-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einkopplung eines elektrischen
Feldes in ein physiologisches und elektrisch leitfähiges Medium.
Derartige Verfahren werden beispielsweise zur effizienten Erzeugung
beziehungsweise zur gezielten Beeinflussung von Zellkulturen, Mikroorganismen,
Hefen oder Pilzen eingesetzt.
-
Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, welche zur Einkopplung
eines elektrischen Feldes in ein physiologisches und elektrisch
leitfähiges Medium
ausgebildet ist.
-
Derartige
Vorrichtungen werden neben der Erzeugung von elektrischen Feldern
in ionisch leitfähigen
Zellkulturmedien oder Mikroorganismensuspensionen auch für die Behandlung
von Extremitäten oder
sonstigen Körperteilen
von Menschen oder Tieren genutzt.
-
Weiterhin
spielen derartige Vorrichtungen eine Rolle im Rahmen des Tissue-Engineering. Die Methode
des Tissue-Engineering beruht darauf, lebende Zellen eines Organismus
außerhalb
eines Körpers
zu kultivieren, gegebenenfalls mit extrazellulären Komponenten biologischer
oder synthetischer Art zu kombinieren, und die bioartifizellen Regenerate
oder Konstrukte wieder in einen Organismus zu implantieren.
-
Insgesamt
finden derartige Vorrichtungen somit ihren Einsatz in der Bioverfahrenstechnik
im weiteren Sinne sowie in der rekonstruktiven Chirurgie sowie der
Orthopädie.
-
Im
Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen
zur Einkopplung von elektromagnetischen Feldern in physiologische
Medien bekannt.
-
Unter
physiologischen Medien sollen im weiteren Sinne Medien verstanden
werden, die im Zusammenhang mit lebender Materie verwendet oder benutzt
werden, wie zum Beispiel Nährmedien
oder Kulturmedien. Weiterhin sollen als physiologische Medien auch
Lebewesen beziehungsweise Teile davon betrachtet werden.
-
Im
Stand der Wissenschaft ist bekannt, dass mechanisch induzierte elektrische
Felder beispielsweise funktionelle Anforderungen an die Knochenstruktur
vermitteln, was als Ausgangspunkt für die Forschung sowie für die Therapie
durch elektromagnetische Felder anzusehen ist. Das Einkoppeln elektromagnetischer
Felder zur Stimulation der Knochenheilung oder zur Behandlung von
Pseudoarthrosen sind bekannte Anwendungen, und es existieren diverse
Vorrichtungen zur Realisierung dieser Verfahren.
-
Auch
ist bekannt, dass Felder generell einen Einfluss auf Stoffwechsel-
und Transportvorgänge von
Zellen haben und eine Stimulierung sowie Inhibierung dadurch möglich ist.
-
Die
Wechselwirkung von elektromagnetischen Feldern mit vitalen Systemen
erfolgt nach dem Stand der Wissenschaft jedoch nur durch das elektrische
Feld. Man kennt die induktive Einkopplung (IC), die kapazitive Einkopplung
(CC) sowie die Methode des direkt eingeleiteten Stromes (DC) und
unterscheidet die Vorrichtungen prinzipiell nach der Wirkungsweise
der Einkopplung der Felder in Verbindung mit der Art des verwendeten
Feldes selbst.
-
Die
am weitesten verbreitete Methode ist die induktive Einkopplung.
Nach der
DE 195 25
654 A1 ist ein Verfahren zur mechanischen Beeinflussung von
biologischen Objekten mittels magnetischer Partikel in einem inhomogenen
Magnetfeld bekannt. Die dafür
angesetzte Vorrichtung besteht aus einer Zylinderspule mit einem
nicht geschlossenen Ferritkern, wobei zwischen den Enden des Ferritkerns
die Probe mit dem biologischen System und den darin enthaltenen
magnetisierbaren Partikeln, den Beads, zwischen einem flachen Pol
und einem spitzen Pol angeordnet sind.
-
Dieser
Vorrichtung und dem damit verbundenen Verfahren haftet insbesondere
der Nachteil an, dass ein inhomogenes Magnetfeld entsteht, wodurch sich
die Eignung der Vorrichtung für
reproduzierbare wissenschaftliche Untersuchungen stark reduziert.
-
Das
zugrunde liegende Verfahren der Stimulation von Zellen wird auch
als Verfahren der indirekten Einkopplung bezeichnet, da das gewünschte elektrische
Feld durch ein sich zeitlich änderndes magnetisches
Feld im Medium hervorgerufen wird.
-
Nach
der
US 2004/0248291
A1 ist eine Methode für
die Kultivierung von Zellen oder Zellkulturträgern und Zellkulturen sowie
eine Vorrichtung dazu bekannt. Die Stimulation des Zellwachstums
erfolgt in vitro mittels eines magnetischen Feldes. Die Vorrichtung
enthält
einen Zellkulturbehälter
für die
Aufbewahrung der Zellkulturlösung
mit den zu kultivierenden Zellen und den kugelförmigen Zellkulturträgern, auf
welchen die Zellen adhärent
sind. Weiterhin enthält
die Vorrichtung einen Magnetfeldgenerator für die Erzeugung des magnetischen
Feldes für
die Kulturlösung.
Die das Magnetfeld erzeugende Spule wird dabei teilweise um das
Zellkulturgefäß herum angeordnet
oder alternativ auch stabförmig
in das Zellkulturmedium eingebracht. Weitere Ausgestaltungen bestehen
darin, mehrere Spulen kreisringsegmentförmig um das Kulturgefäß herum
anzuordnen.
-
Überwiegend
werden bei der induktiven Einkopplung so genannte Helmholzanordnungen
von Spulen zum Einsatz gebracht.
-
Diese
bestehen aus zwei stromdurchflossenen Spulen mit paralleler konzentrischer
Ausrichtung. Dabei wird entlang und in der Nähe der zentralen Achse der
Spulen ein homogenes Magnetfeld erzeugt, das sich gut modellieren
lässt.
Die Wechselwirkung mit vitalen Systemen erfolgt jedoch indirekt durch
das induzierte elektrische Feld, wie bereits ausgeführt wurde.
-
Nach
der
DE 41 07 028 A1 ist
ein Verfahren zur Steigerung der Bildung extrazellulärer Enzyme bei
der aeroben Submerszüchtung
von Pilzstämmen durch
Elektrostimulation bekannt, bei welchem die Steigerung der Bildung
extrazellulärer
Enzyme mittels impulsartiger Ströme
von Helmholzspulen erreicht wird.
-
Nachteilig
beim Prinzip der induktiven Einkopplung ist die indirekte Art der
Wechselwirkung, die letztlich zu einem kaum beschreibbaren System führt. Die
eingekoppelten Energien sind kaum zu ermitteln, und daher ist die
Dosierung im Einzelfall eine Ermessensfrage. Die benötigte Leistung
zur Erzeugung eines Magnetfelds in einer Helmholzanordnung ist zudem
sehr hoch. Bei gleichzeitig resultierenden kleinen effektiven elektrischen
Feldstärken
ist damit der Wirkungsgrad der Behandlung gering.
-
Weiterhin
nachteilig ist die Größe beziehungsweise
das Bauvolumen der erforderlichen Vorrichtungen.
-
Ebenso
ist als nachteilig bei der Methode der induktiven Einkopplung anzusehen,
dass die Felder sehr schlecht modellierbar sind, was insbesondere bei
der Grundlagenforschung ein Nachteil von zentraler Bedeutung ist.
Die Reproduzierbarkeit bei sonst vergleichbaren Bedingungen ist
von der exakten Ausführung
des Spulenaufbaus abhängig
und somit kaum oder nur unter besonderen Bedingungen gegeben.
-
Die
Einkopplung eines elektrischen Feldes erfolgt durch zeitlich veränderliche
Magnetfelder. Im elektrisch leitfähigen Gewebe oder Nährmedium
entstehen dabei auch Wirbelströme,
die auf das Magnetfeld zurückwirken.
Die Verteilung der elektrischen Felder ist somit von der Konstruktion
und der Anordnung der Spulen sowie der Anatomie und der Leitfähigkeit
des exponierten Gewebes abhängig
und daher schwer zu verallgemeinern. Zur Abschätzung der induzierten elektrischen
Feldstärken
muss neben der magnetischen Flussdichte auch die zeitliche Änderung
des Magnetfeldes bekannt sein. Allgemein gilt, dass je steiler die
Flanken des Pulses sind, auch die induzierte Feldstärke umso
höher ist.
Weiterhin ist es schwierig, die tatsächliche elektrische Feldstärke in der
Nähe der
Zellen zu bestimmen und zu kontrollieren. Problematisch ist auch
die Dauer der induzierten elektrischen Felder. Es existieren somit
erhebliche Unterschiede in Form, Verteilung und Stärke der
Felder, was letztlich beinhaltet, dass beispielsweise im medizintechnischen
Anwendungsfall endogene elektrische Felder nur ungenügend durch
gepulste Magnetfelder nachgebildet werden können.
-
Eine
weitere Methode besteht in der direkten Einkopplung des Stromes
in das physiologische Medium.
-
Nach
der
DE 102 52 773
A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zellstimulierung
bekannt, bei der die Zellstimulierung durch direkte elektrische Stimulierung
ohne Schädigung
der Zellen zellberührungslos,
jedoch mit Elektroden im Medium, durchgeführt wird.
-
Ganz
allgemein gilt, dass elektrische Felder bei dieser Methode durch
die direkte Applikation von Strömen über Elektroden
katodisch mit einem Ansteigen sowie anodisch mit einem Absinken
des lokalen pH-Wertes gekoppelt sind und zusätzlich Gradienten der Sauerstoffkonzentration
aufgebaut werden. Eine Implantation von Elektroden in organisches
Material birgt zudem ein zusätzliches
Risiko von Infektionen neben den Nachteilen der elektrochemischen
Zersetzung bzw. des elektrochemischen Abbaus von Komponenten des
Zellkulturmediums oder der Zellkultur selbst.
-
Diese
Effekte entstehen zum Teil dadurch, dass Elektroden die Ladungen
im Medium in erster Linie durch Faradaysche Prozesse erzeugen müssen, da
die für
eine physiologische Reaktion erforderliche Ladung bei weitem diejenige überschreitet,
die durch Laden und Entladen der Doppelschichtkapazität erreicht
werden kann.
-
Somit
kommt die Stimulation durch direkte Einkopplung in den seltensten
Fällen
zur Anwendung. Zum einen ist die Wahrscheinlichkeit für eine direkte
Schädigung
durch Elektroporation groß und andererseits
führt der
direkte Kontakt der Elektroden zu Redoxprozessen in der physiologischen
Umgebung, die als Beeinträchtigung
zu betrachten sind.
-
Weiterhin
ist das für
den Einsatz in biologischem Gewebe verwendete Elektrodenmaterial
inert auszubilden, und es sollte zudem biokompatibel sein. Verwendet
werden kann Platin und Iridium. Für die Herstellung von Bioelektroden
wird daher sehr häufig Platin
eingesetzt, da es sehr korrosionsbeständig ist und außerdem durch
niedrige Schwellenpotenziale für
die elektrische Stimulation gut einsetzbar ist. Eine zusätzliche
Platinierung der Oberfläche,
d. h. Auftragen einer rauen Edelmetallschicht, kann die Oberfläche mehr
als 1.000fach vergrößern. Dadurch
sinkt die Stromdichte und die elektrochemischen Prozesse verlaufen
länger
im reversiblen Bereich. Allerdings ist der Einsatz von Platin mit
dem Nachteil verbunden, dass dieses Metall sehr teuer ist.
-
Bei
der kapazitiven Kopplung über
externe Kondensatorplatten wird das elektrische Feld von außen in ein
zwischen den Kondensatorplatten liegendes System eingebracht. Somit
werden bei der kapazitiven Kopplung die Felder durch Dielektrika,
vielfach auch mehrere kombiniert, eingekoppelt, deren Suszeptibilität oft nicht
bekannt ist. Damit ist eine Modellierung des Verfahrens und der
Parameter schwierig.
-
Die
Verteilung der Stärke
des elektrischen Feldes und das behandelbare Gewebe sind dabei stark
von der Frequenz und den passiven elektrischen Eigenschaften des
Gewebes abhängig.
-
Durch
die kapazitiven Ladungsvorgänge werden
im Unterschied zur direkten Einkopplung zwar keine chemischen Veränderungen
im Medium verursacht, es können
aber nur geringe Ladungsdichten erzeugt werden. Bei größeren Ladungsdichten
kommt es zu dielektrischen durchbruchähnlichen Erscheinungen und
zum Einsetzen Faradayscher Reaktionen. Die Kapazitäten der
Kondensatorplatten sind im Allgemeinen sehr klein, so dass nur so
hohe Frequenzen übertragen
werden können,
die oberhalb des physiologisch begründeten Frequenzbandes liegen.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur möglichst
verlustfreien Einkopplung eines – bevorzugt homogenen – elektrischen
Feldes in physiologische Medien zur Verfügung zu stellen.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zur Einkopplung
eines elektrischen Feldes in ein physiologisches und elektrisch
leitfähiges Medium
gelöst,
welche insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass eine erste
mit Wechselspannung beaufschlagbare Spule auf einem „Trafokern", wie z. B. einem
ferromagnetischen Toroid, angeordnet ist und dass eine geschlossene
Leiterschleife als zweite Spule durch den Trafokern bzw. den Toroid hindurchgehend
zur transformatorähnlichen
Einkopplung eines elektrischen Feldes in die Leiterschleife vorgesehen
ist, in welcher das physiologische Medium angeordnet ist. Toroid
heißt
dabei jeder Torus und im topologischen Sinne einem Torus homöomorphe
Körper.
-
Die
Konzeption der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein elektrisches
Feld durch eine transformatorähnliche
Einkopplung im physiologischen Medium bereitgestellt bzw. erzeugt
wird. Das erzeugte elektrische Feld ist bei einer bevorzugten Gestaltung
der vom Medium gebildeten Leiterschleife homogener Natur und ist
zur positiven oder negativen Wechselwirkung mit den vitalen Komponenten einsetzbar.
-
Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Leiterschleife
als elektrisch nicht leitender Schlauch mit einem elektrisch leitfähigen Medium ausgebildet.
Das transformatorähnliche
Prinzip beinhaltet, dass die Leiterschleife mindestens einmal und
in Abhängigkeit
des Übersetzungsverhältnisses auch
mehrfach den Toroid durchdringt, um das elektrische Feld in das
Medium der Leiterschleife nach dem transformatorischen Prinzip einzubringen.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, einen Teil der Leiterschleife als Bioreaktor
auszubilden. Auch ist es vorteilhaft, die Leiterschleife in Länge und
Querschnitt so auszuführen,
dass sie hochohmig ist, mit einem elektrischen Widerstand von größer als
1 kΩ. Im
Bioreaktor sind Komponenten zur Temperierung des Mediums als auch
Möglichkeiten
zur Überwachung
und Steuerung der relevanten Parameter des physiologischen Systems
vorgesehen. Dabei lässt sich
die elektrische Stimulation vorteilhaft mit anderen stimulierenden
Komponenten, wie einer Regelung des hydrostatischen Druckes oder
einer Vorrichtung zur Deformation der Zellen mit dem Zweck der mechanischen
Stimulierung kombinieren. So kann insbesondere in Aufbauten des
Tissue-Engineering eine
optimierte Einflussnahme auf die Erzeugung der Konstrukte erzielt
werden.
-
Die
räumliche
Trennbarkeit von Stimulationsquelle und Kulturraum wird vorteilhaft
dazu genutzt, die Einkopplung des elektrischen Feldes in einem Aufbau
zu realisieren, der es gestattet, die vitale Komponente gleichzeitig
mit der Stimulation mikroskopisch zu beobachten (in situ Mikroskopie).
-
Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung hat die Leiterschleife eine Länge von
90 Zentimeter und wird in dem Bereich der Durchdringung des Toroiden als
Silikonschlauch mit einer Länge
von 40 Zentimetern und mit einem Durchmesser von 10 Millimetern sowie
einem Modellwiderstand RM von 4,95 kΩ ausgebildet.
-
Nach
einer alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Toroid
derart ausgebildet, dass Gliedmaßen bzw. Extremitäten oder
Körperteile
von Menschen oder Tieren zur Bildung einer Leiterschleife durch
den Toroid hindurchführbar
sind. Mit dieser Ausbildung des Toroids sind beispielsweise orthopädische Behandlungen
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
möglich.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Behandlung
eines elektrisch leitfähigen
Zellkulturmediums mit einer Vorrichtung gelöst, welches dadurch gekennzeichnet
ist, dass die Zellen oder Zellverbände in ein elektrisch leitfähiges Zellkulturmedium
eingebracht werden und dass das Zellkulturmedium in der Leiterschleife
positioniert und mit einem elektrischen Feld E von 0,5 V/m bei einer
Generatorfrequenz f von 75 Hz beaufschlagt wird.
-
In
alternativen Ausgestaltungen dieses Verfahrens zur Behandlung elektrisch
leitfähiger
Zellkulturmedien mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein elektrisches
Feld von entsprechend höherer oder
geringerer Stärke
als 0,5 V/m erzeugt, und die Generatorfrequenz wird höher oder
niedriger als 75 Hz in Abhängigkeit
vom Zelltyp gewählt.
Die Optima für
Feldstärke
E und Frequenz f sind entsprechend den Besonderheiten der jeweiligen
physiologischen Systeme bzw. Zelltypen oder Mikroorganismenarten zu
bestimmen.
-
In
weiteren Ausgestaltungen kann der Generator, der die Wechselspannung
erzeugt, die an die erste Spule auf dem Toroid angelegt wird, einen
aus mehreren Frequenzen überlagerten
Signalverlauf erzeugen, der zu zeitlich ungleichmäßigen Feldstärken im
Medium führt.
-
Nach
einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung werden als Zellen
Saos-2 ATCC Nummer HTB-85
Zellen auf Glasplättchen
mit ca. 12 mm Durchmesser eingesetzt. Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung des Verfahrens werden als Zellen Mikroorganismen eingesetzt.
Als Zellkulturmedium für
die Zellen oder Zellverbände
wird beispielsweise McCoy's
5a Medium eingesetzt.
-
Im
Tissue-Engineering ist eine beispielhafte Ausgestaltung so geartet,
dass sie gestattet, spezifische Zellträger (scaffolds), die (bio)chemisch
funktionalisiert sein können
und mit multipotenten Progenitorzellen eines zu ersetzenden Gewebes
besiedelt sind, gezielt zu beeinflussen. Nach einer Ausgestaltung
der Erfindung wird zum Zwecke der Ausbildung eines Tissue-Engineering-Konstruktes zur Therapie von
Knochendefekten ein poröser
Träger
aus einem bioresorbierbaren Kunststoff, wie z. B. einem Gestick aus
Polyhydroxybuttersäure
(PHB) oder Polymilchsäure
kombiniert mit Komponenten der extrazellulären Matrix, wie Kollagen Typ
I oder Chondroitinsulfat (CS). Nach der Besiedlung mit autologen
mesenchymalen Vorläuferzellen
aus Knochenmark und/oder Fettgewebe erfolgt die Kultur in perfundierten
Bioreaktoren. Im Kulturmedium, z. B. Dulbecc's modified Eagle Medium (DMEM) mit autologem
Serum wird ein elektrisches Feld gemäß dem erfindungswesentlichen
Prinzip der transformatorähnlichen
Einkopplung erzeugt, das die Differenzierung zu osteoblastären Zellen
begünstigt.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist insbesondere gegenüber
den im Stand der Technik überwiegend
eingesetzten Helmholzspulen und einer Einkopplung nach dem induktiven
Kopplungsprinzip folgende Vorteile auf:
- • Die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist einfacher im Aufbau und benötigt
weniger Platz und Bauvolumen.
- • Die
Einkopplung des elektrischen Feldes kann räumlich getrennt von anderen
apparativen Komponenten oder dem Bioreaktor erfolgen.
- • Weiterhin
besteht kein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der Größe des zur
Einkopplung genutzten Transformators und dem Volumen, in dem das
homogene elektrische Feld vorliegt.
- • Von
Vorteil ist ebenso, dass ein höherer
Wirkungsgrad und damit eine geringere erforderliche Primärleistung
für die
Erzeugung des elektrischen Feldes anwendbar ist. Von besonderem
Interesse ist dabei, dass durch die geringere Verlustleistung – im Vergleich
zu Helmholzspulen – für Vorrichtungen
nach dem erfindungsgemäßen Prinzip
keine Wasserkühlung
der Anordnung notwendig ist, da sich das physiologische Medium während der
Behandlung mit dem elektrischen Feld nicht zu stark aufheizt.
-
Weitere
Vorteile gegenüber
bekannten Verfahren bestehen darin, dass im Vergleich zu den Verfahren
nach dem direkten Kopplungsprinzip keine schädigenden Elektroden erforderlich
sind und damit auch die negativen Effekte des Auftretens elektrochemischer
Reaktionen und Reaktionsprodukte ausgeschlossen sind. Weiterhin
sind im Vergleich zur kapazitiven Kopplung keine empfindlichen dielektrisch beschichteten
Elektroden im Medium erforderlich. Außerdem ist die Übertragung
eines weiten Frequenzbandes, insbesondere von tiefen, physiologisch
relevanten Frequenzen im Vergleich zur Methode der kapazitiven Kopplung,
möglich.
-
Die
elektrische Feldstärke
nach dem erfindungsgemäßen Prinzip
ist in einem weiten Bereich einstellbar, und es sind im Besonderen
auch hohe Feldstärken
im Vergleich zu den Methoden der kapazitiven Kopplung und der induktiven
Kopplung realisierbar.
-
Letztlich
führt die
konsequente Anwendung der transformatorähnlichen Kopplung zu einem
sehr viel schwächeren
Magnetfeld als Begleiterscheinung. Es entsteht nur das den induzierten
Strom umgebende Magnetfeld, und es entsteht kein Magnetfeld im Nährmedium,
aus dem ein elektrisches Feld induziert wird. Es treten nur sehr
schwache Wirbelströme
auf, und es erfolgt somit nur eine geringe Erwärmung im Bereich des magnetischen
Feldes.
-
Von
weiterem Vorteil ist, dass das elektrische Feld im Vergleich zur
induktiven Kopplung einfach berechenbar ist, was gerade im Hinblick
auf die Planung von Versuchen oder auch der therapeutischen Behandlung
von Wichtigkeit ist.
-
Das
elektrische Feld ist über
große
räumliche
Bereiche homogen, was als ganz besonderer Vorteil herauszustreichen
ist.
-
Methodisch
liegt der entscheidende Vorteil darin, dass eine weitestgehend reine
Stimulation durch ein elektrisches Feld im Unterschied zumeist mit
magnetischen Feldern verbundenen alternativen Wirkprinzipien möglich ist.
-
Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtungskonzeption
besteht darin, dass das Prinzip für geschlossene Systeme einsetzbar
ist, da die Leiterschleife selbst geschlossen ist und somit das Erfordernis
der mikrobiologischen Sterilität
bei Anwendungen in der Bioverfahrenstechnik oder der Medizin auf
einfache Weise realisierbar wird.
-
Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme
auf die zugehörigen
Zeichnungen. Es zeigen:
-
1:
Vorrichtung zur Einkopplung eines elektrischen Feldes,
-
2:
Bioreaktor mit mäanderförmigem Kanal
und angeschlossenem Schlauch, beides gefüllt mit physiologischem Medium,
zur Bildung einer Leiterschleife,
-
3:
Bioreaktor mit mäanderförmigem Kanal
mit kreisförmigen
Kanalverbreiterungen zur Aufnahme von Zellkulturträgern,
-
4:
Bioreaktor mit mäanderförmigem Kanal
mit Vertiefungen zur Aufnahme von Zellkulturträgern.
-
In 1 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Einkopplung eines elektrischen Feldes in ein physiologisches
und elektrisch leitfähiges
Medium dargestellt.
-
Apparativer
Kern der Vorrichtung ist der Toroid 3, welcher aus einem ferromagnetischen
Material besteht. Die Spule 4 ist auf diesen Toroid gewickelt und
kann mit einer primären
Wechselspannung 5 beaufschlagt werden. Das dadurch erzeugbare
Magnetfeld im Toroid 3 führt zu einer induzierten elektrischen
Spannung in der Leiterschleife 2, welche den Toroid 3 durchdringt
und in sich geschlossen ist. Der Bioreaktor 1 bildet einen
Teil der Leiterschleife 2 und ist in üblicher Weise mit Mitteln zur
Temperierung und Ähnlichem
ausgestattet.
-
Die
Spule 4 ist im Ausführungsbeispiel
mit zehn Windungen und die Leiterschleife 2 als lediglich eine
Windung ausgeführt.
-
Weitere
Ausgestaltungen bestehen darin, dass die Spule 4 eine bis
einhundert Windungen aufweist.
-
Fließt ein Wechselstrom 5 durch
die Spule 4, so wird im geschlossenen Ring mit einem leitfähigen Medium
eine Spannung induziert. Entsprechend entsteht das elektrische Wechselfeld
im Nährmedium
in der Leiterschleife 2, und es fließt in dieser ein Strom. Das
entstehende elektrische Feld ist homogen und daher gut beschreibbar.
Der Strom im Nährmedium innerhalb
der Leiterschleife 2 umgibt sich wiederum mit einem Magnetfeld,
welches aber vernachlässigbar
schwach ist. Maßgeblicher
Effekt ist das Entstehen des elektrischen Wechselfeldes im Nährmedium.
-
Der
Bioreaktor 1 weist gemäß der Ausgestaltung
nach 2 mäanderförmige Kanäle mit kreisförmigen Kanalverbreiterungen 8 für die Zellkulturträger 9 auf
und besteht aus einer Grundplatte 11 und einer nicht dargestellten
Deckplatte. Die mäanderförmigen Kanäle 6 mit
den Kanalverbreiterungen 8 für die Zellkulturträger 9 sind
in die Grundplatte 11 eingearbeitet.
-
Die
Deckplatte ist aus einem lichtdurchlässigen Material gearbeitet,
wodurch die Beobachtung der Prozesse in dem Bioreaktor 1 mittels
eines nicht dargestellten Mikroskops möglich ist.
-
Der
Bioreaktor 1 enthält
weiterhin nicht dargestellte Komponenten zur Temperierung, pH-Wert-Messung
und -Einstellung sowie Möglichkeiten
der sterilen Beschickung und Entnahme mit Probenvolumen und besteht
in üblicher Weise
aus sterilisierbarem Material.
-
Weiterhin
sind zur Sicherstellung der Homogenität des physiologischen Mediums
und zur Stimulierung der im Bioreaktor 1 ablaufenden Prozesse Mittel
zur Bewegung des physiologischen Mediums in Form einer Schlauch-
oder Membranpumpe beispielsweise vorgesehen.
-
3 zeigt
die Grundplatte 11 eines Bioreaktors 1 mit mäanderförmigem Kanal 6,
der mit kreisförmigen
Kanalverbreiterungen 8 zur Aufnahme von Zellkulturträgern 9 ausgestattet
ist.
-
Die
Kanalverbreiterungen 8 sind zwar nachteilig für die Homogenität des Feldes,
dienen aber der sicheren Beabstandung der formschlüssig in
den Kanalverbreiterungen 8 gehaltenen Zellkulturträger 9. Die
Zellkulturen sind wiederum auf den Zellkulturträgern 9 platziert.
Damit wird sichergestellt, dass die Zellkulturträger 9 sich auch bei
bewegtem physiologischem Medium nicht zueinander bewegen können und
ein Abscheren der adhärenten
Zellkulturen von den Zellkulturträgern 9 durch eine
Relativbewegung benachbarter Zellkulturträger 9 ausgeschlossen
ist. Weiterhin wird durch die Fixierung der Zellkulturträger 9 in
den Kanalverbreiterungen 8 die mikroskopische Untersuchung
der Zellkulturen auch über
längere
Zeiträume
hin reproduzierbar möglich.
-
4 zeigt
einen Bioreaktor 1 mit mäanderförmigem Kanal 6 mit
Vertiefungen 10 zur Aufnahme von Zellkulturträgern 9.
Diese alternative Ausgestaltung der Erfindung weist einen möglichst
gleichförmigen
Querschnitt auf und führt
somit zu einer Verbesserung der Homogenität des elektrischen Feldes innerhalb
der Leiterschleife 2 im Bioreaktor 1. Die Fixierung
der Zellkulturträger 9 wird
durch Vertiefungen 10 in der Grundplatte 11 des
Biorektors 1 innerhalb des mäanderförmigen Kanals 6 erreicht,
wodurch analog zur Ausgestaltung der Grundplatte 11 nach 3 eine
formschlüssige
Fixierung derselben erreicht wird. Im Unterschied zu vorgenannter
Ausgestaltung kann aber der Kanalquerschnitt des mäanderförmigen Kanals 6 gleich
bzw. annähernd
gleich über
die ganze Länge
des Kanals gewählt
werden, wodurch ein homogeneres elektrisches Feld im Bioreaktor 1 erreichbar
ist.
-
Die
Bioreaktoren gemäß 3 und 4 weisen
Anschlussstutzen 7 für
einen Schlauch auf, welcher die Leiterschleife 2 schließt.
-
- 1
- Bioreaktor
- 2
- Leiterschleife
- 3
- Trafokern,
Torus, Toroid
- 4
- Spule
- 5
- Wechselspannungssignal
- 6
- mäanderförmiger Kanal
- 7
- Anschlussstutzen
- 8
- Kanalverbreiterungen
- 9
- Zellkulturträger
- 10
- Vertiefungen
im Boden der Bioreaktorplatte
- 11
- Grundplatte