CN1031622C - 从液体中除去不需要的物质及生产生物制品的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液流过滤装置(如血液渗析装置)、生物反应器和与之有关的方法。具体地说，本发明涉及一种具有精馏过滤性能以及适于完成此渗析和其它过滤操作的双皮层膜的改进的渗析器或生物反应器，以及制备和使用这种膜的方法。

Description

从液体中除去不需要的物质及生产生物制品的方法

本发明涉及流体过滤装置(如血液渗析装置)、生物反应器和与之有关的方法。具体地说，本发明涉及一种具有精馏过滤性能以及适于完成此渗析和其它过滤操作的双皮层膜的改进的渗析器或生物反应器，以及制备和使用这种膜的方法。

渗析膜和装置用于人工肾和其它类型过滤装置上时具有重要的生命维持作用。高通量渗析器的一个公认的问题是从渗析液到血液返向过滤所不希望的一些分子。由于使用灭菌、无热源的渗析液成本高昂，所以最好有适用的某种渗析膜，这种膜能除去相当大的溶质(如β—2小球蛋白)，同时能阻止大小相似的分子从渗析液到血液中。但是，给从血液到渗析液的溶质提供高扩散速度的渗析膜，也会遇到溶质从渗析液返回到血液的高速反向扩散问题。同样，提供高速传递的现有的渗析膜也遇到高速反向过滤的问题。因此，对渗析膜的现实要求是它能够从血液中适当的除去尿毒症毒素，同时能防止所不希望的物质反回到血液中。同样，其它的流体过滤法得益于具有这样的精馏性能的膜的适用性。

目前还需要一些装置，如生物反应器等，其中精馏膜提供了一种向用于制造不能由传统的合成化学方法经济地加以制造的产品的活细胞供给营养物，同时从中带走产品和废的副产品用手段。

本发明的一个主要目的在于提供渗析装置之类过滤装置用的新的和改进的膜，以及制备这类膜的方法。本发明的另一方面在于提供一些改进的过滤装置,其中装有具有精馏性能(即在一个方向上的筛选系数大于另一方向上的值)的膜，以及采用这样装置的改进的过滤方法。

本发明的又一重要内容，涉及提供一些双皮层膜，如这样一类空芯纤维膜，其中孔径、孔结构和所产生的筛选系数在所说膜的两个相对表面之间均不相同。在优选方案中，所说的膜是空芯纤维状，其中所说纤维内壁或内皮层的筛选系数或对特定尺寸分子的渗透率大于外壁的。这样的纤维可以按照已知方法组装成渗析装置，以便提供这样一种渗透装置，其中大溶质能从血液之类流体中除去，在纤维的内部流到包围纤维的滤液或渗透液中。由于在纤维的外侧备有一层致密性不等的渗透性皮层，因而发现从纤维外侧反流到内侧的反流现象被显著降低。

本发明的另一个重要的目的在于提供一种可以在渗析器中作为单向(one way)膜或反滤作用减小的精馏膜用的双皮层膜。优选的膜是呈空芯纤维状的双皮聚合物材料。所说的膜的相对侧有聚合物皮层，这些层有不同的溶质渗透率或筛选系数特性。这类的膜可以如下方法成形：挤出溶解在溶剂中的聚合物，同时使其至少一个表面与所说溶剂能混溶的该聚合物的非溶剂接触，另一表面也与一种非涮接触，但所说的非涮或者不同于第一种非溶剂，或者含有在挤出的被溶解的聚合物形成皮层时改变孔径和结构的可溶解的添加剂。

在本发明的另一方面，和用本发明提供的膜制成了具有精馏性能的改进的渗析装置。此外，本发明还提供了一种制备双皮层膜的方法，它包括的步骤如下：提供一种溶在溶剂中的聚合物溶液，挤出所说的溶液生成一种连续伸长的形状(例如空芯管)、且通常具有均匀厚度的薄的横断面，和相对的两个大表面，其中一个表面与能和所说溶剂混溶的第一液体接触，但是此液体是所说聚合物的一种非溶剂，以在上述表面形成一聚合物皮层。相对的另一表面同时或随后与所说聚合物的第二种液体非溶剂接触。所说的第二种非溶剂液体也可以与所说溶剂混溶，并且使产生的第二聚合物皮层具有与在所说膜相对表面上形成的第一聚合物皮层不同的渗透率特性。

按照本发明的另外一些内容，将精馏膜装入生物反应器中以便提供这样一类装置，其中透过膜向反应容器的输送速度与透过膜从容器向液流反输送的速度是不同的，所说的液流用来供给营养物并且从所说容器中所含的活细胞带走废副产物。使用这类膜可以使昂贵的血浆成分通过所说膜到达细胞，然后在反应容器中浓缩，因而降低了血浆成分的需要量。本发明的空芯纤维膜生物反应器是一种类似渗析的装置，其中活动物，植物或细菌细胞在围绕空芯纤维的壳程空间中生长。流体通过纤维流动，向细胞供给营养物，同时除去废的产物。在此情况下，整个壳程区域无直接的流体流动，通向壳程空间的一些口被封闭形成用于生物反应器的容器。但是，在所说生物反应器内的Starling′s流动将溶质带入或带出所说的壳程空间。根据产物分子的大小，可以使之反向透过膜，而纯化废物流，也可以在壳程空间收集，并间歇式或半连续式除去。

在所说方法的优选方案中，通过在一个非溶剂芯四周挤出聚合物溶液形成连续空芯圆筒，因此在圆筒的内部形成一皮层。通过使圆筒的外部与第二非溶剂接触，形成第二皮层。可以使用制成的空芯圆筒或空芯纤维束制成渗析装置。所说的非溶剂，最好是一种含有增大第一层，即内部皮层孔隙率的溶质的水溶液。所说空芯纤维的外表面可以与一种不同的非溶剂组合物接触，以形成具有不同溶质渗透率特性的第二皮层。

本发明的优选渗析装置用空芯的聚合物纤维膜制成，所说空芯聚合物纤维膜壁具有微孔结构，所说的微孔结构具有在其内外表面上整体形成的一层聚合物皮层。所说的外皮层筛选系数与内皮层的不同。本发明的精馏渗析装置为从血液等体液中除去所不希望的物质提供了一种手段，其中溶质从血液到渗析液中高速过滤，同时便从渗析液到血液所不希望的溶质的反过滤维持在一个相当低的速率之下。

本发明将在下列详细说明中参照附图作更为详细的说明，其中

附图1是说明制成本发明空芯纤维状的膜的方法的流程示意图：

附图2是实施本发明时使用的环状挤出模的剖面视图：

附图3是本发明过滤装置经部分剖视的一侧正视图；

附图4是说明假定在使用本发明过滤装置时存在的过滤机理，作了充分放大的示意图；

附图5和6是在电子显微镜下不同放大倍数时拍摄的本发明空芯纤维膜的剖面视图；

附图7是本发明生物反应器的一侧正视图；

现在更具体参照附图加以说明，附图1示意说明一种空芯纤维的纺丝系统60。聚合物在有机溶剂中的溶液62存放在容器64之中，借助于计量泵66将溶液62自容器64送到环形挤出模68内；按相似方式，将作为聚合物的非溶剂的凝聚剂溶液72盛装在第二容器70之中，并用另一台泵使其输送到模68之中。

非溶剂72和聚合物溶液62在两种溶液从所说模挤出而互相接触时，在所形成的界面63上互相反应，此反应决定了内部膜的最终结构和性能。

然后成型的挤出物通过空气间隙76之后落下，并进入含第二种非溶剂凝聚剂溶液80的浴78之中。该挤出物与第二溶液80之间的反应决定着外部膜的结构和性能。利用驱动辊82从浴78中将纤维拉出，必要时再经过一或多个附加浴84之后，从空芯纤维中完全提取出溶剂。经提取过的纤维最后被缠绕在一台多段卷绕机86上，然后干燥之。

将干燥过的纤维88切成一定长度，并置于壳室90中，用热固性树脂92将纤维88密封在所说壳室内，将此组装件装上端盖94和96，在壳室上也备有滤液的入口97和出口98。

图5和图6以放大的截面图形式说明本发明的一典型纤维88，它示出了内部的微孔结构83、内部皮层85和外部皮层87，外部皮层87的孔隙率不同于内部皮层85的。

总筛选系数是随同被过滤的流体穿过膜进入的溶质的分数，利用膜上游侧溶质浓度去除膜下游侧的溶质浓度算得。

对单皮层膜来说，总筛选系数等于所说皮层的筛选系数，其值为溶质穿过该皮层的分数。皮层本身的筛选系数仅仅取决于孔和溶质分子的相对尺寸。皮层越致密(即孔越小)，穿过它的给定分子的分数值就越小。

但是，对于双皮层膜来说，达到第二层表皮的溶质浓度取决于第一层皮层的特性和流动条件，所以总筛选系数既具有流动的属性又具有膜的属性。精馏膜的关键，即一个方向上的筛选系数不同于另一方向上的筛选系数，在于：一个方向上的流动导致溶质在所说膜的两个皮层之间积聚。

图4示意说明双皮层精馏膜88，其中外皮层12比内皮层14更致密。由于施加的压力梯度的结果使流体从内部流到外部。在这种情况下，进入膜88中心区16的部分分子当它们达到较致密的外皮层时被截留。膜内部浓度提高一直达到一个稳态值为止，在纤维外部流体20中的浓度也随之一起上升。纤维腔18中的浓度未变，所以总筛选系数与时俱増，达到一个高于仅有致密皮层12所能获得的稳态值为止。

如果同样的膜曝露在相反方向上的一个压力梯度下，而流体从外部流向内部，则溶质很难完全进入到膜之中，所以膜中无溶质积聚。在这种情况下，膜内部的浓度和膜下游侧的浓度都低，总筛选系数小于在另一方向上所获得的数值。

在本发明方法中可以使用各种聚合物制成空芯纤维膜。所说的聚合物必须至少溶于一种有机溶剂中和不溶于另一种与所说溶剂混溶的液体中。适用的聚合物实例有聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚偏二氟乙烯、聚丙烯和聚醚砜。适于这些聚合物的溶剂实例有N—甲基一2—吡咯烷酮、N，N′—二甲基甲酰胺、N—N′—二甲基乙酰胺和γ—丁内酯。优选的，可以用作凝聚剂或胶凝剂来形成所说皮层的非溶剂是水。其它适用的液体包括甲醇、乙醇—水混合物(如95或99.5体积％的乙醇水溶液)或异丙醇。为了使形成的皮层具有不同的孔隙率，可以在所说的非溶剂中加入各种物质，例如聚乙烯醇、三水缩四乙二醇、聚乙二醇、过氯酸盐和聚乙烯基吡咯烷酮。

本发明的一个重要优点是能够为被滤除液体的、具有定义窄的分子量范围的分子提供具有不同筛选系数的纤维膜。例如，所提供的纤维膜具有能够过滤在膜的一侧比另一侧分子量差为5000～10000的分子。通过适当改变孔隙率，也可以使筛选系数最佳化，使之适于过滤分子量范围为10000～15000或者甚至于15000～20000的分子。最佳化的获得方式是调节凝聚剂溶液的组成和所加掺杂剂的数量和类型，此外还有改变纺丝的条件(如流速、线速和空气间隙距离等等)。

    实施例

下列实施例详细说明按本发明生产和使用膜的诸优选方法。除非另外注明，否则全部份数均指重量份数而言。

    实施例1

采用图1和图2所示的纺丝系统和方法，按照表1所示出的配方和工艺条件制备了空芯纤维；按实施例3将这些纤维组装成试验组件，并按上述的操作测定了筛选系数。所制得纤维用于肌红蛋白的筛选系数，经测定为0.35(滤液径向向外流动时)和0.8(滤液向内流动时)。

               表I

聚合物                聚砜

溶剂                  N—甲基吡咯烷酮

纺丝溶液浓度          15克/100克

芯流液组成            异丙醇/水(15∶85)

沉淀浴液组成          异丙醇/水(2∶98)

洗涤浴液组成          水

空气间隙距离          1cm

线速度                18米/分

纺丝溶液流速          1.8C。C/分

芯流针孔直径          0.023cm

模具环状间隙           0.0089cm

实施例2

除了芯流液组成为异丙醇/水(10/90)和沉淀浴液是异丙醇/水(5/95)之外，其它按实施例1条件制备了空芯纤维膜。图5和图6分别是所得纤维膜在2000和400倍放大倍数下得到的扫描电子显微照片，图中表明与手指相似的结构从每个边界伸出并在壁的中部会合；经测定对肌红蛋白的筛选系数在向外流动滤液和向内流动时分别为0.45和0.90。

实施例3：试验方法

试验组件装配如下：在长约22cm、内径约0.6cm的一些微型渗析器壳体中封装入100根纤维，用聚氨酯封装每端大约1cm，使有效长度保留20cm，渗析液口设在距每端的封装材料大约1cm处。

使用一台血液渗析机配料系统用浓缩物制备了下列组成的标准渗析液：

      Na       134毫当量/升

      K        2.6毫当量/升

      Ca       2.5毫当量/升

      Mg       1.5毫当量/升

      Cl       104毫当量/升

      乙酸盐   36.6毫当量/升

      葡萄糖   2500毫当量/升肌红蛋白溶液是在每升渗析液中加入330mg肌红蛋白来制备的。使用肌红蛋白(分子量＝17000)作为B—2微球蛋白(分子量＝12000)等中等微球蛋白的标记物，因为它可以用分光光度法测量。

用注射器向腔内和滤液室内注入醇(异丙醇或乙醇)，然后用过量渗析液冲洗试验组件，关闭滤液口用泵通过腔打入250ml，然后打开一个滤液口再打入200ml。为了测量入口流速，关闭渗析液口，开启灌注泵至所需的速度(10.5ml/分)，利用定时收集法测量流出速度。

测量筛选系数时，将试验组件固定在垂直位置上，纤维与台用插头垂直。将灌注泵连接到一个入口贮罐上，从灌注泵引出的管线连接到底部集管上，废产品管连接到顶部集管上。关闭渗析液口，启动泵，将试验溶液抵达该装置的时刻定为零时。

在时间为零时，渗析液侧的原始溶液通过开启两个活栓而放出，然后关闭下渗析液口，当滤液室一充满就从上口取出零时刻的滤液样品；同时将出口腔样品收集在另一只烧杯中。直接从入口贮罐取入口腔样品。然后每隔3分钟收集滤液样品。在样品之间不要损失滤液。利用Gilford分光光度计测定每个样品的肌红蛋白含量。筛选系数按公式计算：

取样操作一直持续到所算出的筛选系数对三个连续取的样品为定值时为止。

本发明的生物反应器示于图7之中，其结构与图3所示的装置有些相似。但是在生物反应器中，纤维四周的空间89被壳90的内部和热固性树脂92所密封，并构成活细胞生长的一个反应容器。如图所示，口97和98或省略或能由阀99和100所关闭。根据设备尺寸，可以使产品反向透过膜88，并将废物流纯化，或者可以在构成所说反应容器的壳空间中收集，再从此可以将其以半连续式或间歇式地放出。

营养物、废产物和所需的生物产品透过膜的迁移可以通过扩散和／或对流方式进行。在空芯纤维内产生的轴向压力降造成starling′s流动，而在装置入口处从管侧向壳侧以及在装置出口处从壳侧向管侧产生对流作用。

一些典型的细胞需要昂贵的生长介质。其中可以含有10％的胎牛血清。使用精馏膜可以使血清成分通过膜到细胞，然后在壳程空间被富集，因而减小了所需介质的容积。这也降低了通过膜纯化产品的成本，因为纯化物流的容积较小。

也可以使用精馏膜直接富集产品。如果所需的产品由大于新陈代谢废物和营养物的分子组成，则精馏膜装置可以用于在壳程空间富集产品，同时可以使营养物达到细胞并且可以使废物被通过空芯纤维内部的流体物流洗出。

Claims (4)

1. 一种生物反应器，其中包括多根在其壁间具有微孔结构的双皮层空芯纤维聚合物膜，所述微孔结构具有与其内外表面整体形成的聚合物皮层，该微孔结构具有的孔可使分子量在5000至20000范围内的溶质以较高的浓度保留在内外皮层之间，该膜具有的对于含有在所述分子量范围内的分子的溶质的流体在一个方向流过的总筛选系数不同于对于此种流体在相反方向流过的总筛选系数，所述空芯聚合物膜以大体上是平行的取向定位在壳体之中，所述壳体的相对两端由封住所述纤维外部的聚合物树脂所构成，所述纤维的相对两端延伸穿过所述的聚合物树脂，所述纤维的外部和所述壳体的内部构成供活细胞生长的生物反应容器，

   与所述膜的内部流体流动相通的流体流入装置，

   与所述膜的另一端流体流动相通的流体流出装置，用于所述的流体的流出，

   经由所述容器的内部导入和放出流体用的通常被闭合的开口。
2. 2.根据权利要求1的装置，其中所述的纤维包括聚砜聚合物。

   一种从体液中除去不需要的物质的方法，其中包括

   提供一种渗析装置，其中包括多根以大体上是平行的取向定位在壳体中的双皮层空芯纤维聚合物膜，所述壳体的相对两端由封住所述纤维外部的聚合物树脂所构成，所述纤维的相对两端延伸穿过所述聚合物树脂，待渗析的液体的流入装置，所述的流入装置与所述膜的内部流体流动相通，以及与所述膜的其他端流体流动相通的流出装置，用于渗析后的所述的液体的流出，所述双皮层空芯聚合物膜在其壁内具有微孔结构，所述微孔结构具有与其内外表面整体形成的聚合物皮层，该膜具有的对于含有溶质的流体在一个方向流过的筛选系数不同于对于该相同流体在相反方向流过的筛选系数，一种第二流体流动路径，包括与所述壳体的内部流体流动相通的流入通道和流出通道，以便可以使渗析液在流动时与所说膜的外表面接触，

   使进行渗析的流体流过所说的纤维，

   使渗析液体流过所述的壳体与所述纤维的外部接触，从而使不需要的物质从所述的流体中除去，而不需要的物质从渗析液中反流到所述流体中的现象被减至最小。

   一种从液体中除去分子量在限定范围内的不需要的物质的方法，其中包括：

   提供一种过滤装置，其中包括多根以大体上是平行的取向定位在壳体中的双皮层空芯纤维聚合物膜，所述壳体的相对两端由封住所述纤维外部的聚合物树脂所构成，而所述纤维的两端延伸穿过所述的聚合物树脂，待过滤液体的流入装置，所述的流入装置与所述膜的内部流体流动相通，以及与所述膜的另外端流体流动相通的流出装置，用于过滤后所述的液体的流出，所述双皮层空芯聚合物膜在其壁内具有微孔结构，所述微孔结构具有与其内外表面整体形成的聚合物皮层，该膜具有的对于含有溶质的流体在一个方向流过的筛选系数不同于对于该相同流体在相反方向流过的筛选系数，

   使欲进行过滤的液体流过所述的纤维，

   使第二种液体流过所述的壳体与所述纤维的外部接触，从而使不需要的物质从所述的液体中除去，而所限定分子量范围的不需要物质从所述的第二液体向所述经过滤的液体中返流的现象减至最小。
3. 5.根据权利要求4的方法，其中所说的分子量范围选自5000～10000，10000～15000和15000～20000。
4. 6.根据权利要求4的方法，其中所说的被过滤的液体是人血，从中除去的不需要物质是β-2-微球蛋白或其它一些中等分子。

   一种生产生物制品的方法，其中包括将活细胞封入生物反应容器中，其中包括多根在其壁间具有微孔结构的双皮层空芯纤维聚合物膜，所述微孔结构具有与其内外表面整体形成的聚合物皮层，该微孔结构具有的孔可使分子量5000至20000范围内的溶质以较高的浓度保留在内外皮层之间，该膜具有的对于含有在所述分子量范围内的分子的溶质的流体在一个方向流过的总筛选系数不同于对于此种流体在相反方向流过的总筛选系数，所述空芯聚合物膜以大体上是平行的取向定位在壳体之中，所述壳体的相对两端由封住所述纤维外部的聚合物树脂所构成，所述纤维的相对两端延伸穿过所述的聚合物树脂，所述纤维的外部和所述壳体内部构成供活细胞生长的生物反应容器，

   与所述膜的内部流体流动相通的流体流入装置，

   与所述膜另一端流体流动相通的流体流出装置，用于所述的流体的流出，

   经由所述容器的内部导入和放出流体用的通常被闭合的开口，

   使含有所述细胞所需的养分的流体流过所述空芯膜以使所述养分经所述膜输送给所述细胞，

   废物经所述膜转移至所述流体，而从所述细胞中除去废物，随后，由所述容器中放出生物制品。

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