, mechanical properties, hydrophilicity ) that allow cell adhesion, migration, proliferation and differentiation. The maintenance of cells in culture within these two- or three-dimensional porous matrices can be achieved through the use of static or dynamic culture systems. It has been shown that cell culture in a suitable biochemical environment and in the presence of mechanical stimuli can promote the generation of medical implants with cells. Therefore, there is great interest in replicating the physiological environment of a target tissue in vitro , through the use of biomechanical systems of dynamic simulation, scientifically known as bioreactors. These bioreactors not only provide cultured cells within two- or three-dimensional porous matrices with equal concentrations of nutrients and oxygen, but also allow the removal of by-products resulting from their metabolic activity. In addition to these characteristics, bioreactors also allow a more uniform colonization of porous two- or three-dimensional matrices by cells. Therefore, these dynamic culture systems are a better method of quantitative control over cell culture parameters, and can provide an unlimited number of medical implants with cells.
El documento WO2010/016023 da a conocer un biorreactor adecuado para el cultivo de tejidos de implante, que comprende una cámara adaptada para recibir una matriz que soporta el cultivo tisular. La cámara está dotada de puertos para lograr el flujo de fluido. El biorreactor está dotado de una pestaña para permitir la retirada de la pared de la cámara retirando la lámina adherida para extraer el tejido.WO2010 / 016023 discloses a bioreactor suitable for implant tissue culture, comprising a chamber adapted to receive a matrix supporting tissue culture. The chamber is provided with ports to achieve fluid flow. The bioreactor is provided with a flange to allow removal of the chamber wall by removing the adhered sheet to remove tissue.
El documento JP2002335950 da a conocer un contenedor de almacenamiento/transporte para un tejido de membrana que comprende un soporte permeable al líquido que puede cortar el tejido de membrana de tipo plana que comprende el material biológico de ambos lados laterales y mantener el tejido de la membrana en un estado manteniendo su forma original sin deteriorar sus características biológicas, y un cuerpo de contenedor hermético al gas y/o hermético al fluido que puede abrirse el cual puede recibir al menos un soporte junto con un líquido de almacenamiento/transporte prescrito y mantener el tejido de membrana mantenido en el soporte en un estado húmedo con el líquido de almacenamiento/transporte.JP2002335950 discloses a storage / transport container for a membrane tissue comprising a liquid-permeable support that can cut the flat-type membrane tissue comprising the biological material from both lateral sides and keep the membrane tissue in a state maintaining its original shape without deteriorating its biological characteristics, and an openable gas-tight and / or fluid-tight container body which can receive at least one holder together with a prescribed storage / transport liquid and maintain the membrane tissue held on the support in a wet state with the storage / transport liquid.
La presente invención tiene como objetivo el desarrollo de implantes médicos con células con propiedades biomecánicas mejoradas, mediante el desarrollo de métodos de colonización y cultivo celular sobre matrices porosas bi- o tridimensionales. Está implícito el desarrollo de un biorreactor que contiene, en sí mismo, una o más matrices porosas bi- o tridimensionales, permitiendo un manejo mínimo de los implantes médicos con células para minimizar el riesgo de contaminación durante el cultivo celular ex vivo. The present invention aims to develop medical implants with cells with improved biomechanical properties, through the development of colonization and cell culture methods on two- or three-dimensional porous matrices. Implicit is the development of a bioreactor that contains, by itself, one or more two- or three-dimensional porous matrices, allowing minimal handling of medical implants with cells to minimize the risk of contamination during ex vivo cell culture .
Descripción de la invenciónDescription of the invention
La presente invención se refiere a un biorreactor que puede utilizarse en la colonización y cultivo de células en el interior de matrices de soporte contenidas en su interior, originando implantes médicos con células para la sustitución/regeneración de tejidos u órganos de animales o humanos, tales como hueso, cartílago, piel y músculo. The present invention refers to a bioreactor that can be used in the colonization and culture of cells inside support matrices contained therein, originating medical implants with cells for the replacement / regeneration of tissues or organs of animals or humans, such like bone, cartilage, skin, and muscle.
El biorreactor está principalmente compuesto por una o más matrices, con porosidad variable, tridimensional o bidimensional, contenidas en el interior de una cámara hermética al agua unicompartimentada o multicompartimentada.The bioreactor is mainly composed of one or more matrices, with variable porosity, three-dimensional or Two-dimensional, contained within a one-compartment or multi-compartment watertight chamber.
Tanto la cámara de cultivo como la matriz contenida en su interior se fabrican simultáneamente a través de un proceso de creación rápida de prototipos, a partir de uno o múltiples materiales. Estos materiales pueden ser biodegradables o no, inertes o no, poliméricos o compuestos, transparentes, translúcidos u opacos, como policaprolactona (PCL), ácido poliláctico (PLA) o ácido poliglicólico (PGA).Both the culture chamber and the matrix contained within it are manufactured simultaneously through a rapid prototyping process, from one or multiple materials. These materials can be biodegradable or not, inert or not, polymeric or composite, transparent, translucent or opaque, such as polycaprolactone (PCL), polylactic acid (PLA) or polyglycolic acid (PGA).
Durante la fabricación del biorreactor y su matriz interna puede usarse un material de soporte soluble en agua adicional, que también se deposita durante el proceso de creación rápida de prototipos. Este material actúa únicamente como soporte para la deposición del material o materiales depositados durante la fabricación de la cámara y su matriz, retirándose posteriormente por inmersión en agua o disolución acuosa.During the manufacture of the bioreactor and its internal matrix an additional water soluble support material can be used, which is also deposited during the rapid prototyping process. This material only acts as a support for the deposition of the material or materials deposited during the manufacture of the chamber and its matrix, subsequently being removed by immersion in water or aqueous solution.
La arquitectura de la cámara y su matriz interna deben diseñarse preferiblemente para soportarse por sí mismas, no siendo necesaria la utilización de un material de soporte adicional.The architecture of the chamber and its internal matrix should preferably be designed to be self-supporting, not requiring the use of additional support material.
Las cámaras y sus matrices internas pueden esterilizarse por varios métodos según los materiales utilizados. Pueden esterilizarse por inmersión en etanol, por exposición a radiación ultravioleta o exposición a óxido de etileno, en caso de que ninguno de los materiales utilizados muestre ninguna reactividad adversa, o incluso por esterilización en autoclave, cuando los materiales utilizados son suficientemente estables cuando se exponen a altas temperaturas. En caso de que la cámara externa se someta a creación de prototipos a partir de uno o más materiales transparentes o translúcidos, se vuelve incluso posible analizar su interior por medios ópticos. En caso de que la matriz interna también se someta a creación de prototipos a partir de materiales transparentes o translúcidos, el interior de la matriz interna también puede analizarse por medios ópticos.The chambers and their internal matrices can be sterilized by various methods depending on the materials used. They can be sterilized by immersion in ethanol, by exposure to ultraviolet radiation or exposure to ethylene oxide, in case none of the materials used shows any adverse reactivity, or even by sterilization in an autoclave, when the materials used are sufficiently stable when exposed. at high temperatures. In case the external camera is prototyped from one or more transparent or translucent materials, it becomes even possible to analyze its interior by optical means. In case the internal matrix is also prototyped from transparent or translucent materials, the interior of the internal matrix can also be analyzed by optical means.
Con el fin de mejorar el rendimiento de la matriz interna contenida en el interior de la cámara es posible realizar recubrimientos de su superficie mediante llenado o perfusión del interior de la cámara, a través de la matriz interna, con disoluciones o gases capaces de generar esos recubrimientos.In order to improve the performance of the internal matrix contained within the chamber, it is possible to coat its surface by filling or perfusing the interior of the chamber, through the internal matrix, with solutions or gases capable of generating these coatings.
La matriz interna puede diseñarse usando como referencia inicial formas simples como formas cúbicas, cilíndricas, tubulares u otras, o bien a partir de formas complejas obtenidas a partir del análisis de tejidos u órganos mediante tomografía computarizada o técnicas de resonancia magnética.The internal matrix can be designed using as initial reference simple shapes such as cubic, cylindrical, tubular or other shapes, or from complex shapes obtained from the analysis of tissues or organs by means of computed tomography or magnetic resonance techniques.
El diseño de la cámara externa se realiza teniendo como referencia inicial la forma de la matriz interna y por extrusión de sus superficies externas.The design of the external chamber is carried out having as initial reference the shape of the internal matrix and by extruding its external surfaces.
Al diseño de la cámara externa se añaden al menos dos estructuras tubulares que se destinan a conectar el interior de la cámara con el exterior y permitir la entrada y salida de fluidos y/o gases desde/hasta el interior de la cámara. La ubicación de estas estructuras tubulares debe determinarse teniendo en cuenta la mejor eficiencia posible en el drenaje de los fluidos insertados al interior de la cámara, así como la mejora de la dinámica del flujo de fluido al interior de la cámara.At least two tubular structures are added to the design of the external chamber which are intended to connect the interior of the chamber with the exterior and allow the entry and exit of fluids and / or gases from / to the interior of the chamber. The location of these tubular structures should be determined taking into account the best possible efficiency in draining the fluids inserted into the chamber, as well as the improvement of the fluid flow dynamics inside the chamber.
El biorreactor puede integrarse en un sistema de cultivo de perfusión que permite hacer circular el medio de cultivo a través del interior de la cámara externa y a través de los poros de la matriz interna del biorreactor.The bioreactor can be integrated into a perfusion culture system that allows the culture medium to circulate through the interior of the external chamber and through the pores of the internal matrix of the bioreactor.
El medio de cultivo se suministra a la cámara a través de las estructuras tubulares para entrada/salida del medio, preferiblemente ubicadas en los extremos de la cámara de cultivo, y se hace circular desde y hasta un depósito de medio de cultivo aireado por medio de una bomba peristáltica.The culture medium is supplied to the chamber through the tubular structures for medium inlet / outlet, preferably located at the ends of the culture chamber, and is circulated to and from an aerated culture medium reservoir by means of a peristaltic pump.
Cuando se integra en un sistema de cultivo de perfusión, el biorreactor es capaz de realizar una perfusión continua del medio de cultivo de expansión o diferenciación, mejorando el transporte masivo de células al interior de la matriz previamente con células. La perfusión continua del medio de cultivo realizada por el sistema de cultivo es capaz de actuar como un estímulo sobre las células, siendo capaz de regular o aumentar la proliferación y diferenciación de células. La perfusión del medio a través de las matrices con células puede realizarse tanto unidireccionalmente como bidireccionalmente.When integrated into a perfusion culture system, the bioreactor is capable of continuous perfusion of the expansion or differentiation culture medium, improving the massive transport of cells into the matrix previously with cells. The continuous perfusion of the culture medium carried out by the culture system is capable of acting as a stimulus on the cells, being able to regulate or increase the proliferation and differentiation of cells. Perfusion of the medium through the cell arrays can be performed both unidirectionally and bidirectionally.
Después del cultivo, la matriz con células puede retirarse del interior del biorreactor cortando la cámara externa en ubicaciones diseñadas específicamente, usando herramientas quirúrgicas.After culturing, the cell matrix can be removed from the interior of the bioreactor by cutting the outer chamber at specifically designed locations, using surgical tools.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
La figura 1 muestra una sección longitudinal del dispositivo que contiene una estructura porosa tridimensional simple en su interior.Figure 1 shows a longitudinal section of the device containing a simple three-dimensional porous structure inside.
La figura 2 muestra una sección longitudinal del dispositivo que contiene una estructura porosa bidimensional en su interior.Figure 2 shows a longitudinal section of the device containing a two-dimensional porous structure in its inside.
La figura 3 muestra una sección longitudinal del dispositivo que contiene una estructura porosa tridimensional doble en su interior.Figure 3 shows a longitudinal section of the device containing a double three-dimensional porous structure inside.
La figura 4 muestra una sección longitudinal del dispositivo que contiene una estructura porosa tridimensional tubular en su interior.Figure 4 shows a longitudinal section of the device that contains a tubular three-dimensional porous structure inside.
La figura 5 muestra una sección longitudinal del dispositivo que contiene una estructura porosa tridimensional tubular compleja, fabricado usando un modelo tridimensional obtenido a partir de tomografía computarizada o análisis de resonancia magnética de un tejido u órgano.Figure 5 shows a longitudinal section of the device containing a complex tubular three-dimensional porous structure, manufactured using a three-dimensional model obtained from computed tomography or magnetic resonance analysis of a tissue or organ.
La figura 6 muestra el dispositivo en vista isométrica.Figure 6 shows the device in isometric view.
La figura 7 muestra una sección longitudinal del dispositivo.Figure 7 shows a longitudinal section of the device.
La figura 8 muestra una sección parcial del dispositivo en vista isométrica.Figure 8 shows a partial section of the device in isometric view.
La figura 9 muestra un implante después de la retirada del recinto externo en vista isométrica.Figure 9 shows an implant after removal from the outer enclosure in isometric view.
La figura 10 muestra el dispositivo descrito en las figuras 6 y 9 integrado en un sistema de cultivo celular de perfusión dinámico.Figure 10 shows the device described in Figures 6 and 9 integrated into a dynamic perfusion cell culture system.
Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention
La siguiente descripción se refiere a una configuración preferencial de la invención recurriendo a las figuras de este documento con el fin de permitir un mejor entendimiento de la invención.The following description refers to a preferred configuration of the invention using the figures of this document in order to allow a better understanding of the invention.
El biorreactor está esencialmente compuesto por una cámaras herméticas al agua unicompartimentada 1 o multicompartimentada 2 que contienen en su interior una o más matrices, que posee porosidad que puede ser uniforme o variable, homogénea o heterogénea, presente en toda la matriz 3,5,6,7 o parte de la matriz 4, tridimensional 3,4,6,7 o bidimensional 5, que poseen formas simples 3, 4, 5, 6 o complejas 7.The bioreactor is essentially composed of a unicompartmental 1 or multi-compartment 2 watertight chambers that contain inside one or more matrices, possessing porosity that can be uniform or variable, homogeneous or heterogeneous, present throughout the matrix 3,5,6 , 7 or part of the matrix 4, three-dimensional 3,4,6,7 or two-dimensional 5, which have simple 3, 4, 5, 6 or complex shapes 7.
El diseño externo de forma simple de la matriz 3,4,5,6 puede lograrse usando formas simples como referencias iniciales como formas cúbicas, cilíndricas, tubulares u otras, mientras que el diseño de la forma externa de la matriz interna compleja 7 se logra recurriendo a formas complejas obtenidas a partir de análisis realizados en tejidos u órganos usando tecnologías como tomografía computarizada o resonancia magnética. Los poros internos de la matriz interna 3,4,5,6,7 pueden generarse mediante la adición de manera manual o automática de poros en el interior del diseño de la matriz interna 3,4,5,6,7 o, también después mediante la adición automática, mediante la definición de propiedades específicas para la deposición de material durante la conversión del diseño tridimensional final en comandos para controlar el equipo que fabricará la matriz interna 3,4,5,6 mediante creación rápida de prototipos. The simple shape external design of the matrix 3,4,5,6 can be achieved by using simple shapes as initial references such as cubic, cylindrical, tubular or other shapes, while the external shape design of the complex internal matrix 7 is achieved resorting to complex shapes obtained from analyzes performed on tissues or organs using technologies such as computed tomography or magnetic resonance imaging. The internal pores of the internal matrix 3,4,5,6,7 can be generated by manually or automatically adding pores inside the internal matrix design 3,4,5,6,7 or, also after by automatic addition, by defining specific properties for material deposition during the conversion of the final three-dimensional design into commands to control the equipment that will manufacture the internal matrix 3,4,5,6 by rapid prototyping.
El diseño de la cámara externa 1,2 se realiza a su vez tomando como referencia inicial la forma externa de la matriz interna 3,4,5,6,7 y modificando, mediante extrusión de las caras externas, una réplica simplificada de esa misma matriz interna 3,4,5,6,7, de tal manera que las paredes internas diseñadas del dispositivo 1,2 están muy cerca de las paredes externas del diseño de la matriz interna 3,4,5,6,7, pero también suficientemente separadas de modo que no se toquen entre sí. Esta característica permite que, después de la creación de prototipos simultánea de la matriz interna 3,4,5,6 y la cámara externa 1,2, los medios de siembra, cultivo y diferenciación celular usados posteriormente en su interior, sean más eficientes en la siembra, alimentación y estimulación de las células que se adherirán a las superficies interna y externa de la matriz interna 3,4,5,6,7 cuando se hacen circular a través de las mismas, dentro de la cámara externa 1,2, dado que todo el medio de cultivo empleado se mantendrá permanentemente en estrecho contacto con las células adheridas a la superficie interna y externa de la matriz interna 3,4,5,6,7.The design of the external chamber 1,2 is carried out in turn taking as an initial reference the external shape of the internal matrix 3,4,5,6,7 and modifying, by extrusion of the external faces, a simplified replica of the same internal matrix 3,4,5,6,7, such that the designed internal walls of the device 1,2 are very close to the external walls of the internal matrix design 3,4,5,6,7, but also far enough apart so that they do not touch each other. This characteristic allows that, after the simultaneous prototyping of the internal matrix 3,4,5,6 and the external chamber 1,2, the means of seeding, culturing and cell differentiation subsequently used inside, be more efficient in the seeding, feeding, and stimulation of cells that will adhere to the inner and outer surfaces of the inner matrix 3,4,5,6,7 when they are circulated through them, within the outer chamber 1,2, since all the culture medium used will remain permanently in close contact with the cells adhered to the inner and outer surface of the inner matrix 3,4,5,6,7.
Dada esta característica, y a pesar de someterse a creación de prototipos simultáneamente, la matriz interna 3,4,5,6,7 y la cámara externa 1,2 no se unen en ningún punto, facilitando la retirada de la matriz interna 3,4,5,6,7 del interior de la cámara externa 1,2 donde tuvo lugar el período de siembra y cultivo celular.Given this characteristic, and despite being simultaneously prototyped, the internal matrix 3,4,5,6,7 and the external chamber 1,2 do not join at any point, facilitating the removal of the internal matrix 3,4 , 5,6,7 inside the external chamber 1,2 where the sowing and cell culture period took place.
Al diseño de la cámara externa 1,2 se añaden preferiblemente dos estructuras tubulares 8 que conectan el interior de la cámara 1,2 al exterior y permiten la entrada y salida de fluidos y gases desde/hasta el interior de la cámara 1,2. La ubicación de estas estructuras tubulares 8 debe determinarse teniendo en cuenta la mejor eficiencia posible en el drenaje de los fluidos introducidos en la cámara, así como la mejora de la dinámica del flujo de fluido al interior de la cámara 1,2.Two tubular structures 8 are preferably added to the design of the external chamber 1,2 which connect the interior of the chamber 1,2 to the exterior and allow the entry and exit of fluids and gases from / to the interior of the chamber 1,2. The location of these tubular structures 8 must be determined taking into account the best possible efficiency in the drainage of the fluids introduced into the chamber, as well as the improvement of the fluid flow dynamics inside the chamber 1,2.
Al diseño de la cámara externa 1,2, también se añaden hendiduras 9, que posteriormente se usarán para facilitar su corte preciso en ubicaciones predeterminadas, facilitando de ese modo la retirada de la matriz 3,4,5,6,7 del interior de la cámara externa 1,2. To the design of the external chamber 1,2, grooves 9 are also added, which will later be used to facilitate its precise cutting at predetermined locations, thereby facilitating removal of the matrix 3,4,5,6,7 from the interior of the external chamber 1,2.
La cámara de cultivo 1,2 así como la matriz interna 3,4,5,6,7 contenida en su interior se fabrican simultáneamente, mediante un proceso de creación rápida de prototipos a partir de uno o múltiples materiales. Estos materiales pueden ser biodegradables o no, inertes o no, poliméricos o compuestos, transparentes, translúcidos u opacos.The culture chamber 1,2 as well as the internal matrix 3,4,5,6,7 contained within it are manufactured simultaneously, through a process of rapid prototyping from one or multiple materials. These materials can be biodegradable or not, inert or not, polymeric or composite, transparent, translucent or opaque.
Cuando se emplea un proceso de creación rápida de prototipos para la fabricación del biorreactor, que está compuesto por una cámara de cultivo 1,2 y una matriz interna 3,5,6,7, puede utilizarse un material de soporte soluble en agua adicional, que también se deposita durante el proceso de creación de prototipos. El único propósito de este material es soportar la deposición del material o materiales a partir de los que se harán la cámara y la matriz, y posteriormente pueden retirarse por inmersión en agua o disolución acuosa.When a rapid prototyping process is used to manufacture the bioreactor, which is composed of a culture chamber 1,2 and an internal matrix 3,5,6,7, an additional water soluble support material can be used, which is also deposited during the prototyping process. The sole purpose of this material is to support the deposition of the material or materials from which the chamber and the matrix will be made, and can subsequently be removed by immersion in water or aqueous solution.
Preferiblemente, la arquitectura de la cámara 1,2 y su matriz interna 3,5,6,7 deben diseñarse de manera que se soporten por sí mismas, eliminando la necesidad de un material de soporte adicional.Preferably, the architecture of the chamber 1,2 and its internal matrix 3,5,6,7 should be designed to support themselves, eliminating the need for additional support material.
Cuando la cámara externa se somete a creación de prototipos a partir de uno o múltiples materiales transparentes o translúcidos, se vuelve también posible analizar el interior de la cámara por medios ópticos. Si la matriz interna 3,4,5,6,7 ubicada dentro de la cámara también se somete a creación de prototipos a partir de materiales transparentes o translúcidos se vuelve también posible analizar el interior de esa matriz 3,4,5,6,7.When the outer chamber is prototyped from one or more transparent or translucent materials, it also becomes possible to analyze the interior of the chamber by optical means. If the internal matrix 3,4,5,6,7 located inside the chamber is also subjected to prototyping from transparent or translucent materials, it also becomes possible to analyze the interior of that matrix 3,4,5,6, 7.
Las cámaras 1,2 y sus matrices internas 3,4,5,6,7 pueden esterilizarse por diversos métodos según los materiales utilizados. Pueden esterilizarse por inmersión en etanol, por exposición a radiación ultravioleta u óxido de etileno, en caso de ausencia de reactividad adversa, o incluso por esterilización en autoclave, en caso de que los materiales utilizados sean suficientemente estables cuando se exponen a altas temperaturas.The chambers 1,2 and their internal matrices 3,4,5,6,7 can be sterilized by various methods depending on the materials used. They can be sterilized by immersion in ethanol, by exposure to ultraviolet radiation or ethylene oxide, in the absence of adverse reactivity, or even by sterilization in an autoclave, in case the materials used are sufficiently stable when exposed to high temperatures.
Con el fin de mejorar el rendimiento de la matriz interna 3,4,5,6,7 contenida al interior de la cámara 1,2 es posible realizar recubrimientos sobre sus superficies mediante llenado y/o perfusión del interior de la cámara, a través de los poros de la matriz, con disoluciones o gases capaces de generar esos recubrimientos. Los recubrimientos adicionales también pueden realizarse sobre las paredes exteriores de la cámara 1,2 para diversos propósitos, como aumentar la hermeticidad al agua de la cámara 1,2.In order to improve the performance of the internal matrix 3,4,5,6,7 contained within the chamber 1,2, it is possible to carry out coatings on its surfaces by filling and / or perfusing the interior of the chamber, through of the pores of the matrix, with solutions or gases capable of generating these coatings. Additional coatings can also be made on the outer walls of chamber 1,2 for various purposes, such as increasing the watertightness of chamber 1,2.
El biorreactor puede integrarse en el interior de un sistema de cultivo ilustrado en la figura 10. Este sistema está compuesto por el biorreactor en una de sus posibles configuraciones, que comprende una cámara externa 1,2 que contiene una de las diversas clases de matrices internas 3,4,5,6,7, conectadas a un depósito de medio de cultivo 10 por tubos conectados a sus estructuras tubulares 8. Aparte de las dos entradas/salidas del medio, el depósito 10 posee también una conexión adicional para la entrada y salida de gases que se purifican por un filtro de aire 11.The bioreactor can be integrated into the interior of a culture system illustrated in figure 10. This system is composed of the bioreactor in one of its possible configurations, comprising an external chamber 1,2 containing one of the various kinds of internal matrices. 3,4,5,6,7, connected to a culture medium tank 10 by tubes connected to their tubular structures 8. Apart from the two medium inlets / outlets, the tank 10 also has an additional connection for the inlet and Gas outlet that is purified by an air filter 11.
El medio de cultivo se recoge del depósito de medio de cultivo 10, se bombea por una bomba peristáltica 12 al interior de la cámara externa 1,2, se perfunde a través de los poros de la matriz interna 3,4,5,6,7 y finalmente se bombea por la misma bomba peristáltica 12 de vuelta al interior del depósito de medio de cultivo 10. Este proceso y circuito se repite para cada cavidad de cultivo individual.The culture medium is collected from the culture medium tank 10, it is pumped by a peristaltic pump 12 into the outer chamber 1,2, it is perfused through the pores of the inner matrix 3,4,5,6, 7 and finally it is pumped by the same peristaltic pump 12 back into the culture medium tank 10. This process and circuit is repeated for each individual culture cavity.
Para la circulación del medio de cultivo, deben usarse preferiblemente los tubos hechos a partir de formulaciones como la silicona dado que son altamente permeables a gases como el dióxido de carbono y el oxígeno, aumentando el intercambio de gases entre el medio circulante y la atmósfera circundante.For the circulation of the culture medium, tubes made from formulations such as silicone should preferably be used since they are highly permeable to gases such as carbon dioxide and oxygen, increasing the exchange of gases between the circulating medium and the surrounding atmosphere. .
Este sistema de cultivo puede usarse no solo para el cultivo, sino también para la siembra de células sobre las superficies interna y externa de la matriz 3,4,5,6,7 para el crecimiento celular. Dado su pequeño volumen interno, este dispositivo requiere volúmenes muy bajos de medio de cultivo. Por esta razón, es posible realizar procedimientos dinámicos de siembra usando suspensiones celulares altamente concentradas sin usar cantidades extremadamente grandes de células. De esta manera, las células tienen una mayor probabilidad de adherirse a las superficies interna y externa de la matriz 3,4,5,6,7 dado que están altamente concentradas y circulan más a menudo a través de la misma, haciendo que el proceso de siembra sea más eficiente.This culture system can be used not only for culturing, but also for seeding cells on the inner and outer surfaces of the matrix 3,4,5,6,7 for cell growth. Given its small internal volume, this device requires very low volumes of culture medium. For this reason, it is possible to perform dynamic seeding procedures using highly concentrated cell suspensions without using extremely large numbers of cells. In this way, the cells have a greater probability of adhering to the internal and external surfaces of the matrix 3,4,5,6,7 since they are highly concentrated and circulate more often through it, making the process seeding more efficient.
Cuando se integra en el interior del sistema de cultivo de perfusión descrito en la figura 10, este biorreactor es capaz de mejorar el transporte masivo celular a través de la matriz con células 3,4,5,6,7. La perfusión de medio de cultivo continua proporcionada por el sistema de cultivo puede actuar como estímulo sobre las células, dando como resultado la regulación o aumento de la proliferación y diferenciación celular.When integrated within the perfusion culture system described in Figure 10, this bioreactor is capable of enhancing cellular mass transport through the matrix with 3,4,5,6,7 cells. The continuous culture medium perfusion provided by the culture system can act as a stimulus on cells, resulting in the regulation or enhancement of cell proliferation and differentiation.
Además de permitir la siembra y el cultivo celular por medio de un método basado en la perfusión, este dispositivo también permite utilizar otras metodologías como la siembra estática o agitada. Al realizar la siembra estática, se inyecta una suspensión celular dentro de la cámara llenando todos sus espacios vacíos internos y, en particular, los poros de la matriz interna 3,4,5,6,7. Después de sellar las estructuras tubulares 8 con tapas, la suspensión celular se mantiene dentro de la cámara 1,2 y los poros de la matriz 3,4,5,6,7 durante un período de tiempo suficiente para que las células contenidas en la suspensión celular se adhieran a la matriz interna 3,4,5,6,7. Durante esa siembra, el dispositivo puede mantenerse en condiciones estáticas o también bajo agitación con el fin de aumentar la posibilidad de que las células entren en contacto con las superficies de múltiples matrices 3,4,5,6,7 y de ese modo aumentar la posibilidad de adhesión, así como permitir una distribución más homogénea de células adheridas sobre la superficie de la matriz 3,4,5,6,7.In addition to allowing seeding and cell culture by means of a perfusion-based method, this device also allows the use of other methodologies such as static or shaken seeding. When performing static seeding, a cell suspension is injected into the chamber filling all its internal empty spaces and, in particular, the pores of the internal matrix 3,4,5,6,7. After sealing the tubular structures 8 with caps, the cell suspension is kept within the chamber 1,2 and the pores of the matrix 3,4,5,6,7 for a period of time sufficient for the cells contained in the cell suspension adhere to the internal matrix 3,4,5,6,7. During this seeding, the device can be kept in static conditions or also under agitation in order to increase the possibility that the cells will come into contact with the surfaces of multiple matrices 3,4,5,6,7 and thus increase the possibility of adhesion, as well as allowing a more homogeneous distribution of adhered cells on the surface of the matrix 3,4,5,6,7.
Después del período de siembra, la suspensión celular que contiene células no adheridas se retira del interior del dispositivo y se reemplaza por un nuevo medio de diferenciación y/o expansión. Asimismo, durante el período de diferenciación y/o expansión, el dispositivo que contiene medio de diferenciación y/o expansión en su interior puede mantenerse en condiciones estáticas o alternativamente someterse a agitación.After the seeding period, the cell suspension containing unattached cells is removed from the interior of the device and replaced by a new differentiation and / or expansion medium. Also, during the period of differentiation and / or expansion, the device containing differentiation and / or expansion medium within it can be kept under static conditions or alternatively subjected to agitation.
Con el fin de mantener un entorno estéril, con temperatura y humedad estables y adecuadas, el biorreactor, integrado o no en un sistema de perfusión, se coloca dentro de una incubadora de cultivo celular. In order to maintain a sterile environment, with stable and adequate temperature and humidity, the bioreactor, integrated or not in a perfusion system, is placed inside a cell culture incubator.
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