CN102091360B - 生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生物反应容器，其包括圆柱形的容器体，所述容器体圆周侧壁的上端和下端分别设有液体进口，所述容器体的两个端部分别设有液体出口。所述容器体内的液体进口处设有一个压力缓冲环，所述容器体内两端部的液体出口处分别设细胞筛网。本发明还提供一种包括有所述生物反应容器的生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器及其处理方法。本发明的有益之处在于：微载体上培养的肝细胞能够均匀的分布在整个生物反应容器内部，在往返运动中对肝细胞损伤小，肝衰竭血浆能够充分接触，有效的避免灌流死腔和无效灌流，能够高效的对血浆进行解毒、并且操作简单、成本低、功效强，能够最大限度的发挥生物人工肝的治疗作用。

Description

生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器及其处理方法

技术领域

本发明属于生物医学设备技术领域，具体为一种生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器及其处理方法。

背景技术

生物人工肝或混合型生物人工肝是利用生物反应器中肝细胞的部分功能，一方面对肝衰竭患者血浆中的毒性物质进行生物转化，另一方面分泌多种生物活性物质释放入患者血液，以达到改善患者内稳态的平衡。生物反应器是生物人工肝或混合型生物人工肝的核心部分，是肝细胞对患者血浆进行解毒和分泌活性物质的主要场所，因此作为一个高效的反应器应具有以下特征：肝细胞应与反应器内的液体有充分接触的接触时间，肝细胞在生物反应器内部分布均匀，生物相容性好以及保障肝细胞的功能并且能够容纳一定数量的肝细胞。

目前，其中应用最多的是中空纤维生物反应器，但中空纤维反应器的缺点是细胞分布不均匀，细胞粘附能力差，存在膜的污染和堵塞，细胞生长或过量气体产生会破坏纤维，既影响细胞功能的发挥又影响对生物反应器内细胞功能状态的观察。

另外，现行使用的灌流型圆柱状生物反应器是采用单一进口和单一出口，液体直接灌流，剪切力大，在一般流速下存在灌流死腔，甚至是无效灌流，在流速高的时候灌流液的剪切力高，肝细胞容易损伤，影响其对血浆的解毒功能。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种可以使血浆和培养基在反应器内与肝细胞充分接触，避免液体对肝细胞的直接冲击的生物反应容器。

本发明的另一目的是提供一种具有细胞分布均匀、细胞和血浆接触充分、灌流液对细胞损伤小，能够高效的对血浆进行解毒、避免无效灌流和灌流死腔，并且操作简单、成本低、功效强的生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器。

本发明的第三目的是提供一种保持微载体在生物反应容器内均匀分布的生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器的处理方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种生物反应容器，包括具有容腔的圆柱形容器体，所述容器体的圆周侧壁上端和下端分别设有与所述容腔相通的液体进口，所述容器体的两个端部分别设有与所述容腔相通的液体出口。可以保证整个反应器一直从生物反应容器的下端进液体和上端出液体，从而保证生物反应容器中的液体和其内的细胞能够充分的接触。

所述的容器体由一个筒状壳体及安装在筒状壳体两端形成密封容腔的密封盖组成，所述两个液体进口分别安装在靠近所述密封盖的筒状壳体的侧壁上，所述液体出口分别设于所述的密封盖上。

所述筒状壳体内的液体进口处设有一个压力缓冲环，以避免液体对肝细胞的直接冲击所造成的损伤。

所述的压力缓冲环的内径为4-7cm。

所述液体出口处的筒状壳体内分别设细胞筛网，以阻止容器内微载体流出。

所述的细胞筛网的为200-400目筛网。

所述的筒状壳体为透明塑料制成。

所述筒状壳体上可以设置有取样口，所述取样口配以阀门密封。

一种生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器，包括所述生物反应容器、分浆器、灌流器和氧合器，输料管道通过血浆泵与第一分浆器连接，第一分浆器通过管道经分浆泵与灌流器连接，灌流器通过管道经蠕动泵和二级蠕动泵与生物反应容器上的液体进口连接，生物反应容器上的液体出口通过管道经二级蠕动泵与氧合器连接，氧合器通过管道与第二分浆器连接；第二分浆器的一出口端通过管道经二级蠕动泵与生物反应容器上的液体进口连接，另一出口端通过管道经蠕动泵输出。

所述的二级蠕动泵设有两组，一组通过管道与第一液体进口和第二液体出口连接，另一组通过管道与第二液体进口和第一液体出口连接，以实现容器内的液体进出处于平衡状态。

所述的生物反应容器置于恒温箱中。

所述的氧合器可以是膜式氧合器。

生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器的处理方法，所述生物反应容器做弧度为180度的往返翻转的周期运动，翻转一次的周期为30-60秒。

当外界液体进入生物反应容器时，始终保持外界液体从生物反应容器的下端液体进口进入，生物反应容器内部液体从上端的液体出口流出。

与现有技术相此，本发明的有益效果是：由于微载体的密度大于细胞培养基和血浆，易于沉积，尤其是大规模培养时更为突出，生物反应容器的往返翻转运动可以使微载体在反应器内均匀分布，这样可以避免生物反应容器内物质产生浓度梯度，便于物质的充分交换。双进口和双出口的设置可以使血浆和培养基在反应器内与肝细胞充分接触，能够充分的发挥肝细胞对血浆的净化作用。在液体进口处设置压力缓冲环可以避免液体对肝细胞的直接冲击，液体总是从生物反应容器的底部以抛物线的形式运动，在保持微载体在生物反应容器内均匀分布，在液体浓度的均匀方面显示独特的优势。因此本发明更为符合流体力学要求，为人工肝开辟了新途径，功能全面，设计合理，功能全面，具有很好的应用前景。总的来说，在生物反应容器内的微载体上培养的肝细胞能够均匀的分布在整个生物反应容器内部，并且肝细胞在生物反应容器内部所受到的剪切力小，在往返运动中对肝细胞损伤小，肝衰竭血浆能够充分接触，有效的避免灌流死腔和无效灌流，能够高效的对血浆进行解毒、并且操作简单、成本低、功效强，能够最大限度的发挥生物人工肝的治疗作用。

附图说明

图1为本发明生物人工肝用往返翻转型生物反应器的原理图；

图2为生物反应容器的剖开结构图；

图3为生物反应容器的往返翻转示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种生物反应容器8，如图2所示，具有容腔的圆柱形容器体，在所述容器体圆周侧壁的上端和下端分别设有与所述容腔相通的液体进口81，82；所述容器体的两个端部分别设有与所述容腔相通的液体出口83，84。优选的，所述容器体由一个筒状壳体87及安装在筒状壳体87两端形成密封容腔的密封盖88，89组成。所述液体进口81安装在靠近所述密封盖88的筒状壳体87的侧壁上；液体进口82安装在靠近所述密封盖89的筒状壳体87的侧壁上。所述液体出口83设于所述的密封盖88上；所述液体出口84设于所述的密封盖89上。此结构可以保证整个反应器一直从生物反应容器的下端进液体和上端出液体，从而保证生物反应容器中的液体和其内的细胞能够充分的接触。在所述筒状壳体87内的两个液体进口81，82处分别设有一个压力缓冲环85，以避免液体对肝细胞的直接冲击所造成的损伤。压力缓冲环85的内径可以为4-7cm，优选为5-6cm。所述压力缓冲环85为可以为固定在筒状壳体87内正对着液体进口81，82的环型筒体，所述的环型筒体与筒状壳体87内侧壁之间面向密封盖88，89一端的空隙设有开口，另一端为密封，使从液体进口81，82进入筒状壳体87的血液或者培养基从密封盖88，89一端的内侧壁进入容器体内。

在所述液体出口83，84处的筒状壳体87内分别设细胞筛网86，细胞筛网86可以为200-400目的筛网。在所述容器体内，两细胞筛网86之间为流动的微载体和生长在微载体上的细胞，细胞筛网86可以阻止所述容器体内的微载体流出。

所述容器体的体积可以为0.3-3升之间，可以为长26cm，直径4cm。可以根据临床需要调整其容积的大小，制定所需要的尺寸。所述容器体的筒状壳体87可以由透明塑料制成，以便于观察容器内物料的状态。

所述容器体的筒状壳体87上可以设置有取样口，所述取样口配以阀门密封。在所述取样口上可以安装有血气分析仪，血气分析仪可以实时的检测血浆或细胞培养基中的氧含量、Ph值等，实时了解生物反应容器8内肝细胞的生存环境，并根据具体情况做出调整。

一种生物人工肝用往返翻转型生物反应器，如图1所示，包括生物反应容器8、分浆器2，11、灌流器4和氧合器10。输料管道通过血浆泵1与第一分浆器2连接，第一分浆器2通过管道经分浆泵3与灌流器4连接，灌流器4通过管道经蠕动泵5和二级蠕动泵6，7与生物反应容器8上的液体进口81，82连接，生物反应容器8的液体出口83，84通过管道经二级蠕动泵6，7与氧合器10连接，氧合器10通过管道与第二分浆器11连接；第二分浆器11的一出口端通过管道经二级蠕动泵6，7与生物反应容器8上的液体进口81，82连接，另一出口端通过管道经蠕动泵5输出。血浆或细胞培养基从输料管道进入第一分浆器2处理，以减少血浆或细胞培养基中的细胞碎片；然后通过分浆泵3注入灌流器4中，灌流器4经蠕动泵5和二级蠕动泵6，7注入生物反应器8内进行处理；处理后的产物经二级蠕动泵6，7进入氧合器10，使血浆或细胞培养基氧合后携带氧，以供给反应器内微载体上的肝细胞；氧合器10出来的产物进入第二分浆器11处理后，将近30％左右的产物经二级蠕动泵6，7进入生物反应器8内参与新的物质交换，剩余的部分经蠕动泵5输出。其中，第一分浆器2和第二分浆器11可以阻止从生物反应容器8中流出的细胞碎片进入机体发生免疫反应。灌流器4为吸附装置，用于吸附肝衰竭患者血浆中有毒成分，减轻其肝细胞的毒性作用。所述氧合器10优选膜式氧合器。所述的生物反应容器8置于恒温箱9中，以提供保持生物反应容器8内的温度。

所述二级蠕动泵可以设有两组，第一二级蠕动泵6通过管道与第一液体进口82和第二液体出口83连接，第二二级蠕动泵7通过管道与第二液体进口81和第一液体出口84连接。双进口和双出口的设置可以保证整个生物反应容器8在翻转180度后一直从容器的下端进液体和上端出液体，以保证反应器中的液体和反应器中的细胞能够充分的接触，同时可以实现容器内的液体进出处于平衡状态。

生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器对血浆的处理方法，是才处理血浆的时候，所述生物反应容器做弧度为180度的往返翻转的周期运动，翻转一次的周期为30-60秒。当外界的血浆或细胞培养基等液体进入生物反应容器8时，始终保持外界液体从生物反应容器8的下端液体进口进入，生物反应容器8内部液体从上端的液体出口流出。保持生物反应容器8在液体的流动和选择运动中不断循环，进行物质交换。在处理过程中。生物反应容器8被夹持在机械臂上，由机械臂带动做弧度为180度往返翻转运动。生物反应容器内的物料以抛物线形式从底部上升，微载体在生物反应容器内均匀分布，这样可以避免物质形成浓度梯度，便于物质的充分交换。

往返翻转的周期运动过程如图3所示，生物反应容器8先翻转180度，原先的竖向AB摆放翻转为BA摆放，然后从竖向BA往回翻转为竖向AB摆放，如此循环，做周期翻转。往返翻转运动周期可以优选为40-50秒。在往返翻转的过程中，外界的血浆或细胞培养基等液体进入生物反应容器8时，始终保持外界液体从生物反应容器的下端液体进口进入，生物反应容器内部液体从上端的液体出口流出。也就是先是从容器下端第二液体进口82进入生物反应容器8时，生物反应容器8内部液体从容器上端的第二液体出口83流出；当翻转180度后，外界液体从容器下端第一液体进口81进入生物反应容器8时，生物反应容器8内部液体从容器上端的第二液体出口84流出。

本发明为生物人工肝或混合型生物人工肝的核心部分，采用生物反应容器8往返翻转的方式防止微载体的沉积而分布不均，便于物质交换，通过双进口和双出口的设计，解决以往圆柱形反应器的无效灌流和灌流死腔，把已预先培养好的微载体上的肝细胞，接种早反应器内，发挥肝细胞的部分功能，作为肝脏的替代治疗。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但并不仅仅受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器，其特征在于：包括生物反应容器、分浆器、灌流器和氧合器，输料管道通过血浆泵与第一分浆器连接，第一分浆器通过管道经分浆泵与灌流器连接，灌流器通过管道经蠕动泵和两组二级蠕动泵分别与生物反应容器上的两个液体进口连接，生物反应容器上的两个液体出口通过管道分别经所述两组二级蠕动泵与氧合器连接，每组二级蠕动泵仅连接生物反应容器上的其中一个液体进口和与该液体进口相距较远的其中一个液体出口，所述氧合器通过管道与第二分浆器连接；第二分浆器的一出口端通过管道经所述两组二级蠕动泵与生物反应容器上的所述两个液体进口连接，另一出口端通过管道经蠕动泵输出。

2.根据权利要求1所述的生物人工肝用往返翻转灌注型生物反应器，其特征在于：所述生物反应容器包括具有容腔的圆柱形容器体，所述容器体的圆周侧壁上端和下端分别设有与所述容腔相通的所述两个液体进口，所述容器体的两个端部分别设有与所述容腔相通的所述两个液体出口。

3.根据权利要求2所述的生物人工肝用往返翻转灌注型生物反应器，其特征在于：所述的容器体由一个筒状壳体及安装在筒状壳体两端形成密封容腔的密封盖组成，所述两个液体进口分别设置在靠近所述密封盖的筒状壳体的侧壁上，所述液体出口分别设于所述的密封盖上。

4.根据权利要求3所述的生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器，其特征在于：所述筒状壳体内对应其两个液体进口处各设有一个压力缓冲环。

5.根据权利要求4所述的生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器，其特征在于：所述的压力缓冲环的内径为4-7cm。

6.根据权利要求3所述的生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器，其特征在于：对应所述液体出口处的筒状壳体内分别设有细胞筛网。

7.根据权利要求6所述的生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器，其特征在于：所述的细胞筛网为200-400目的筛网。

8.根据权利要求3所述的一种生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器，其特征在于：所述筒状壳体为透明塑料制成。

9.根据权利要求3所述的生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器，其特征在于：所述筒状壳体上设置有取样口，所述取样口配以阀门密封。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器，其特征在于：所述的生物反应容器置于恒温箱中。

11.根据权利要求1至9中任意一项所述的生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器，其特征在于：所述的氧合器是膜式氧合器。

12.一种如权利要求1至9中任意一项所述的生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器的处理方法，其特征在于：所述生物反应容器做弧度为180度的往返翻转的周期运动，翻转一次的周期为30-60秒。

13.根据权利要求12所述的生物人工肝用往返翻转灌流型生物反应器的处理方法，其特征在于：当外界液体进入生物反应容器时，始终保持外界液体从生物反应容器的下端液体进口进入，生物反应容器内部液体从上端的液体出口流出。

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