CN101569767A - 配备多孔砖式填充支架型反应器的混合型人工肝支持系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种医疗设备，旨在提供一种配备多孔砖式填充支架型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多孔砖式填充支架型反应器。本发明既解决了支架型反应器缺乏免疫隔离、氧供不充分的问题，又弥补了中空纤维型反应器细胞生长空间不足，细胞黏附性差，缺乏三维立体生长环境，易堵塞半透膜的缺陷。本发明兼具氧合、免疫阻隔、三维立体培养等功能，综合性能强大，而制作工艺简单、成本低、易于放大。系统因其反应器兼具氧合功能，省去了一般需独立配备的氧合器。

Description

配备多孔砖式填充支架型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，是一种配备多孔砖式填充支架型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)正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，它兼具免疫隔离和氧合的功效，细胞受剪切力小，但存在以下缺点：1、传统的中空纤维反应器细胞生长空间不足、分布不均、细胞黏附性差；2、只能提供二维培养，不能提供三维立体培养；3、半透膜屏障或胶原层会影响物质交换效率；4、细胞生长在纤维表面故易堵塞纤维孔。而平板单层培养型由于体表面积比小、放大困难，细胞包裹/悬浮型由于悬浮细胞的稳定性不佳、包裹细胞的物质交换受影响，近年来研究报道不多。在动物实验和细胞培养方面应用也较多的另一类型反应器，是灌流床式/支架型反应器。它具有以下优点：1、肝细胞与血浆或血液直接接触，有利于物质交换；2、生物支架材料的引入，使得细胞生长空间增大；3、生物支架能为肝细胞提供附着底物及三维立体生长环境；肝细胞作为一种贴壁生长型细胞，必须附着才能存活和维持功能，且三维立体生长环境有利于肝细胞球形体的生成，有利于细胞功能的发挥和长久维持。但它存在以下缺点：1、存在缺乏免疫隔离的安全隐患；2、细胞的氧供不充分；3、整个反应器支架的中心地带及边缘地带易产生无效腔、死腔；4、通过大量支架的阻力大，所需的灌流强度大，导致细胞受剪切力大，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，生物支架材料研究有了长足进展，新兴的纳米材料、内部呈三维立体网状连通结构的海藻酸-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。生物支架材料的长足进展为新型反应器的研制，创造了巨大契机。国际上现有的综合性能较好的反应器，往往结构复杂、制作工艺要求高、成本高。研制综合性能良好、结构和制作工艺简单、成本相对低的新型生物反应器及人工肝支持系统，对于广大的发展中国家和第三世界国家，具有特殊重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种配备多孔砖式填充支架型反应器的混合型人工肝支持系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

提供一种配备多孔砖式填充支架型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多孔砖式填充支架型反应器；

所述多孔砖式填充支架型反应器的外壳内部由两个密布网格的隔离板分为三个舱：自下而上为氧合舱、填充支架舱、免疫阻隔舱，氧合舱与填充支架舱之间、填充支架舱与免疫阻隔舱之间设带网格的隔离板；

所述氧合舱内横向布置有透气不透水的中空纤维，舱底部设液体入口；中空纤维内部为气体通路，其两端分别连接气体入口和气体出口；

所述填充支架舱是一个多孔砖式固定床，即密布着细长孔柱的透明有机玻璃的固定床，固定床孔柱内填充三维多孔隙生物支架小球；固定床的底面和顶面均紧挨隔离板，隔离板上网格的边长小于支架小球直径以防止支架小球漏出；

所述免疫阻隔舱由外壳、中空纤维和密封卡口盖三部分组成；免疫阻隔舱的侧壁设液体出口且与中空纤维外部的空间相连，舱底的密封卡口盖与填充支架舱顶部的隔离板相连；中空纤维是纵向布置且具有透水和免疫阻隔作用的中空纤维，其内腔下端开口与填充支架舱连通，上端封闭。

作为一种改进，所述氧合舱和填充支架舱相互连接为一个整体，免疫阻隔舱为独立构件。

作为一种改进，所述支架小球的直径为2mm，固定床孔柱的直径为3mm，仅允许三维多孔隙生物支架小球单排置入。

作为一种改进，所述填充的支架小球内部呈三维网状连通结构，是以下的任意一种：海藻酸-壳聚糖支架小球、聚乙烯树脂支架小球、聚氨酯泡沫支架小球或聚己内酯支架小球。

作为一种改进，所述填充支架舱的底面与隔离板固定式连接，其顶面的隔离板与免疫阻隔舱的密封卡口盖相连。

作为一种改进，所述多孔砖式填充支架型反应器的外壳是透明长方体外壳。

作为一种改进，所述氧合舱的中空纤维是透气不透水的聚丙烯中空纤维，或者涂布硅橡胶的聚砜中空纤维；所述免疫阻隔舱的中空纤维是孔径0.2μm、分子截留量为50～100kD的聚砜中空纤维或聚醚砜中空纤维。

本发明的有益效果：

传统的灌流床式/支架型反应器内部通常为一液流相通的整体，存在容易形成无效腔、死腔、液流不均匀、液流阻力大等问题。本发明中的多孔砖式填充支架型反应器，采用独特的多孔砖式固定床作为反应器内部主体，目的在于通过固定床中互不相通的细长孔柱分割反应器内部成微型独立单元，将反应器内腔化整为零，从而减小了无效腔、死腔，减小了液流阻力，使反应器内部液流均匀。同时，本发明利用填充支架和中空纤维的巧妙组合，既解决了支架型反应器缺乏免疫隔离、氧供不充分的问题，又弥补了中空纤维型反应器细胞生长空间不足，细胞黏附性差，缺乏三维立体生长环境，易堵塞半透膜的缺陷。本发明兼具氧合、免疫阻隔、三维立体培养等功能，综合性能强大，而制作工艺简单、成本低、易于放大。配备多孔砖式填充支架型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为多孔砖式填充支架型反应器纵向截面结构示意图；

图2为多孔砖式填充支架型反应器的氧合舱的横向截面结构示意图；

图3为多孔砖式填充支架型反应器的填充支架舱的横向截面结构示意图；

图4为多孔砖式填充支架型反应器的免疫阻隔舱的横向截面结构示意图；

图5为配备多孔砖式填充支架型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

多孔砖式固定床1、支架小球2、中空纤维3、中空纤维4、隔离板5、密封卡口盖6、反应器外壳7、液体入口8、液体出口9、气体入口10、气体出口11、体外循环池12、溶解氧及温度测试瓶13、多孔砖式填充支架型反应器14、恒温气浴培养箱15、肝素泵16、血液壶17、血浆分离器18、管路加热器19、温度测试瓶20、血液壶21、气泡探测器22、血液泵23、血浆泵24、血浆泵25、血浆泵26、动脉压测试端口27、静脉压测试端口28、A的血浆输出端口29、B的血浆输入端口30、B的血浆输出端口31、C的血浆输入端口32、C的血浆输出端口33、B的血浆输入端口34、B的血浆输出端口35、A的血浆输入端口36。

具体实施方式

本实施例的配备多孔砖式填充支架型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29、30、35、36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31、32、33、34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12、血浆泵25、溶解氧及温度测试瓶13、多孔砖式填充支架型反应器14和血浆泵26，除血浆泵26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15中。

多孔砖式填充支架型反应器14的外壳内部由两个密布网格的隔离板分为三个舱：自下而上为氧合舱、填充支架舱、免疫阻隔舱，氧合舱与填充支架舱之间、填充支架舱与免疫阻隔舱之间设带网格的隔离板5；

多孔砖式填充支架型反应器14，包括长方体透明有机玻璃的反应器外壳7，反应器外壳7内由两个密布网格的隔离板5分为三个舱，自下而上为，氧合舱、填充支架舱、免疫阻隔舱。氧合舱和填充支架舱为一整体，免疫阻隔舱为独立构件，通过密封卡口盖6与前述整体相连。

氧合舱内横向布置有透气不透水的中空纤维3，舱底部设液体入口8。中空纤维3的内部为气体通路，两端分别连接气体入口10和气体出口11。氧合舱的中空纤维3是透气不透水的聚丙烯中空纤维，或者涂布硅橡胶的聚砜中空纤维。

填充支架舱的主体是独特的多孔砖式固定床1，即密布着细长孔柱的透明有机玻璃固定床，多孔砖式固定床1孔柱内填充有三维多孔隙生物支架小球2。支架小球2的直径2mm。多孔砖式固定床1孔柱的直径略大于支架小球2的直径，为3mm，仅允许单排支架小球2置入。支架小球2的材质可以是天然材料，如海藻酸-壳聚糖支架，也可以是高分子化合物，如聚乙烯树脂、聚氨酯泡沫、聚己内酯，支架小球2的内部呈三维网状连通结构，肝细胞在其外表及内部呈三维立体生长。

多孔砖式固定床1的底面和顶面均紧挨隔离板5，隔离板5上网格的边长小于支架小球2的直径，以防止支架小球2漏出。底面的隔离板5是固定的，顶面的隔离板5则与密封卡口盖6相连，能打开以装入或倒出支架小球2。

免疫阻隔舱由外壳、具有免疫阻隔作用的中空纤维4、密封卡口盖6三部分组成。中空纤维4为纵向布置且具有透水和免疫阻隔作用，中空纤维4的内腔下端开口与填充支架舱连通，上端封闭。舱侧壁设液体出口9，与中空纤维4外部的空间相连。免疫阻隔舱的中空纤维4是孔径0.2μm、分子截留量为50～100kD的聚砜中空纤维或聚醚砜中空纤维。

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12，血浆泵25、溶解氧及温度测试瓶13，从反应器14的氧合舱底部的液体入口8自下而上进入氧合舱。氧气与二氧化碳混合气体由反应器14的气体入口10进入氧合舱的中空纤维3的内腔，至对侧的气体出口11流出。血浆穿越氧合舱中空纤维3的外腔，起到氧合的效果。然后通过隔离板5的网格进入填充支架舱，均匀穿过填充的多孔隙支架小球2，与小球上的肝细胞(肝细胞为预先接种和培养)充分接触后，经过填充支架舱顶部的隔离板5的网格，进入免疫阻隔舱的中空纤维4的内腔。血浆中大分子免疫物质被阻隔，中小分子物质从中空纤维4的纤维孔溢出到外腔，再由液体出口9流出反应器返回循环池12。血浆经过多次循环后，经血浆泵26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、打开多孔砖式填充支架型反应器14的密封卡口盖6，往多孔砖式固定床1的细长孔柱中倒入多孔隙生物支架小球2，盖上密封卡口盖6，把免疫阻隔舱与氧合舱、填充支架舱连成一整体。

2、多孔砖式填充支架型反应器14，包括其内部的多孔隙生物支架小球2一起灭菌。

3、用培养液配制成合适浓度的肝细胞悬液。

4、从多孔砖式填充支架型反应器14的氧合舱底部的液体入口8将肝细胞悬液注入反应器内，至细胞悬液中液体成分从免疫阻隔舱侧壁的液体出口9溢出为止。肝细胞黏附于多孔隙生物支架小球2，约24小时后贴附牢固。

5、从多孔砖式填充支架型反应器14的免疫阻隔舱侧壁的液体出口9灌入新鲜培养基，经过填充支架舱和氧合舱，自液体入口8流出，冲去未贴壁的肝细胞。

6、将体外循环池12、血浆泵25、溶解氧及温度测试瓶13、多孔砖式填充支架型反应器14、恒温气浴培养箱15，按图5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多孔砖式填充支架型反应器14的液体入口8和液体出口9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14的气体入口10和气体出口11流入和流出，为肝细胞供氧。

7、培养合适时间后，可以按图5所示连接组合成混合型人工肝支持系统。

本发明中的多孔砖式填充支架型反应器14的规模可根据实际应用放大或缩小。

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 (7)

1、一种配备多孔砖式填充支架型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多孔砖式填充支架型反应器；

所述多孔砖式填充支架型反应器的外壳内部由两个密布网格的隔离板分为三个舱：自下而上为氧合舱、填充支架舱、免疫阻隔舱，氧合舱与填充支架舱之间、填充支架舱与免疫阻隔舱之间设带网格的隔离板；

所述氧合舱内横向布置有透气不透水的中空纤维，舱底部设液体入口；中空纤维内部为气体通路，其两端分别连接气体入口和气体出口；

所述填充支架舱是一个多孔砖式固定床，即密布着细长孔柱的透明有机玻璃的固定床，固定床孔柱内填充三维多孔隙生物支架小球；固定床的底面和顶面均紧挨隔离板，隔离板上网格的边长小于支架小球直径以防止支架小球漏出；

所述免疫阻隔舱由外壳、中空纤维和密封卡口盖三部分组成；免疫阻隔舱的侧壁设液体出口且与中空纤维外部的空间相连，舱底的密封卡口盖与填充支架舱顶部的隔离板相连；中空纤维是纵向布置且具有透水和免疫阻隔作用的中空纤维，其内腔下端开口与填充支架舱连通，上端封闭。

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，所述氧合舱和填充支架舱相互连接为一个整体，免疫阻隔舱为独立构件。

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，所述支架小球的直径为2mm，固定床孔柱的直径为3mm，仅允许三维多孔隙生物支架小球单排置入。

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，所述填充的支架小球内部呈三维网状连通结构，是以下的任意一种：海藻酸-壳聚糖支架小球、聚乙烯树脂支架小球、聚氨酯泡沫支架小球或聚己内酯支架小球。

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，所述填充支架舱的底面与隔离板固定式连接，其顶面的隔离板与免疫阻隔舱的密封卡口盖相连。

6、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，所述多孔砖式填充支架型反应器的外壳是透明长方体外壳。

7、根据权利要求1至6所述的任意一种混合型人工肝支持系统，其特征在于，所述氧合舱的中空纤维是透气不透水的聚丙烯中空纤维，或者涂布硅橡胶的聚砜中空纤维；所述免疫阻隔舱的中空纤维是孔径0.2μm、分子截留量为50～100kD的聚砜中空纤维或聚醚砜中空纤维。

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