CN102234612B - 一种生物工程体外循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物工程体外循环系统，该系统包括控制系统、连接系统及计算机(19)，控制系统经连接系统与计算机(19)连接，连接系统包括集线器(20)及连接线路(21)，集线器(20)的一端与计算机(19)连接，另一端经连接线路(21)与控制系统连接。与现有技术相比，本发明可以进行新型生物医学材料生物实验，在不同生理条件下观察研究生物材料的变化，能够作为药物开发检测手段；连接分离的生物组织器官进行生理功能研究，特别是心血管系统，另外还可以用于体外动态培养细胞和构建组织器官既生物反应器，进行体外蛋白生产和富集。

Description

一种生物工程体外循环系统

技术领域

本发明涉及生物工程装备领域，尤其是涉及一种生物工程体外循环系统。

背景技术

目前已经出现体外细胞、组织器官二维静态或者三维动态培养。体外细胞二维静态培养是最常用的细胞培养方式，这种方法可以应用于培养贴壁细胞和悬浮细胞，但是这种只能给细胞提供单纯的营养环境，不能给细胞提供物理刺激。给予细胞物理刺激(如液体流动剪切力)，可以改变细胞的生长状况(如加速细胞增殖分化、提高细胞蛋白分泌)，这导致了细胞三维动态培养的出现，发明了三维动态滚筒培养装置。

然而这些技术都是应用细胞培养基作为液态营养载体，在培养基中加入牛血清或者马血清提供生长因子。当营养耗竭，往往把培养基全部或者大部分更换。这种体外生长环境往往是动态替换性改变，细胞自身分泌的生长因子不能长久保留在生长环境中，环境为细胞生长提供牛或者马的生长因子，这些因素给体外三维静态或者动态培养带来干扰。排除这些干扰，需要提供一个只更换培养液基本小分子营养物质(葡萄糖、氨基酸等)，而不减少大分子蛋白(生长因子等)。选择性更换体外培养系统物质成分是本系统解决问题的技术之一。

体外培养系统一般都是连接一个培养腔，培养一种细胞，并且如上述那样一次性或者多次添加维持或者促进细胞生长增殖的细胞因子，然后收获含有目标蛋白的培养基，分离提纯目标蛋白。添加的细胞因子的制备成本往往比较高，被动添加细胞因子，很多时候并不是细胞需要的最佳终浓度量。因此，本发明提出了多种细胞共同培养，细胞间分泌的细胞因子可以相互促进生长的模式，为此在发明装置中具有可以连接多个培养腔的分流部分来实现。

由于皮毛、骨骼、筋膜和肌肉的包裹，很难实时观察到在不同生理或者病例情况下，动物体内各种脏器的工作情况。动物器官离体培养观察是生理病理学研究的重要手段。动物器官离体实验，一般是单一器官离体观察，如心脏离体研究不同药物对其舒缩功能的影响。器官离体观察也多为一过性实验，只能在短时间内进行研究。多器官离体长时间培养维持也是本发明系统解决的技术问题之一，利用系统的管道连接动物器官，配合生理记录仪器，可以为生理病理学家提供更加广阔的动物离体器官观察时间窗口，亦可以为药理学家提供一种或者多种药物对不同动物器官作用的实时观察。

在组织工程方面，血管构建是组织成活的关键。为了解决这个问题，科学家发明了各种灌流装备，希望能为材料内的空隙提供足够的流体力，使得种子细胞在长成组织的同时形成血管，为后续移植修复提供血供通路。本发明提供的分压分流部分可以用于多种细胞培养的同时，也可以提供不同的输入压力，在提供流体压力和剪切力的同时，生产各种刺激血管形成的细胞因子。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以进行体外模拟、进行药理、毒理等试验的生物工程体外循环系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种生物工程体外循环系统，其特征在于，该系统包括控制系统、连接系统及计算机19，所述的控制系统经连接系统与计算机19连接，所述的连接系统包括集线器20及连接线路21，所述的集线器20的一端与计算机19连接，另一端经连接线路21与控制系统连接。

所述的控制系统设在温度调控系统18内，包括管道分压部分1、透析仪2、气体交换仪3、往复泵4、往复泵工作控制仪5及透析液处理仪6，上述部件经硅胶管道连接，所述的管道分压部分1和气体交换仪3之间设有氧浓度检测仪7、pH仪8及加样阀13，管道分压部分1和透析仪2之间设有脲浓度检测仪10，管道分压部分1的上游和下游均设有管道压力传感器9，所述的氧浓度检测仪7和所述的pH仪8之间设有两个单向阀12，单向阀12的方向自氧浓度检测仪7至pH仪8，两单向阀12之间设有一往复泵4，所述的透析仪2和所述的气体交换仪3之间设有两个单向阀12，两单向阀12的方向自透析仪2到气体交换仪3，两单向阀12之间设有一往复泵4，所述的透析仪2和透析液处理仪6之间设有一单向阀12，单向阀12方向与主封闭循环流体方向呈对流走向，所述的透析液处理仪6和单向阀12之间设有一往复泵4。

所述的管道分压部分1、透析仪2气体交换仪3及往复泵4组成主封闭循环，所述的透析仪2、往复泵4及透析液处理仪6形成次封闭循环系统。

所述的硅胶管道的管口为螺纹口，管口内设置密封圈。

与现有技术相比，本发明可在体外营造各种生物体内的激素、pH值、温度和离子浓度等生理环境以及变化的环境，同时也可在体外营造体内所不具备的各种极端状况，可以进行新型生物材料生物实验，在不同生理条件下观察研究生物材料的变化；体外研究药物的药效动力学和药代动力学，对其毒理学进行研究，同时也可以作为药物开发检测手段；连接分离的生物组织器官进行生理功能研究，特别是心血管系统；用于体外动态培养细胞和构建组织器官；用作生物反应器，进行体外蛋白(如单克隆抗体、生物活性小分子)生产和富集。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为控制系统的结构示意图。

图中1为管道分压部分，2为透析仪，3为气体交换仪，4为往复泵，5为往复泵工作控制仪，6为透析液处理仪，7为氧浓度检测仪，8为pH仪，9为管道压力传感器，10为脲浓度检测仪，11为营养液存储罐，12为单向阀，13为加样阀，14为一级分流装置，15为次级分流装置，16为三向阀；17为培养装置，18为温度调控系统，19为计算机，20为集线器，21为连接线路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种生物工程体外循环系统，其结构如图1-2所示，该系统包括控制系统、连接系统及计算机19，控制系统经连接系统与计算机19连接，连接系统包括集线器20及连接线路21，集线器20的一端与计算机19连接，另一端经连接线路21与控制系统中的往复泵工作控制仪5、氧浓度检测仪7、pH仪8、管道压力传感器9、脲浓度检测仪10和温度调控系统18。计算机19设定控制它们的启动顺序、工作时间和工作阈值范围。

控制系统设在温度调控系统18内，包括管道分压部分1、透析仪2、气体交换仪3、往复泵4、往复泵工作控制仪5及透析液处理仪6，上述部件经硅胶管道连接，硅胶管道的管口为螺纹口，管口内设置密封圈。管道分压部分1、透析仪2气体交换仪3及往复泵4组成主封闭循环，所述的透析仪2、往复泵4及透析液处理仪6形成次封闭循环系统。

管道分压部分1和气体交换仪3之间设有氧浓度检测仪7、pH仪8及加样阀13，管道分压部分1和透析仪2之间设有脲浓度检测仪10，管道分压部分1的上游和下游均设有管道压力传感器9，氧浓度检测仪7和所述的pH仪8之间设有两个单向阀12，单向阀12的方向自氧浓度检测仪7至pH仪8，两单向阀12之间设有一往复泵4，透析仪2和所述的气体交换仪3之间设有两个单向阀12，两单向阀12的方向自透析仪2到气体交换仪3，两单向阀12之间设有一往复泵4，透析仪2和透析液处理仪6之间设有一单向阀12，单向阀12方向与主封闭循环流体方向呈对流走向，透析液处理仪6和单向阀12之间设有一往复泵4。

本发明系统具体工作流程：

根据设定温度，温度调控系统18调节设备培养环境，温度控制范围为-20℃～100℃。

往复泵4为系统动力部分，它们均为单向往复泵由往复泵工作控制仪5调节往复运动幅度和频率。往复泵工作控制仪5为数控电动系统。主循环系统二往复泵4伸缩工作方向相反，维持循环液流动和容量平衡；次循环系统一往复泵4伺侯工作，驱动透析液流动。

气体交换仪3为膜气合系统，可以外接各种不同的气体供应系统，选择性平衡溶于循环液内的各种气体成分。

管道分压部分1管道分流出均设有阀门，可以连接不同的培养装置17，包括细胞培养瓶、生物反应罐和组织器官培养装置。管道分压部分1预留空间可安装显微观察系统，观察和记录不同的连接装置内情况。

透析仪2膜透析，选择不同的透析膜，对流的循环液和透析液之间可以进行不同小分子营养成分和大分子活性物质的交换。通过透析仪2可以选择性的调节或者析出循环液成分，从而调整系统内环境或者进行小规模生产。透析液处理仪6内设有营养液存储罐11、进液口15和出液口16。

氧浓度检测仪7藕联气体交换仪3。循环液内氧含量低于一定的值，气体交换仪3开始工作；循环液内氧含量达到一定的值，气体交换仪3停止工作。

管道压力传感器9藕联主循环系统二往复泵工作控制仪5。管道压力差超出一定值，系统报警；再超出一定值，往复泵4工作被自动中止。

pH仪8和脲浓度检测仪10藕联次循环系统往复泵工作控制仪5。循环液pH或者脲浓度到达一定的值，次循环系统中往复泵4开始工作；循环液内pH以及脲浓度恢复正常，次循环系统往复泵4停止工作。

Claims (2)

1.一种生物工程体外循环系统，其特征在于，该系统包括控制系统、连接系统及计算机（19），所述的控制系统经连接系统与计算机（19）连接，所述的连接系统包括集线器（20）及连接线路（21），所述的集线器（20）的一端与计算机（19）连接，另一端经连接线路（21）与控制系统连接；

所述的控制系统设在温度调控系统（18）内，包括管道分压部分（1）、透析仪（2）、气体交换仪（3）、三组往复泵、往复泵工作控制仪（5）及透析液处理仪（6），上述部件经硅胶管道连接，所述的管道分压部分（1）和气体交换仪（3）之间设有氧浓度检测仪（7）、pH仪（8）及加样阀（13），管道分压部分（1）和透析仪（2）之间设有脲浓度检测仪（10），管道分压部分（1）的上游和下游均设有管道压力传感器（9），所述的氧浓度检测仪（7）和所述的pH仪（8）之间设有第一组两单向阀，单向阀的方向自氧浓度检测仪（7）至pH仪（8），第一组两单向阀之间设有第一往复泵，所述的透析仪（2）和所述的气体交换仪（3）之间设有第二组两单向阀，两单向阀的方向自透析仪（2）到气体交换仪（3），第二组两单向阀之间设有第二往复泵，所述的透析仪（2）和透析液处理仪（6）之间设有第三单向阀，单向阀方向与主封闭循环流体方向呈对流走向，所述的透析液处理仪（6）和第三单向阀之间设有第三往复泵；

所述的管道分压部分（1）、透析仪（2）气体交换仪（3）及第一往复泵、第二往复泵组成主封闭循环，所述的透析仪（2）、第三往复泵及透析液处理仪（6）形成次封闭循环系统。

2.根据权利要求1所述的一种生物工程体外循环系统，其特征在于，所述的硅胶管道的管口为螺纹口，管口内设置密封圈。

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