CN101709266B - 一种生物反应器 - Google Patents

Abstract

一种生物反应器，由往复转动的细胞培养罐总成模块(104)、气体弥散控制总成模块(102)和液体流向控制总成模块(103)通过细胞培养液体循环管道串联连接组成。粘附有细胞的载体悬液注入到往复式生物反应器的细胞培养罐，随着步进电机和液体流向控制总成模块内的双头蠕动泵转动，前级血液透析装置的输出或培养液容器内的培养液进入循环管路。当培养液到达透析柱(301)后，相应气体被弥散进入其中。溶有相应气体的培养液随后被送入细胞培养罐。经与培养罐内的细胞进行物质交换后，含有被培养细胞代谢产物的培养液又通过细胞培养罐输出端口，经培养液循环管路送回前级血液透析装置或培养液容器中。

Description

一种生物反应器

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，特别涉及一种生物反应器。

背景技术

现有的生物反应器主要有四大类，即：气升细胞培养生物反应器、中空纤维管生物反应器、通气搅拌生物反应器和无泡搅拌生物反应器。其中大多数用于发酵或植物细胞培养，不符合动物细胞培养的要求。由于动物细胞没有细胞壁，它对剪切力敏感，生物反应器中因搅拌和通气产生的流体剪切和气泡现象会无可避免地导致细胞损伤甚至破损、死亡，使培养过程失败。用于动物细胞培养的生物反应器必须确保提供良好的传质混合，又要尽可能使流体的剪切力降低以减少对细胞的损伤。

目前在人工肝体外支持领域仍没有专用的生物反应器装置，临床使用较多的仍是普通中空纤维管生物反应器和近年出现的旋转循环培养系统。

中空纤维管生物反应器由上万根多孔空心毛细纤维管组成，中空纤维呈平行排列，置于圆柱形密封仓内，在纤维毛细管半透膜内外形成两个独立的腔隙，即管内腔和管外腔，分别用于放置被培养细胞和培养液循环灌注。中空纤维管生物反应器是由透析柱演变而来，只是所含中空纤维由乙酸乙酰纤维素制成，通常选取内径195微米，外径255微米，半透膜分子接流量为68千道尔顿，内腔总容积99毫升，外腔容积145毫升，细胞容量约1×10¹⁰个。

中空纤维管生物反应器由于其结构的限制可容纳肝细胞数量较少，难以满足人工肝体外支持的治疗需求。在培养过程中由于肝细胞分布不均匀，交换面积有限和氧供不足等原因，而失去活性。细胞容易沉积于反应器底部，既影响细胞的生长又不利于物质交换。旋转循环培养系统但虽然降低了流体剪切力，由于气液传质效率低导致培养细胞量扩增困难以及细胞状态不佳等问题。

为加大氧供量将气体直接喷射到反应器内的液体中，通过气液交换使气体溶解到液体中。这种供气方式易形成大量的泡沫，尤其是在含有血清的液体中，大量泡沫的破裂所产生的剪切力会使被培养细胞死亡，同时，与患者血液交换的循环回路是严格禁止气泡进入的。这些缺陷制约了生物人工肝体外支持疗效的提高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种用于人工肝体外支持以及细胞培养研究的生物反应器，它可以克服常规反应器中细胞分布不均、氧供不足和被培养肝细胞结团成块后的“死心活壳”等缺陷。

本发明生物反应器为细胞提供更符合人体内生理环境的生长与培养条件，无泡沫氧供方式和高效的物质交换有利于获得具有高活性、高密度培养细胞，最大限度地发挥生物学作用、生物合成与转换代谢功能，保障以本发明生物反应器为核心的人工肝体外支持的疗效。

本发明生物反应器由往复转动的细胞培养罐总成模块、气体弥散控制总成模块和液体流向控制总成模块连接组成。

细胞培养罐总成模块、气体弥散控制总成模块和液体流向控制总成模块通过细胞培养液体循环管道串联连接。来自本发明生物反应器的外围设备的管路连接到气体弥散控制总成模块的输入端口；气体弥散控制总成模块的输出端口连接到液体流向控制总成模块的第一输入端口，液体流向控制总成模块的输出端口连接到往复转动的细胞培养罐总成模块的输入端口；往复转动的细胞培养罐总成模块的输出端口与液体流向控制总成模块第二输入端口相连接；气源的输出端口连接到气体弥散控制总成模块的管外腔第一端口；气体弥散控制总成模块的管外腔第二端口开放，与外环境相通。

细胞培养罐总成模块内的动力传递机构把步进电机的动力送达往复转动的细胞培养罐罐体，使其以动力传递机构中心轴线的延长线为轴做往复式转动。

气体弥散控制总成模块由以下零部件组成：透析柱，氧气瓶，氮气瓶，二氧化碳气瓶以及分别安装在氧气、氮气和二氧化碳这三种气体控制通路上的电磁阀门。透析柱的管外腔第一端口与所述的三个电磁气体阀门输出端相连接，用于将准备弥撒进入细胞培养液的气体导入。透析柱的管外腔第二端口开放与外环境相通，用作多余气体排放。透析柱的管内腔第一端口通过管路与来自本发明生物反应器外围设备的管路相通，使细胞培养液流经透析柱内由疏水性聚砜半透膜材料制成的中空纤维毛细管芯，并通过透析柱的管内腔第二端口到达液体流向控制总成模块的第一输入端口。

气体溶入细胞培养液的过程是：从透析柱管内腔流过的细胞培养液与流经透析柱管外腔的气体成逆向运动，流过透析柱管外腔的气体依靠疏水性聚砜半透膜材料制成的多孔纤维毛细管壁的半透膜壁内外之间的压力差，通过膜上的微孔弥散进入流经透析柱管内腔的细胞培养液，实现气体以无泡沫方式弥散溶入细胞培养液的传质过程。

透析柱为市售的系列产品。根据用于不同领域的需要可以选择制由不同种类半透膜材料制造成的中空纤维管，以及半透膜材料的不同孔径、即分子截留量。

透析柱由上万根多孔空心毛细纤维管组成。多孔中空纤维毛细管呈平行排列，置于圆柱形密封仓内，在半透膜材料制成的多孔纤维毛细管壁的半透膜内外形成两个独立的腔隙，即透析柱的管内腔和管外腔。与透析柱的管内腔两端分别相通的是管内腔第一端口和管内腔第二端口。与透析柱的管外腔相通的是管外腔第一端口和管外腔第二端口。

液体流向控制总成模块是由两台双头蠕动泵组成的。在一号蠕动泵的泵身上安装有一号蠕动泵前泵头和一号蠕动泵后泵头，在二号蠕动泵的泵身上安装有二号蠕动泵前泵头和二号蠕动泵后泵头。

透析柱的管内腔第二端口连接的细胞培养液输送管路分别经一号蠕动泵后泵头和二号蠕动泵后泵头连到往复转动的细胞培养罐的罐体下端盖二号接口和罐体上端盖二号接口；同时，分别经一号蠕动泵前泵头和二号蠕动泵前泵头的驱动，通过连接在往复转动的细胞培养罐的罐体上端盖一号接口和罐体下端盖一号接口上的细胞培养液输送管路，将富含被培养细胞代谢物的细胞培养液送出本发明生物反应器。

液体流向控制总成模块的功能如下：

1在往复转动的细胞培养罐不停地往复转动时，两台蠕动泵处于交替工作状态，保障细胞培养液总是从往复转动的细胞培养罐处于下部的端口进入，同时从处于上部的端口排出。

2对于从透析柱的管内腔第二端口流入本发明生物反应器，并通过一号蠕动泵前泵头和二号蠕动泵前泵头流出本发明生物反应器的细胞培养液而言，总能保持细胞培养液循环的流向不变。

实现此功能是利用当一台蠕动泵工作时，另一台不工作的蠕动泵的滚轮就会把充满细胞培养液的胶管压住，这样就不会形成细胞培养液向透析柱倒灌。而且当某台蠕动泵工作时，它的前泵头和后泵头是同时转动的，这样就会使通过透析柱的管内腔第二端口送出的细胞培养液总能够保持从往复转动的细胞培养罐处于下部的端口进入培养罐体，同时把罐体内富含被培养细胞代谢物的培养液从处于上部的端口吸出。

往复转动的细胞培养罐总成模块由如下零部件组成：往复转动的细胞培养罐罐体，罐体上端盖一号接口，罐体上端盖二号接口，罐体下端盖一号接口，罐体下端盖二号接口。往复转动的细胞培养罐总成模块的底座、步进电机、步进电机支架、步进电机减震座、步进电机支座转角、轴承座支架、轴承及轴承座和转动轴，法兰、平头平键和联轴器共同组成。

往复转动的细胞培养罐罐体置于机架的正前方，提供罐体往复转动的步进电机及其传动机构置于细胞培养罐后的箱体内。在箱体的底部安放的是往复转动的细胞培养罐总成模块的底座，在底座上靠近箱体前壁处垂直焊接轴承座支架，在轴承座支架的正后方、同样垂直焊接在底座上的是步进电机支架。焊接完成后要保证底座、轴承座支架和步进电机支架的上端面相互平行并且牢固。它们为本总成模块提供稳固支撑。

用步进电机紧固螺钉穿过步进电机减震座和步进电机支座转角水平端面上对应的导孔，把步进电机支座转角紧固在步进电机支架的上端面之上。步进电机被螺栓固定在步进电机支座转角垂直端面上。由于步进电机减震座的使用，使得步进电机转动引起的震动被抵消。

用螺钉把轴承座固定在轴承座支架的上端面上，并将轴承安装在轴承座内。通过调整轴承座与轴承座支架的上端面之间的相对位置，使分别安装在两个轴承座内的轴承达到同心。两个轴承座内的轴承之间安装转动轴。转动轴靠近箱体前壁处的一端用平头平键固定住将用于安装细胞培养罐罐体的法兰。转动轴靠近步进电机的一端通过联轴器与步进电机的转动轴相连接。这样在轴承座支架上以从后向前的顺序，由联轴器、轴承及轴承座、转动轴以及用于固定往复转动的细胞培养罐罐体的平头平键和法兰共同构成了统一中心轴线的动力传递机构。

在此动力传递机构的后端是步进电机，而前端是被固定在法兰上的往复转动的细胞培养罐罐体。在动力传递机构和步进电机的下方是支撑和减震机构。这样当步进电机转动时，它的动力就会通过此动力传递机构送达往复转动的细胞培养罐罐体。由于本总成模块具有步进电机减震支撑机构，所以细胞培养罐可以在满载荷状态下平稳、安静地往复转动。固定往复转动的细胞培养罐罐体的法兰被安置在往复转动的细胞培养罐罐体高度1/2处，当步进电机做往复转动时，此细胞培养罐罐体就会以动力传递机构中心轴线的延长线为轴做往复式转动。往复转动区间可以选择在一、四或二、三象限内做180°的往复转动。

液体流向控制总成模块与往复转动的细胞培养罐总成模块的动作配合关系是：当往复转动的细胞培养罐罐体在第一象限范围内转动时一号蠕动泵工作、当往复转动的细胞培养罐罐体在第四象限范围内转动时二号蠕动泵工作。往复转动的细胞培养罐罐体转动过0°时，液体流向控制总成模块的两个蠕动泵的工作状态进行交替。反之如选择往复转动的细胞培养罐罐体在二、三象限内做往复转动，当往复转动的细胞培养罐罐体转动过180°时，液体流向控制总成模块两个蠕动泵的工作状态进行交替。

通过调整液体流向控制总成模块的蠕动泵转速，达到细胞培养液在往复转动的细胞培养罐罐体内的自下而上的流动速度与同在罐体内粘附有细胞的载体沉降速度基本相同的目的。粘附有细胞的载体在往复转动的细胞培养罐罐体内成悬浮和极缓慢降落状态，此运动状态对粘附在载体上细胞形成的剪切力可以降至最低。同时，由于在往复转动的细胞培养罐罐体内细胞培养液自下而上的流动方式可以保障排空往复转动的细胞培养罐罐体顶部的残余气体，形成零顶空间。这样就避免在往复转动的细胞培养罐罐体做往复转动时形成气泡，造成额外的剪切力和湍流。往复转动的细胞培养罐罐体在往复转动时，使粘附有被培养细胞的载体因随机变化的矢量综合作用而在培养液中形成极缓慢的连续自由落体状态，它们翻滚和混合，不受任何主宰生长方向的单个重力矢量的影响，克服了传统的二维培养时细胞易发生反分化的情况，这样最有利于被培养细胞的生长。此生物反应器有益于制备出含大量、高活性、高密度具备优良生物功能的细胞。

当完成人工肝体外支持或细胞培养相关准备工作后，粘附有细胞的载体悬液被注入到本发明生物反应器的往复转动的细胞培养罐罐体。随着驱动往复转动的细胞培养罐罐体做往复转动的步进电机和液体流向控制总成模块内的双头蠕动泵开始转动，前级血液透析装置的输出或培养液容器内的培养液进入循环管路。当培养液到达透析柱后，相应气体被弥散进入其中。溶有相应气体的培养液随后被送入正在往复转动的细胞培养罐罐体。经过与往复转动的培养罐罐体内的细胞进行物质交换后，含有被培养细胞代谢产物的培养液又通过往复转动的细胞培养罐输出端口，经培养液循环管路送回前级血液透析装置或培养液容器中，以形成培养液的循环流动。这一过程十分符合正常肝脏的肝细胞生理环境和血液循环。

在常规生物反应器内由于氧供不足以及重力的作用使细胞在载体上分布不均，导致被培养细胞丧失其特征和发生去分化，形成的聚集出现中央坏死。但在本发明的生物反应器内，在液体流向控制模块内的两台双头蠕动泵，与驱动细胞培养罐往复转动的步进电机的转向配合下，可以保障培养液总是从往复转动的细胞培养罐罐体底部端口进入，从顶部端口排出。在罐内粘附有被培养细胞的载体因随机变化的重力矢量而悬浮，并在培养液中形成连续的自由落体状态，它们在培养液中落下和翻滚，受不到任何主宰生长方向的单个重力矢量的影响。同时采用弥散方式供气方法，不仅提高了传质效率而且对高密度细胞培养创造了条件。因此，通过本发明生物反应器培养的细胞在高活性、高密度和保持完整的信号转导和组织特异性代谢途径方面具有优势。

综上所述，与现有技术相比本发明的显著进步如下：

1本发明独创的细胞培养罐的往复转动为被培养细胞提供了处于连续自由落体状态下的培养方式，利于细胞三维生长。

2液体流向控制与气体弥撒溶入细胞培养液方式的结合，创造了符合细胞生长的理想环境，便于高效传质和放大培养。

3细胞培养罐容积大，容纳肝细胞量可达10×10¹⁰个，约重500g，相当于30％的成人肝脏重量。能更好发挥人工肝的体外支持作用。

4有效解决生物反应器内被培养细胞团块“死心活壳”现象。能够满足生物制品研制过程中易于放大和提取细胞产物的要求。

5液体流向控制模块设计合理操作方便，特别是当细胞培养罐输出端口发生堵塞时，可以灵活地转换培养液循环流向。在反向冲开堵塞的同时不会带来污染并影响细胞培养。

附图说明

图1是生物反应器的结构框图；

图2是往复转动的细胞培养罐总成模块侧视图；

图3是生物反应器工作过程示意图；

图4是透析柱结构示意图。

图中：

101细胞培养液贮存装置，102气体弥散控制总成模块，103液体流向控制总成模块，104往复转动的细胞培养罐总成模块，105气源，106液体流向控制总成模块第一输入端口，107液体流向控制总成模块第二输入端口；

201细胞培养罐端盖，202细胞培养罐体，203端盖密封垫片，204细胞培养罐外接端口，205细胞培养罐外接端口盲头，206垫片，207法兰，208平头平键，209转动轴，210轴承及轴承座，211联轴器，212螺栓，213平垫片，214螺母，215步进电机，216步进电机紧固螺钉，217步进电机减震座，218步进电机支架，219步进电机支座转角，220底座，221轴承座支架，222温度传感器；

301透析柱，302氧气瓶，303氮气瓶，304二氧化碳气瓶，305、306、307电磁阀，308一号蠕动泵前泵头，309一号蠕动泵后泵头，310二号蠕动泵前泵头，311二号蠕动泵后泵头，312往复转动的细胞培养罐罐体，313罐体上端盖一号接口，314罐体上端盖二号接口，315罐体下端盖一号接口，316.罐体下端盖二号接口。

401管内腔第一端口，402管外腔第二端口，403管外腔第一端口，404管内腔第二端口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明由往复转动的细胞培养罐总成模块、气体弥散控制总成模块和液体流向控制总成模块通过细胞培养液体循环管道串联连接组成。它们之间的连接关系如图1所示。来自本发明生物反应器外围设备的管路连接到气体弥散控制总成模块(102)的管内腔第一端口；气体弥散控制总成模块(102)的管内腔第二端口，连接到液体流向控制总成模块第一输入端口(106)；液体流向控制总成模块(103)的输出端口连接到往复转动的细胞培养罐总成模块(104)的输入端口；往复转动的细胞培养罐总成模块(104)的输出端口则与液体流向控制总成模块第二输入端口(107)相连接；气源105的输出连接到气体弥散控制总成模块(102)的管外腔第一端口；气体弥散控制总成模块(102)的管外腔第二端口开放，与大气相通。

图2所示为往复转动的细胞培养罐总成模块侧视图，

往复转动的细胞培养罐由底座(220)、以及垂直焊接在此底座(220)上的步进电机支架(218)和轴承座支架(221)提供稳固支撑。轴承及轴承座(210)和转动轴(209)被螺钉固定在轴承座支架(221)上，并与法兰(207)、平头平键(208)、和联轴器(211)共同构成动力传递机构，动力传递机构把步进电机(215)的动力送达细胞培养罐。由步进电机紧固螺钉(216)、步进电机减震座(217)和步进电机支座转角(219)共同组成的步进电机减震支撑机构被螺钉固定在步进电机减震座(218)上。

往复转动的细胞培养罐罐体置于机架的正前方，提供罐体往复转动的步进电机(215)及其传动机构置于细胞培养罐后的箱体内。在箱体的底部安放的是往复转动的细胞培养罐总成模块的底座(220)，在底座(220)上靠近箱体前壁处垂直焊接轴承座支架(221)，在轴承座支架(221)的正后方、同样垂直焊接在底座(220)上的是步进电机支架(218)。焊接完成后要保证底座(220)、轴承座支架(221)和步进电机支架(218)的上端面相互平行并且牢固。它们将为本总成模块提供稳固支撑。

用步进电机紧固螺钉(216)穿过步进电机减震座(217)和步进电机支座转角(219)水平端面上对应的导孔，把步进电机支座转角(219)紧固在步进电机支架(218)的上端面之上。步进电机被螺栓(212)固定在步进电机支座转角(219)垂直端面上。由于步进电机减震座(217)的使用，使得步进电机(215)转动引起的震动被抵消。

用螺钉把轴承座(210)固定在轴承座支架的上端面上，并将轴承安装在轴承座(210)内。通过调整轴承座(210)与轴承座支架(221)的上端面之间的相对位置，使分别安装在两个轴承座(210)内的轴承达到同心。两个轴承座(210)内的轴承之间安装转动轴(209)。转动轴(209)靠近箱体前壁处的一端用平头平键(208)固定住将用于安装细胞培养罐罐体(202)的法兰(207)。转动轴(209)靠近步进电机(215)的一端通过联轴器(211)与步进电机(215)的转动轴相连接。这样在轴承座支架(221)上以从后向前的顺序，由联轴器(211)、轴承及轴承座(210)、转动轴(209)以及用于固定往复转动的细胞培养罐罐体(202)的平头平键(208)和法兰(207)共同构成了统一中心轴线的动力传递机构。

在此动力传递机构的后端是步进电机(215)，而前端是被固定在法兰(207)上的往复转动的细胞培养罐罐体(202)。在动力传递机构和步进电机(215)的下方是支撑和减震机构。这样当步进电机(215)转动时，它的动力就会通过此动力传递机构送达往复转动的细胞培养罐罐体(202)。由于本总成模块具有步进电机减震支撑机构，所以细胞培养罐可以在满载荷状态下平稳、安静地往复转动。固定往复转动的细胞培养罐罐体的法兰(207)被安置在往复转动的细胞培养罐罐体高度1/2处，当步进电机做往复转动时，此细胞培养罐罐体就会以动力传递机构中心轴线的延长线为轴做往复式转动。往复转动区间可以选择在一、四或二、三象限内做180°的往复转动。

所述气体弥散控制总成模块(102)由透析柱(301)，氧气(302)，氮气瓶(303)，二氧化碳气瓶(304)和分别安放在氧气、氮气和二氧化碳控制通路上的第一、二、三电磁阀门(305、306、307)；透析柱的管外腔第一端口(403)与第一、二、三电磁气体阀门(305、306、307)的输出端相连接，用于将准备弥撒进入细胞培养液的气体导入；透析柱的管外腔第二端口(402)开放与外环境相通，用作排放多余气体；透析柱的管内腔第一端口(401)通过管路与来自本发明生物反应器外围设备的管路相通，使细胞培养液流经透析柱内由疏水性聚砜半透膜材料制成的中空纤维毛细管芯，并通过透析柱的管内腔第二端口(404)到达液体流向控制总成模块第一输入端口(106)。

图4所示为透析柱结构。透析柱由上万根多孔空心毛细纤维管组成。多孔中空纤维毛细管呈平行排列，置于圆柱形密封仓内，在疏水性聚砜半透膜材料制成的多孔纤维毛细管壁的半透膜内外形成两个独立的腔隙，即管内腔和管外腔。分别与透析柱管内腔两端相通的是管内腔第一端口(401)和管内腔第二端口(404)。与管外腔相通的是管外腔第一端口(403)和管外腔第二端口(402)。

以下结合图3说明本发明生物反应器工作过程：如图3所示，自本发明生物反应器外围设备的培养液通过循环管路到达透析柱(301)的管内腔第一端口(401)。氧气瓶(302)、氮气瓶(303)和二氧化碳气瓶(304)中的相应气体在第一、二、三电磁阀(305)、(306)、和(307)的控制下，送到透析柱(301)管外腔第一端(403)口，用于将准备弥撒进入细胞培养液的气体导入。透析柱(301)管外腔第二端口开放，用于多余气体的排放。与此同时从透析柱(301)管内腔流过的细胞培养液与流经透析柱(301)管外腔的气体成逆向运动，流过透析柱(301)管外腔的气体依靠疏水性聚砜半透膜材料制成的多孔纤维毛细管壁的半透膜壁内外之间的压力差，通过膜上的微孔弥散进入流经透析柱(301)管内腔的细胞培养液之中，实现气体以无泡沫方式弥散溶入细胞培养液的传质过程。富含被培养细胞生存所需气体的培养液从透析柱301管内腔第二端口(404)流出，在一号蠕动泵后泵头(309)和二号蠕动泵后泵头(311)的驱动下，通过管道被分别送到往复转动的细胞培养罐罐体(312)的罐体下端盖二号接口(316)和罐体上端盖二号接口(314)。同时，在二号蠕动泵前泵头(310)和一号蠕动泵前泵头(308)的驱动下，富含被培养细胞代谢物的细胞培养液被分别从往复转动的细胞培养罐(312)的罐体下端盖一号接口(315)或罐体上端盖一号接口(313)排出，并送回本发明生物反应器外围设备的管路中。

现以一号泵工作(一号蠕动泵前泵头(308)和一号蠕动泵后泵头(309)同时旋转)二号泵停止(二号蠕动泵前泵头(310)和二号蠕动泵后泵头(311)不旋转)，以往复转动的细胞培养罐罐体(312)的罐体上端盖为标志并处于第一象限90°位置设为起点为例。由于一号蠕动泵前泵头(308)和一号蠕动泵后泵头(309)同时旋转，来自透析柱(301)的细胞培养液被从罐体下端盖二号接口(316)送入往复转动的细胞培养罐罐体(312)，同时往复转动的细胞培养罐罐体(312)内的细胞培养液被从罐体上端盖一号接口(313)送出。当往复转动的细胞培养罐罐体(312)转动到水平状态时，一号泵蠕动停止工作(一号蠕动泵前泵头(308)和一号蠕动泵后泵头(309)不旋转)二号泵开始工作(二号蠕动泵前泵头(310)和二号蠕动泵后泵头(311)旋转)。由于二号蠕动泵前泵头(310)和二号蠕动泵后泵头(311)同时旋转，来自透析柱(301)的细胞培养液被从罐体上端盖二号接口(314)送入往复转动的细胞培养罐罐体(312)，同时往复转动的细胞培养罐罐体(312)内的细胞培养液被从罐体下端盖一号接口(315)送出。此时罐体上端盖已经转动进入第四象限，罐体的上、下端盖实际位置已经逐渐颠倒，进入罐体的细胞培养液仍然遵循着下进上出的流向。使粘附有被培养细胞的载体继续保持极缓慢连续降落状态。直到往复转动的细胞培养罐罐体(312)的上端盖转到270°位置，罐体开始向反方向转动。当往复转动的细胞培养罐罐体(312)的上端盖再次转到水平位置，一号蠕动泵再次工作(一号蠕动泵前泵头(308)和一号蠕动泵后泵头(309)同时旋转)二号蠕动泵停止(二号蠕动泵前泵头(310)和二号蠕动泵后泵头(311)不旋转)，两台蠕动泵的工作状态再次交换。此后直至往复转动的细胞培养罐罐体(312)的上端盖再次转到90°位置为止。完成本发明生物反应器的一次往复转动周期。

通过调整液体流向控制总成模块(103)的蠕动泵转速，达到细胞培养液在往复转动的细胞培养罐罐体(312)内的自下而上的流动速度与同在罐体内粘附有细胞的载体沉降速度基本相同的目的。粘附有细胞的载体在往复转动的细胞培养罐罐体(312)内成悬浮和极缓慢降落状态，此运动状态对粘附在载体上细胞形成的剪切力可以降至最低。同时，由于在往复转动的细胞培养罐罐体(312)内细胞培养液自下而上的流动方式可以保障排空往复转动的细胞培养罐罐体(312)顶部的残余气体，形成零顶空间。这样就避免在往复转动的细胞培养罐罐体(312)做往复转动时形成气泡，造成额外的剪切力和湍流。往复转动的细胞培养罐罐体(312)在往复转动时使粘附有被培养细胞的载体因随机变化的矢量综合作用而在培养液中形成极缓慢的连续降落状态，它们翻滚和混合，不受任何主宰生长方向的单个重力矢量的影响，克服了传统的2维培养时细胞易发生反分化的情况，这样最有利于被培养细胞的生长。此生物反应器有益于制备出含大量、高活性、高密度具备优良生物功能的细胞。

现有技术的中空纤维管生物反应器是由透析柱演变而来，只是所含中空纤维由乙酸乙酰纤维素制成，通常选取内径195微米，外径255微米，半透膜分子接流量为68千道尔顿，内腔总容积99毫升，外腔容积145毫升，细胞容量约1×10¹⁰个。它是一个被培养细胞生长在单体容器内、容积小、二维细胞培养的装置。

本发明生物反应器是由往复转动的细胞培养罐模块、气体弥散控制总成模块和液体流向控制总成模块连接成的系统实现的。在细胞培养罐内粘附着被培养细胞的载体因随机变化的重力矢量而悬浮，同时采用的弥散方式供气方法，不仅提高了传质效率而且对高密度细胞培养创造了条件。因此，通过该生物反应器培养的肝细胞在高活性、高密度和保持完整的信号转导及组织特异性代谢途径方面具有优势。本发明生物反应器的细胞培养罐容积可达3.5升，可容纳被培养细胞达10×10¹⁰个，是一个3维细胞培养系统。

Claims (2)

1.一种生物反应器，其特征在于：所述生物反应器由往复转动的细胞培养罐总成模块(104)、气体弥散控制总成模块(102)和液体流向控制总成模块(103)通过细胞培养液体循环管道串联连接组成；气体弥散控制总成模块(102)的管内腔第一端口连接所述生物反应器外围设备的管路；气体弥散控制总成模块(102)的管内腔第二端口连接到液体流向控制总成模块(103)的第一输入端口(106)；液体流向控制总成模块输出端口连接到往复转动的细胞培养罐总成模块(104)的输入端口；往复转动的细胞培养罐总成模块(104)的输出端口与液体流向控制总成模块第二输入端口(107)相连接；气源(105)的输出端口连接到气体弥散控制总成模块(102)的管外腔第一端口；气体弥散控制总成模块(102)的管外腔第二端口开放，与外环境相通；动力传递机构把步进电机(215)的动力送达往复转动的细胞培养罐罐体(312)；

所述气体弥散控制总成模块(102)由透析柱(301)，氧气(302)，氮气瓶(303)，二氧化碳气瓶(304)和分别安放在氧气、氮气和二氧化碳控制通路上的第一、二、三电磁阀门(305、306、307)组成；透析柱的管外腔第一端口与第一、二、三电磁阀门(305、306、307)的输出端相连接，用于将准备弥散进入细胞培养液的气体导入；透析柱的管外腔第二端口(404)开放与外环境相通，用作多余气体排放；透析柱的管内腔第一端口(401)通过管路与来自所述生物反应器外围设备的管路相通，使细胞培养液流经透析柱内由疏水性聚砜半透膜材料制成的中空纤维毛细管芯，并通过透析柱的管内腔第二端口(402)到达液体流向控制总成模块的输入端口；所述液体流向控制总成模块(103)由两台双头蠕动泵组成，在一号蠕动泵的泵身上安装有一号蠕动泵前泵头(308)和一号蠕动泵后泵头(309)，在二号蠕动泵的泵身上安装有二号蠕动泵前泵头(310)和二号蠕动泵后泵头(311)；两台双头蠕动泵交替工作；所述往复转动的细胞培养罐总成模块(104)由底座(220)和垂直焊接在所述底座(220)上的步进电机支架(218)和轴承座支架(221)提供稳固的支撑；由步进电机紧固螺钉(216)、步进电机减震座(217)、步进电机支架(218)和步进电机支座转角(219)为步进电机(215)提供减震和支撑；由被螺钉固定在轴承座支架(221)上的轴承及轴承座(210)和转动轴(209)，并与法兰(207)、平头平键(208)和联轴器(211)共同组成动力传递机构；往复转动的细胞培养罐罐体(312)以动力传递机构中心轴线的延长线为轴与步进电机一起在一、四或二、三象限内做180°的往复转动；

液体流向控制总成模块与往复转动的细胞培养罐总成模块的动作配合关系是：当往复转动的细胞培养罐罐体在第一象限范围内转动时一号蠕动泵工作，当往复转动的细胞培养罐罐体在第四象限范围内转动时二号蠕动泵工作；当往复转动的细胞培养罐罐体转动过0°时，液体流向控制总成模块的两个蠕动泵的工作状态进行交替；反之如选择往复转动的细胞培养罐罐体在二、三象限内做往复转动，当往复转动的细胞培养罐罐体转动过180°时，液体流向控制总成模块两个蠕动泵的工作状态进行交替；培养液总是从往复转动的细胞培养罐罐体底部端口进入，从顶部端口排出。

2.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于：所述透析柱(301)由上万根多孔空心毛细纤维管组成；多孔中空纤维毛细管呈平行排列，置于圆柱形密封仓内，在半透膜材料制成的多孔纤维毛细管壁的半透膜内外形成管内腔和管外腔两个独立的腔隙；所述管内腔第一端口(401)和管内腔第二端口(402)与透析柱(301)的管内腔两端分别相通，管外腔第一端口(403)和管外腔第二端口(404)与透析柱(301)的管外腔相通。

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