CN104958795B - 全血灌流生物人工肝系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全血灌流生物人工肝系统，包括血液循环部分、生物肝循环部分，血液循环部分包括：依次连接的血液输入口、血液泵、中空纤维柱和血液回输口；生物肝循环部分包括：依次连接的循环泵、恒温加热器、氧合器、生物反应器，所述循环泵的入口与中空纤维柱的外腔出口相连；所述生物反应器的液体出口与中空纤维柱的外腔入口相连；生物肝循环部分还设有两处旁路管道；本发明还包括液体输入部分和透析液排出部分，提供一种安全、可靠、高效的全血灌流生物人工肝系统，实现无间断治疗；同时综合了静脉输液与部分肾脏透析的功能，提供了一套综合性的生物人工肝系统，对肝衰竭病人提供更有效的支持。

Description

全血灌流生物人工肝系统

技术领域

本发明及医学领域，尤其涉及一种全血灌流生物人工肝系统。

背景技术

我国是世界上肝病最严重的国家，每年肝衰竭新发病人数超过100万，每年约50万肝衰竭患者因得不到有效治疗而死亡。肝衰竭死亡率极高，内科保守治疗效果不佳，而人工肝支持治疗作为重症肝炎、肝衰竭患者的有效治疗手段之一已被世界公认。目前，人们正致力于各种人工肝，尤其是生物型和混合型人工肝的研发工作，期待它们能够替代病损的肝脏执行相关功能，帮助患者自我康复或者等待肝移植。其中，生物型人工肝主要包括血液(或血浆)回输循环部分和生物肝循环部分。其中生物肝循环部分是主体，它以培养肝细胞为基础，以生物反应器为核心载体，提供分泌、代谢、生物转化和解毒等功能，基本包括以下部分：生物反应器、循环泵、恒温器、氧合器和循环管路，对于需要连续治疗的病人，现有培养肝细胞的生物反应器大多更新或更换困难，替换时需关闭系统，降低了效率，增加了病人的等待时间，治疗时间延长，增加了系统污染的风险。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明旨在提供一种安全、可靠、高效、可连续治疗的全血灌流生物人工肝系统。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

全血灌流生物人工肝系统，包括血液循环部分、生物肝循环部分；所述血液循环部分包括：依次连接的血液输入口、血液泵、中空纤维柱和血液回输口；所述生物肝循环部分包括：依次连接的循环泵、恒温加热器、氧合器、生物反应器，所述循环泵的入口与中空纤维柱的外腔出口相连；所述生物反应器的液体出口与中空纤维柱的外腔入口相连；所述生物肝循环部分还设有两处旁路管道：旁路管道A和旁路管道B，所述旁路管道A的一端通过三通阀A与循环泵的入口、中空纤维柱的外腔出口连通，旁路管道A的另一端通过三通阀B与生物反应器的液体出口、中空纤维柱的外腔入口连通；所述旁路管道B的一端通过三通阀D与生物反应器的液体入口相连，旁路管道B的另一端通过三通阀C与生物反应器的液体出口相连。

优选的，所述全血灌流生物人工肝系统还包括液体输入部分，所述液体输入部分包括储液袋和输液泵，所述输液泵的出口与中空纤维柱的内腔入口相连。

优选的，所述全血灌流生物人工肝系统还包括透析液排出部分，所述透析液排出部分包括依次连接的透析柱、透析泵和废液袋，所述透析柱的内腔出口与三通阀B相连、透析柱内腔入口与三通阀C相连。

进一步的，所述血液泵的前端或者后端设有肝素泵；所述中空纤维柱的内腔入口、内腔出口处分别设有去泡器A。

进一步的，所述氧合器与生物反应器的连接管路上设有去泡器B和pH监测仪；生物反应器的液体出口与旁路管道A的连接管路上设有溶解氧检测仪。

进一步的，所述生物反应器为流化床式生物反应器。

进一步的，所述中空纤维柱为高通量中空纤维柱。

进一步的，所述透析柱为低通量透析柱。

进一步的，所述全血灌流生物人工肝系统还包括设于血液输入口处的探头A、设于去泡器A处的探头B及探头C、设于循环泵出口处的探头D、设于去泡器B处的探头E、设于溶解氧检测仪与透析柱连接管路上的探头F和设于透析泵入口处的探头G，所述探头B和探头C分别设在两个去泡器A上。

进一步的，所述生物肝循环部分中循环灌流的液体为不含胰岛素成分的高白蛋白浓度肝细胞无血清培养基；所述培养基白蛋白浓度达到25-50g/l；所述生物反应器中的肝细胞为原代猪肝细胞与人脐静脉内皮细胞共培养形成的聚球体。

进一步的，整个系统中用到的连接管路采用医用PVC制成，连接管路内径为4-8mm。

进一步的，所述流化床式生物反应器包括圆形的顶盖部，倒置圆台形的主体部以及圆台形的底座部，顶盖部包括顶盖以及位于顶盖下方的一层大孔径滤膜和一层小孔径滤膜，顶盖顶部设有液体通道，液体通道与顶盖上方的沉降室侧壁相连，沉降室顶部设有液体出口，液体出口上端设有止水阀A和快速接头A，主体部包括圆台形内容腔，主体部内壁顶部中央竖直设有一个圆柱形中空的稳流棒，稳流棒的中空部分设有温度仪，主体部的侧壁设有取样孔，取样孔顶端装有肝素帽，底座部包括侧面的液体入口，液体入口前端有快速接头B，同时设有止水阀B，还包括细胞加样口，细胞加样口顶端有肝素帽，在容器内容腔的底部中央有一个可转动螺旋桨，在内容腔底部的外壁上有一圈支架；所述液体通道设有3-6个。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

旁路管道A和旁路管道B的使用，在不停机状态下就可断开血液回输循环和生物肝循环，以及整体更换生物反应器及其中的肝细胞，实现对病人的连续治疗；

液体输入部分和透析体排出部分的联合使用一方面加大了治疗过程中中空纤维柱中的液体对流，显著提高血液循环部分与生物肝循环部分之间的物质交换效率，提升了肝功能的支持作用，同时可以发挥对患者的营养物质及药物的静脉输注作用，部分代谢产物的排泄作用，减轻患者肾脏负担，同时根据患者情况，起到调节患者治疗中血压的作用，具有综合治疗作用；综合了静脉输液与部分肾脏透析的功能，提供了一套综合性的生物人工肝系统，对肝衰竭病人提供更有效的支持。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中生物反应器的结构示意图；

图中：1-血液输入口、2-血液泵、3-去泡器A、4-中空纤维柱、5-血液回输口、6-旁路管道A、7-循环泵、8-恒温加热器、9-氧合器、10-pH检测仪、11-去泡器B、12-生物反应器、13-溶解氧检测仪、14-透析柱、15-透析泵、16-废液袋；17-输液泵、18-储液袋、19-肝素泵、20-探头A、21-探头B、22-探头C、23-探头D、24-探头E、25-探头F、26-探头G、27-液体入口、28-液体出口、29-三通阀A、30-三通阀B、31-三通阀C、32-三通阀D、33-旁路管道B、34-稳流棒、35-止水阀A、36-快速接头A、37-温度仪、38-快速接头B、39止水阀B、40-细胞加样口、41-螺旋桨、42-沉降室、43-液体通道、44-顶盖、45-小孔径滤膜、46-大孔径滤膜、47-内容腔、48-取样孔、49-支架、50-顶盖部、51-主体部、52-底座部。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示本发明公开的的全血灌流生物人工肝系统，包括血液循环部分、生物肝循环部分、液体输入部分和透析液排出部分四部分，四部分通过连接管路或中空纤维半透膜相通。其中血液循环部分包括依次相连的血液输入口1、血液泵2、肝素泵19、去泡器A3、中空纤维柱4、去泡器A3、血液回输口5，中空纤维柱4为高通量中空纤维柱(中空纤维膜分子截留量60-67kD)，血液泵2将人体中的血液引出，并以肝素泵19封管。

生物肝循环部分包括顺序相连的循环泵7、恒温加热器8、氧合器9、pH监测仪10、去泡器B11、生物反应器12、溶解氧检测仪13。生物肝循环部分中设计有两处旁路通道管路：旁路管道A6和旁路管道B 33，旁路管道A6的一端通过三通阀A29与循环泵7的入口、中空纤维柱4的外腔出口相连，旁路管道A6的另一端通过三通阀B30与溶解氧检测仪13、中空纤维柱4的外腔入口相连；旁路管道B 33一端通过三通阀D32与生物反应器12的液体入口27相连，另一端通过三通阀D31与生物反应器12的液体出口28相连；生物肝循环部分中循环灌流的液体为不含胰岛素成分的高白蛋白浓度肝细胞无血清培养基，培养基白蛋白浓度达到25-50g/l。

肝细胞是BAL的生物活性部分，原代猪肝细胞被认为是BAL应用中最廉价且能大量获得的肝细胞来源，近年来的实验证明猪肝细胞具有与人肝细胞类似的细胞色素P450活性代谢功能，优于其他动物的肝细胞。同时原代猪肝细胞在清除毒素和中间代谢产物、参与生物合成和生物转化等功能要远远优于肿瘤来源的人肝细胞株。基于单个悬浮培养的原代肝细胞不易培养，极易死亡，而单层贴壁培养肝细胞的数量难以达到临床需求，本发明中生物反应器12中的肝细胞使用原代猪肝细胞与人脐静脉内皮细胞共培养形成的聚球体，聚球体使肝细胞间、肝细胞与内皮细胞间建立胞间通讯，细胞膜表达粘附分子，形成三维微肝脏生理结构，从而使肝细胞功能增强、存活时间延长。

液体输入部分包括储液袋18、输液泵17，液体输入部分将输液袋中液体输入血液循环部分中的去泡器A3中；透析液排出部分包括依次连接的透析柱14、透析泵15、废液袋16，透析柱14的内腔入口与溶解氧检测仪13相连，透析柱14的内腔出口与三通阀B30相连；透析柱14为低通量血液透析柱(中空纤维膜分子截留量300-500D)。

整个系统中设有7个流体压力探头：包括设于血液输入口1处的探头A20、设于去泡器A3处的探头B21及探头C22、设于循环泵7出口处的探头D23、设于去泡器B11处的探头E24、设于溶解氧检测仪13与透析柱14连接管路上的探头F25和设于透析泵15入口处的探头G26，探头B21和探头C22分别设在两个去泡器A3上，监控系统运行状态；用到的连接管路采用医用PVC制成，连接管路内径为4-8mm。

如图2所示，本发明中使用的生物反应器12，它为流化床式生物反应器，整体呈倒置的圆台形，包括圆形的顶盖部50，倒置圆台形的主体部51以及圆台形的底座部52，顶盖部50包括顶盖44以及位于顶盖44下方的一层大孔径滤膜46和一层小孔径滤膜45，顶盖44顶部设有液体通道43，液体通道43与顶盖44上方的沉降室42侧壁相连，沉降室42顶部设有液体出口28，液体出口28上端设有止水阀A35和快速接头A36，主体部51包括圆台形内容腔47，主体部51内壁顶部中央竖直设有一个圆柱形中空的稳流棒34，稳流棒34的尾端中央设有温度仪37，主体部51的侧壁设有取样孔48，取样孔48顶端装有肝素帽，底座部52包括侧面的液体入口27，液体入口27前端有快速接头B38，同时设有止水阀B39，还包括细胞加样口40，细胞加样口40顶端有肝素帽，在容器内容腔47的底部中央有一个可转动螺旋桨41，可在液体入口27水流的推动下转动，在内容腔47底部的外壁上有一圈支架49，用于放置该生物反应器12。该生物反应器12呈封闭式，多开口设计，可方便采样及加入肝细胞，同时减少操作过程中的受污染可能。其中，液体入口27及液体出口28直径为4-8mm，大孔径滤膜46的孔径为100微米，小孔径滤膜45的孔径为0.45-1微米；所述螺旋桨41叶片为3-6枚，液体通道43设有3-6个；所述圆台形内容腔47体积为1500-4000mL，沉降室42体积为50-200mL，稳流棒34长度为10-16cm，直径1-2cm。生物反应器12外壁使用医用透明材料或有机玻璃制作，可以适时观察反应器内部情况。

治疗准备，首先将生物循环部分中充满高浓度白蛋白的无血清培养基，然后将三通阀A29与将三通阀B30调节到让培养基不通入中空纤维柱4中，而通过旁路管道A6循环，将三通阀C31和三通阀D32调节到旁路管道B33关闭，培养基流过生物反应器12。将循环泵7速度调至200mL/min，培养基经过恒温加热器8加温并稳定在37℃，经过氧合器9获得氧气，根据pH检测仪10数据，通过氧合器9适时加入二氧化碳使管路中培养基pH值稳定在7.4。待培养基循环15分钟，当温度仪37、pH检测仪10及溶解氧检测仪13显示参数稳定后。利用注射器从生物反应器12的细胞加样口40将原代猪肝细胞与人脐静脉内皮细胞共培养形成的聚球体注入生物反应器12的台形内容腔47内，在培养基的灌流及螺旋桨41的搅动下，肝细胞聚球体沿主体部51的内容腔47内壁螺旋上升，之后随着圆台上部开口扩大，培养基流速减慢，聚球体向内容腔47中央聚集，最后延中央的稳流棒42螺旋下沉，形成流化效应，很快聚球体就在生物反应器12内容腔47中部均匀分布。

治疗开始，患者或实验动物的血液引出体外后，经肝素泵19肝素化，血液泵2以流速50mL/min将其泵入去泡器A3，之后进入中空纤维柱4，最后通过去泡器A3，回输至患者或实验动物体内。循环5分钟，待血液循环部分各项参数稳定后，调节三通阀A29与三通阀B30使旁路管道A6关闭，培养基通入中空纤维柱4的外腔，此时，生物人工肝支持治疗正式开始，患者或实验动物血液中的有毒有害物质在中空纤维柱4中交换至培养基中，培养基把上述物质带至生物反应器12中，肝细胞将上述物质代谢解毒。血液循环部分和生物肝循环部分反复不停的物质交换，就可以使血液中的有毒有害物质经历尽可能多的生物循环，获得充分的解毒和代谢作用。此时可以同时开启输液泵17和透析泵15，速度为20mL/min。这时在储液袋18中加入给补充患者的营养物质或药物随输液进入去泡器A3，与患者血液混合，最后回输至患者体内。同时由输液泵17和透析泵15的共同作用，中空纤维柱4中增加了20mL/min的对流液体从血液循环部分进入生物肝循环部分中，这样患者或实验动物血液中的有毒有害物质就能尽可能多的进入生物肝循环部分中被清除。而被生物肝代谢后的代谢产物如尿素等小分子物质，又会通过中空纤维柱4被带回患者或实验动物血液中，由其肾脏经尿液排出，而此时透析泵15将经肝细胞代谢后的小分子产物通过透析柱14滤过，部分被排入废液袋16中，从而减少了小分子代谢产物回到患者或实验动物血液中的量，从而减轻了患者或实验动物肾脏的负担，对肾脏起到保护作用。

此外，如果在治疗过程中患者或实验动物出现血压不稳定的情况，一定范围内只需要调节输液泵17和透析泵15的速度差就可以稳定血压。如果需要升血压，则输液泵17的流速略高于透析泵15，而如果需要降血压，则输液泵17的流速略低于透析泵15。

可通过溶解氧检测仪13检测到生物反应器12中肝细胞活性不足，而治疗还必须继续时，则可以快速的更换新的生物反应器12和其中的肝细胞。需要更换时，首先关闭输液泵17和透析泵15，然后将三通阀A29与三通阀B30调节到让生物肝循环部分中的培养基不通入中空纤维柱4中，而通过旁路管道A6循环，再将三通阀C31和三通阀D 32调节到旁路管道B33开放，培养基不流过生物反应器12。关闭生物反应器12液体入口27处的止水阀B 39和液体出口28处的止水阀A35，断开快速接头A36和快速接头B38，将生物反应器12移除，换上新的预装有培养基的生物反应器12，接上快速接头A36和快速接头B38，打开止水阀A35和止水阀B39，将三通阀C31和三通阀D32调节到旁路管道B33关闭，培养基流过新的生物反应器12。利用注射器从生物反应器12的细胞注入口40将新的原代猪肝细胞与人脐静脉内皮细胞共培养形成的聚球体注入生物反应器12中。调节三通阀A29与三通阀B30让生物肝循环部分中的培养基通入中空纤维柱4中，而通过旁路管道A6关闭。同时开启输液泵17和透析泵15。开始了新一轮的治疗。

本发明公开的全血灌流生物人工肝系统，不停机状态下就可断开血液回输循环和生物肝循环，以及整体更换生物反应器12及其中的肝细胞，实现对病人的连续治疗。液体输入部分和透析体排出部分的联合使用一方面加大了治疗过程中中空纤维柱4中的液体对流，显著提高血液循环部分与生物肝循环部分之间的物质交换效率，提升了肝功能的支持作用，同时可以发挥对患者的营养物质及药物的静脉输注作用，部分代谢产物的排泄作用，减轻患者肾脏负担，同时根据患者情况，起到调节患者治疗中血压的作用，具有综合治疗作用；另一方面综合了静脉输液与部分肾脏透析的功能，提供了一套多功能综合性的生物人工肝系统，对肝衰竭病人提供更有效的支持。生物肝循环部分中高浓度白蛋白灌流培养基的使用，使白蛋白成为患者血液和外源性肝细胞之间的物质交换转运载体，而消除了血液与外源性肝细胞接触的可能性，增加了使用的生物安全性。生物反应器12采用的带螺旋桨41圆台形灌流式流化床生物反应器可以有效降低灌流中液体的剪切力，防止肝细胞的死亡，培养基在生物反应器12中延内壁螺旋向上，中间向下，形成流化效果，可避免出现循环死腔，同时稳流棒34可以在流体向下的过程中避免漩涡的形成，保护肝细胞，使肝细胞与培养基能够充分接触，在保证肝细胞活性的前提下，提高净化效能。同时整个生物人工肝系统中存在的pH监测、溶解氧检测、温度检测和流体压力监测等，提高了系统使用的安全性和有效性。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.全血灌流生物人工肝系统，其特征在于：包括血液循环部分、生物肝循环部分；

所述血液循环部分包括：依次连接的血液输入口(1)、血液泵(2)、中空纤维柱(4)和血液回输口(5)；

所述生物肝循环部分包括：依次连接的循环泵(7)、恒温加热器(8)、氧合器(9)、生物反应器(12)，所述循环泵(7)的入口与中空纤维柱(4)的外腔出口相连；所述生物反应器(12)的液体出口(28)与中空纤维柱(4)的外腔入口相连；

所述生物肝循环部分还设有两处旁路管道：旁路管道A(6)和旁路管道B(33)，所述旁路管道A(6)的一端通过三通阀A(29)与循环泵(7)的入口、中空纤维柱(4)的外腔出口连通，旁路管道A(6)的另一端通过三通阀B(30)与生物反应器(12)的液体出口(28)、中空纤维柱(4)的外腔入口连通；所述旁路管道B(33)的一端通过三通阀D(32)与生物反应器(12)的液体入口(27)相连，旁路管道B(33)的另一端通过三通阀C(31)与生物反应器(12)的液体出口(28)相连。

2.如权利要求1所述的全血灌流生物人工肝系统，其特征在于：还包括液体输入部分，所述液体输入部分包括储液袋(18)和输液泵(17)，所述输液泵(17)的出口与中空纤维柱(4)的内腔入口相连。

3.如权利要求1或2所述的全血灌流生物人工肝系统，其特征在于：还包括透析液排出部分，所述透析液排出部分包括依次连接的透析柱(14)、透析泵(15)和废液袋(16)，所述透析柱(14)的内腔出口与三通阀B(30)相连、透析柱(14)内腔入口与三通阀C(31)相连。

4.如权利要求3所述的全血灌流生物人工肝系统，其特征在于：所述血液泵(2)的前端或者后端设有肝素泵(19)；所述中空纤维柱(4)的内腔入口、内腔出口处分别设有去泡器A(3)。

5.如权利要求4所述的全血灌流生物人工肝系统，其特征在于：所述氧合器(9)与生物反应器(12)的连接管路上设有去泡器B(11)和pH监测仪(10)；生物反应器(12)的液体出口(28)与旁路管道A(6)的连接管路上设有溶解氧检测仪(13)。

6.如权利要求1所述的全血灌流生物人工肝系统，其特征在于：所述生物反应器(12)为流化床式生物反应器。

7.如权利要求1、2或4所述的全血灌流生物人工肝系统，其特征在于：所述中空纤维柱(4)为高通量中空纤维柱。

8.如权利要求3所述的全血灌流生物人工肝系统，其特征在于：所述透析柱(14)为低通量透析柱。

9.如权利要求5所述的全血灌流生物人工肝系统，其特征在于：还包括设于血液输入口(1)处的探头A(20)、设于去泡器A(3)处的探头B(21)及探头C(22)、设于循环泵(7)出口处的探头D(23)、设于去泡器B(11)处的探头E(24)、设于溶解氧检测仪(13)与透析柱(14)连接管路上的探头F(25)和设于透析泵(15)入口处的探头G(26)，所述探头B(21)和探头C(22)分别设在两个去泡器A(3)上。

10.如权利要求1所述的全血灌流生物人工肝系统，其特征在于：所述生物肝循环部分中循环灌流的液体为不含胰岛素成分的高白蛋白浓度肝细胞无血清培养基；所述培养基白蛋白浓度达到25-50g/l；所述生物反应器(12)中的肝细胞为原代猪肝细胞与人脐静脉内皮细胞共培养形成的聚球体。

11.如权利要求1所述的全血灌流生物人工肝系统，其特征在于：整个系统中用到的连接管路采用医用PVC制成，连接管路内径为4-8mm。

12.如权利要求6所述的全血灌流生物人工肝系统，其特征在于：所述流化床式生物反应器包括圆形的顶盖部(50)，倒置圆台形的主体部(51)以及圆台形的底座部(52)，顶盖部(50)包括顶盖(44)以及位于顶盖(44)下方的一层大孔径滤膜(46)和一层小孔径滤膜(45)，顶盖(44)顶部设有液体通道(43)，液体通道(43)与顶盖(44)上方的沉降室(42)侧壁相连，沉降室(42)顶部设有液体出口(28)，液体出口(28)上端设有止水阀A(35)和快速接头A(36)，主体部(51)包括圆台形内容腔(47)，主体部(51)内壁顶部中央竖直设有一个圆柱形中空的稳流棒(34)，稳流棒(34)的中空部分设有温度仪(37)，主体部(51)的侧壁设有取样孔(48)，取样孔(48)顶端装有肝素帽，底座部(52)包括侧面的液体入口(27)，液体入口(27)前端有快速接头B(38)，同时设有止水阀B(39)，还包括细胞加样口(40)，细胞加样口(40)顶端有肝素帽，在容器内容腔(47)的底部中央有一个可转动螺旋桨(41)，在内容腔(47)底部的外壁上有一圈支架(49)；所述液体通道(43)设有3-6个。