Optimalizace řízení průtočného bioreaktoru pro cévní náhrady

Abstract

Při kultivaci buněk v bioreaktoru za dynamických podmínek dochází k lepším výsledkům než za statických. Řízená perfuze kultivačního media může být realizována peristaltickou pumpou. Takovéto řešení vytváří nekontrolovatelné rázové vlny, které jsou nežádoucí při kultivaci tubulární tkáně. Proto bylo zvoleno řešení pomocí vzduchového tlakového řízení. Cílem této práce je vytvoření a charakterizace okruhu pro řízenou perfuzi s tlakovou vlnou pro tubulární tkáň v kultivační komoře. Dalším cílem je navržení vhodného řešení pro sterilní monitorování tlaku a průtoku. Okruh se skládá ze dvou stříkaček značky BBraun, které jsou střídavě plněny kultivačním mediem. Směr průtoku je řízen pomocí trojcestných kohoutů, které jsou ovládány servo motory. Řízení tlaku je zajištěno implementací platformy z projektu Motorizované ovládání stimulačního tlaku v kultivačním reaktoru. Vyčítání průtoku je založeno na rozdílené intenzitě svitu LED diod skrze naplněnou a prázdnou stříkačku. Ovládání servo motorů a zpracování signálu z fotodiod bylo realizováno na platformě Arduino. Celá sestava je upevněna na maximálně odlehčenou konstrukci o dostatečné pevnosti. Sestavený okruh byl otestován v laboratorním prostředí a následně použit při kultivačním experimetnu s imortalizovanými buňkami myší endoteliální linie MS-1.

Cultivation of cells in a bioreactor under dynamic conditions leads to better results than under static conditions. Controlled perfusion of the culture medium can be achieved by peristaltic pump. Such a solution creates uncontrollable shock waves, which are undesirable in tubular tissue culture. Therefore, an air pressure pump solution was chosen control. The aim of this work is to design and characterize a pressure wave controlled perfusion circuit for tubular tissue in the culture chamber. Another objective is to design a suitable solution for sterile pressure and flow monitoring. The circuit consists of two BBraun syringes that alternately filled with culture medium. The flow direction is controlled by three-wayvalves which are controlled by servo motors. Pressure control is provided by the implementation of platform from the project Motorised control of the stimulation pressure in the culture reactor. The flow reading is based on the differential intensity of the LEDs through the filled and empty syringe. Servo motor control and signal processing from the photodiodes was implemented on the Arduino platform. The whole assembly is mounted on a lightweight structure of sufficient strength. The assembled circuit was tested in a laboratory environment and subsequently used in a culture experiment with immortalised cells of the mouse endothelial line MS-1.