CN101559246A - 配备纳米纤维网片叠加式反应器的混合型人工肝支持系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗设备，旨在提供一种配备纳米纤维网片叠加式反应器的混合型人工肝支持系统。该系统包括血浆分离部分、非生物肝循环部分和生物肝循环部分，生物肝循环部分包括包括起到保温作用的恒温气浴培养箱，以及依次连接成为循环系统的体外循环池、血浆泵、溶解氧及温度测试瓶和纳米纤维网片叠加式反应器。本发明易于放大，改善了细胞易堵塞半透膜的缺陷，物质交换效率高，并兼具氧合和免疫阻隔功能。反应器功能强大，能用于生物型或混合型人工肝，亦能用于干细胞的培养和诱导分化。本系统因其反应器兼具氧合功能，故省去了一般系统中需独立配备的氧合器。

Description

配备纳米纤维网片叠加式反应器的混合型人工肝支持系统

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，具体地说，是一种配备纳米纤维网片叠加式反应器的混合型人工肝支持系统。

背景技术

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。它包括非生物型、生物型、混合型人工肝三大类，其中后两类是主要的国际发展方向。

混合型人工肝支持系统，依次通常包括血浆分离部分、非生物肝循环部分和生物肝循环部分，三个部分通过管路接口相连。其中生物肝循环部分为主体，它以培养肝细胞为基础，生物反应器为核心载体，具备生物合成、转化代谢、解毒排泄等功能。非生物肝循环部分为辅助，对生物肝循环部分有互补性和协同性，它的优势是解毒排泄、调节体液平衡，根据临床患者的实际情况，可以选择血浆置换、血液滤过、血液透析、血液灌注，或者它们的组合。血浆分离部分为补充，作用是把血液中的血细胞和血浆分离，使血浆单独通过后续两个循环部分，再与血细胞汇合回输人体，从而减少整个循环中血细胞的破坏和凝血异常事件的发生。其中血浆分离部分和非生物肝循环部分是目前成熟的技术。

生物肝循环部分是目前研究的热点，虽然尚无统一的模式，但大都具有以下基本装置：生物反应器、体外循环池、血浆泵、循环管路。同时具备以下功能：血浆氧合的功能，往往通过独立的氧合器实现；血浆保温的功能，往往通过可以放置生物反应器和体外循环池的恒温培养箱或者独立的加热器来实现。血液自体内引出后，通过血浆分离部分分离为血浆成分和细胞成分，其中血浆成分通过非生物肝循环部分处理后，进入生物肝循环部分，经循环后再与血浆分离部分分离出的细胞成分混合，一起回输患者或实验动物体内。

生物反应器(即反应器)是人工肝治疗的核心装置，既为外源性肝细胞和患者血液或血浆提供物质交换的场所，又为肝细胞提供适宜的生长环境，应用前景广阔。理想的人工肝用生物反应器，应当符合以下基本要求：1、充足的肝细胞生长空间，支持一名肝衰竭患者约需10％的正常肝脏质量，折合肝细胞数约150亿。2、良好的生物相容性，能保证肝细胞的活性和功能。3、中小物质双向传输，大分子物质免疫阻隔。

迄今生物反应器主要有四种类型：中空纤维型、平板单层培养型、灌流床式/支架型和细胞包裹/悬浮型。目前，临床应用最多的是中空纤维型反应器，它具有氧合和免疫阻隔作用，细胞受剪切力小等优点。但存在以下缺点：1、传统的中空纤维反应器内，纤维平行紧密排列，肝细胞生长空间不足；2、只能为肝细胞提供二维培养，不能提供三维立体培养环境，细胞活性及功能不佳，难以组织化；3、细胞易堆积在反应器底部，分布不均匀；4、细胞易堵塞半透膜，影响物质交换。在动物实验和细胞培养方面应用也较多的另一类反应器是灌流床式/支架型反应器，它具有能为肝细胞提供三维培养环境，容易放大，物质交换良好的优点。但存在以下问题：1、缺乏免疫隔离的安全隐患；2、支架内部孔隙多是不规则不均匀的，易产生灌流不均，支架整体的中心及边缘地带易产生无效腔、死腔；3、通过大量支架的阻力大，所需的灌流强度大，致细胞受剪切力大，难以放大。如何综合不同种类反应器的优势，扬长避短，克服缺陷，成为新近国内外研究的热点。

近年来，生物支架材料的研究有了长足进展，新兴的纳米纤维材料、海藻酸-壳聚糖等天然材料以及半乳糖、肝素等修饰的高分子聚合物材料大量涌现并广泛应用于细胞培养。尤其是新兴的纳米纤维材料，被证实更能促进肝细胞的生长和繁殖，有利于肝细胞球形体的生成，以及细胞功能活性的发挥和长久维持，并有促进干细胞诱导分化的功能。纳米纤维还可以按照一定规则编织成微米级或毫米级的纤维束，编织后的纤维束具有良好的强度。生物材料，尤其是纳米纤维材料的迅猛发展为新型生物反应器的研制，创造了巨大的契机。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术中的不足，提供一种配备纳米纤维网片叠加式反应器的混合型人工肝支持系统。

本发明的配备纳米纤维网片叠加式反应器的混合型人工肝支持系统，包括血浆分离部分、非生物肝循环部分和生物肝循环部分，血浆分离部分和非生物肝循环部分通过循环管路相互连接，非生物肝循环部分和生物肝循环部分通过循环管路相互连接；所述生物肝循环部分包括包括起到保温作用的恒温气浴培养箱，以及依次连接成为循环系统的体外循环池、血浆泵、溶解氧及温度测试瓶和纳米纤维网片叠加式反应器；

所述纳米纤维网片叠加式反应器的外壳内布置若干纵向叠加的纳米纤维网片，纳米纤维网片由纳米纤维混合中空纤维编织而成；若干竖向布置的中空纤维穿过前述纳米纤维网片的网格的中心，所述中空纤维是聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维；反应器外壳的底端设细胞悬液入口和液体入口，顶端设细胞悬液出口和液体出口，侧壁对向设置气体入口和气体出口；

所述用于混合编织纳米纤维网片的中空纤维的内部是气体通道，其一端连接气体入口，另一端连接气体出口；所述竖向布置的中空纤维的内部是液体通道，其一端连接液体入口，另一端连接液体出口；所有中空纤维的外壁与反应器外壳的内壁共同构成肝细胞的三维生长空间，与细胞悬液入口和细胞悬液出口连通。

作为一种改进，所述细胞悬液入口和细胞悬液出口处分别装有滤菌器，以旋盖固定于反应器外壳上。

作为一种改进，所述纳米纤维网片由两个方向的纳米纤维混合中空纤维上下交叉编织而成，在一个方向上为纳米纤维编织成的微米级纤维束平行排列，在另一个方向上为纳米纤维编织成的微米级纤维束与中空纤维平行间隔排列。

作为一种改进，所述用于编织纳米纤维网片的纳米纤维是下述纳米纤维中的至少一种：壳聚糖纳米纤维、聚己内酯纳米纤维或聚乙烯醇纳米纤维。

作为一种改进，所述用于混合编织纤维网片的中空纤维是透气不透水的纤维连接蛋白修饰的聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维。

作为一种改进，所述竖向布置的中空纤维是孔径0.2μm、分子截留量50～100kD，且未经修饰的聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维。

作为一种改进，所述纳米纤维网片的网格边长为1mm。

作为一种改进，纳米纤维网片按照300μm的间距纵向粘合叠加。

作为一种改进，所述纳米纤维网片叠加式反应器的外壳是长方体或圆柱体透明有机玻璃外壳。

本发明的有益效果是：

本发明中的纳米纤维网片叠加式反应器利用纳米纤维编织成的微米级纤维束与中空纤维的空间组合，不引入三维生物支架，却实现了三维立体培养，肝细胞的活性和功能均优于传统的二维培养，且易于组织化；纤维束中的纳米有序结构，更能促进肝细胞的生长和繁殖，促进肝细胞球形体的生成，更有利于高密度、高活性肝细胞的获得和长久培养，并有促进干细胞诱导分化的功能；纤维组合构成的立体孔隙微小，有利于固定细胞，使细胞分布均匀；纤维组合构成的立体孔隙规则均匀，液流阻力小，使细胞所受剪切力小，易于放大；利用不同特性纤维(能促进肝细胞生长繁殖的纳米纤维、经修饰易于肝细胞生长且能供氧的中空纤维，以及具有免疫阻隔作用的中空纤维)的组合，改善了细胞易堵塞半透膜的缺陷，物质交换效率高，并兼具氧合和免疫阻隔功能。该反应器功能强大，能用于生物型或混合型人工肝，亦能用于干细胞的培养和诱导分化。本发明的配备纳米纤维网片叠加式反应器的混合型人工肝支持系统因其反应器兼具氧合功能，故省去了一般系统中需独立配备的氧合器。

附图说明

图1为纳米纤维网片叠加式生物反应器纵向剖面结构示意图；

图2为纳米纤维网片叠加式生物反应器横向剖面结构示意图；

图3为配备纳米纤维网片叠加式生物反应器的混合型人工肝支持系统示意图。

附图标记：

血浆分离部分A、非生物肝循环部分B、生物肝循环部分C

纳米纤维网片1、竖向布置的中空纤维2、肝细胞的三维生长空间3、纳米纤维编织成的微米级纤维束4、纳米纤维网片中的中空纤维5、反应器外壳6、液体入口7、液体出口8、气体入口9、气体出口10、细胞悬液入口11、细胞悬液出口12、滤菌器13、旋盖14、体外循环池15、溶解氧及温度测试瓶16、纳米纤维网片叠加式反应器17、恒温气浴培养箱18、肝素泵19、血液壶20、血浆分离器21、管路加热器22、温度测试瓶23、血液壶24、气泡探测器25、血液泵26、血浆泵27、血浆泵28、血浆泵29、动脉压测试端口30、静脉压测试端口31、A的血浆输出端口32、B的血浆输入端口33、B的血浆输出端口34、C的血浆输入端口35、C的血浆输出端口36、B的血浆输入端口37、B的血浆输出端口38、A的血浆输入端口39。

具体实施方式

本发明中的纳米纤维网片叠加式生物反应器，纳米纤维网片的间距、网格大小以及反应器规模可根据实际应用放大或缩小。

本实施例中的配备纳米纤维网片叠加式反应器的混合型人工肝支持系统，包括血浆分离部分A、非生物肝循环部分B和生物肝循环部分C，血浆分离部分A和非生物肝循环部分B通过管路端口32、33、38、39相互连接，非生物肝循环部分B和生物肝循环部分C通过管路端口34、35、36、37相互连接。

生物肝循环部分C包括依次连接成为循环系统的体外循环池15、血浆泵28、溶解氧及温度测试瓶16、纳米纤维网片叠加式反应器17和血浆泵29，除血浆泵29外，生物肝循环部分C的其他装置均放置在37摄氏度恒温气浴培养箱18中。

本实施例中的纳米纤维网片叠加式生物反应器17，包括一个长方体透明有机玻璃反应器外壳6。反应器外壳6的底端设细胞悬液入口11和液体入口7，顶端设细胞悬液出口12和液体出口8，侧壁对向设置气体入口9和气体出口10。细胞悬液入口11和细胞悬液出口12处均装有滤菌器13，并以旋盖14固定于反应器外壳6上。

反应器外壳6内布置若干纵向叠加的纳米纤维网片1，纳米纤维网片1由纳米纤维按照一定规则编织成的微米级纤维束4，混合表面适合肝细胞生长的、透气不透水的纤维连接蛋白修饰的聚醚砜中空纤维5编织而成。纳米纤维网片1一个方向上为微米级纤维束4平行排列，另一个方向上为微米级纤维束4与中空纤维5平行间隔排列。纳米纤维网片1上密布着边长为1mm的网格，各层纳米纤维网片按照300μm的间距粘合叠加。网片中的纳米纤维的材质，可以是天然材料，如壳聚糖等，或者生物相容性优的高分子化合物，如聚己内酯、聚乙烯醇等中的一种或几种。网片中的中空纤维5的内部是氧气和二氧化碳混合气体的通道，其一端连接气体入口9，另一端连接气体出口10。

若干竖向布置的中空纤维2穿过纳米纤维网片1的网格的中心，竖向布置的中空纤维2是孔径0.2μm、分子截留量50～100kD且未经修饰的聚醚砜中空纤维，具备良好生物相容性和免疫隔离效果，竖向的中空纤维2表面未经修饰可减小肝细胞在其表面快速生长堵塞纤维孔的风险。竖向布置的中空纤维2的内部是血浆或培养液的通道，其一端连接液体入口，另一端连接液体出口。

纳米纤维网片1中的中空纤维5的特点是：透气不透水，且表面易于肝细胞生长；竖向布置的中空纤维2的特点是：透气透水、具有免疫阻隔作用，具有良好生物相容性，表面不必很易于肝细胞生长，以减少细胞在其表面生长过快而堵塞纤维孔的风险。按照这个标准，还可选用聚砜等具备同样特性的材质作为中空纤维。

反应器17内所有的纤维的外壁与反应器外壳6的内壁共同构成肝细胞的三维生长空间3，该空间与细胞悬液入口11和细胞悬液出口12连通。肝细胞主要黏附于纳米纤维网片1的表面，部分黏附于竖向布置的中空纤维2的表面，呈三维立体生长，易于组织化。

反应器17内与细胞悬液入口11和细胞悬液出口12交织的部分纤维可以撤去，以便于肝细胞悬液的流入和流出。

使用方式如下：

患者或实验动物的血液引出体外后，首先经血浆分离部分A分离为细胞成份和血浆成份。其中血浆成份经非生物肝循环部分B处理后，进入生物肝循环部分C，依次经过生物肝循环部分C内的体外循环池15，血浆泵28、溶解氧及温度测试瓶16，从纳米纤维网片叠加式生物反应器17的液体入口7进入反应器内，由竖向的中空纤维2的内腔流出，与肝细胞的三维生长空间3中的肝细胞(肝细胞为预先接种和培养)充分接触后，流回竖向的中空纤维2的内腔，自下而上至反应器顶部的液体出口8流出，返回体外循环池15。血浆经过多次循环后，经血浆泵29泵回，最后与血液中的细胞成份一起回输体内。

肝细胞可选用原代人、猪肝细胞或肝细胞系等，简述接种和培养步骤如下：

1、用培养液配制成合适浓度的肝细胞悬液。

2、打开反应器17的细胞悬液入口11的旋盖14，将肝细胞悬液注入反应器内，至细胞悬液充满反应器17从顶部的细胞悬液出口12溢出为止。肝细胞黏附于纤维外壁，约24小时后贴附牢固。

3、从反应器17的细胞悬液入口11灌入新鲜培养基，经过反应器自细胞悬液出口12流出，冲去未贴壁的肝细胞。

4、将体外循环池15、血浆泵28、溶解氧及温度测试瓶16、纳米纤维网片叠加式反应器17、恒温气浴培养箱18，按图3中生物肝循环部分C所示，连成肝细胞培养循环通路，新鲜的培养基分别从反应器17的液体入口7和液体出口8流入和流出反应器，为肝细胞提供养分并带走代谢产物，氧气和二氧化碳的混合气体分别从反应器17的气体入口9和气体出口10流入和流出，为肝细胞供氧。

5、培养合适时间后，可以按图3连接组合成混合型人工肝支持系统。

最后，还需要注意的是，以上公布的仅是本发明的具体实施例。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1、一种配备纳米纤维网片叠加式反应器的混合型人工肝支持系统，包括血浆分离部分、非生物肝循环部分和生物肝循环部分，血浆分离部分和非生物肝循环部分通过循环管路相互连接，非生物肝循环部分和生物肝循环部分通过循环管路相互连接；其特征在于：所述生物肝循环部分包括起到保温作用的恒温气浴培养箱，以及依次连接成为循环系统的体外循环池、血浆泵、溶解氧及温度测试瓶和纳米纤维网片叠加式反应器；

所述纳米纤维网片叠加式反应器的外壳内布置若干纵向叠加的纳米纤维网片，纳米纤维网片由纳米纤维混合中空纤维编织而成；若干竖向布置的中空纤维穿过前述纳米纤维网片的网格的中心，所述中空纤维是聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维；反应器外壳的底端设细胞悬液入口和液体入口，顶端设细胞悬液出口和液体出口，侧壁对向设置气体入口和气体出口；

所述用于混合编织纳米纤维网片的中空纤维的内部是气体通道，其一端连接气体入口，另一端连接气体出口；所述竖向布置的中空纤维的内部是液体通道，其一端连接液体入口，另一端连接液体出口；所有纤维的外壁与反应器外壳的内壁共同构成肝细胞的三维生长空间，与细胞悬液入口和细胞悬液出口连通。

2、根据权利要求1所述的混合型人工肝支持系统，其特征在于，所述细胞悬液入口和细胞悬液出口处分别装有滤菌器，以旋盖固定于反应器外壳上。

3、根据权利要求1所述的混合型人工肝支持系统，其特征在于，所述纳米纤维网片由两个方向的纳米纤维混合中空纤维上下交叉编织而成，在一个方向上为纳米纤维编织成的微米级纤维束平行排列，在另一个方向上为纳米纤维编织成的微米级纤维束与中空纤维平行间隔排列。

4、根据权利要求1所述的混合型人工肝支持系统，其特征在于，所述用于编织纳米纤维网片的纳米纤维是下述纳米纤维中的至少一种：壳聚糖纳米纤维、聚己内酯纳米纤维或聚乙烯醇纳米纤维。

5、根据权利要求1所述的混合型人工肝支持系统，其特征在于，所述用于混合编织纤维网片的中空纤维是透气不透水的纤维连接蛋白修饰的聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维。

6、根据权利要求1所述的生物型人工肝支持系统，其特征在于，所述竖向布置的中空纤维是孔径0.2μm、分子截留量50～100kD，且未经修饰的聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维。

7、根据权利要求1所述的混合型人工肝支持系统，其特征在于，所述纳米纤维网片的网格边长为1mm。

8、根据权利要求1所述的混合型人工肝支持系统，其特征在于，纳米纤维网片按照300μm的间距纵向粘合叠加。

9、根据权利要求1所述的混合型人工肝支持系统，其特征在于，所述纳米纤维网片叠加式反应器的外壳是长方体或圆柱体透明有机玻璃外壳。

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