CN103566421B - 一种人工肝用磁场流化床载微囊反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人工肝用磁场流化床载微囊反应器，包含装载有微囊化肝细胞的流化床反应器，微胶囊内包埋有磁介质微粒，在外磁场的作用下，施加于微胶囊与流体曳力方向相反的磁场力，可以显著增加微胶囊的随流体带出的夹带速度，能够在较大流速范围内维持微胶囊在反应器内的悬浮状态，有效解决微胶囊‑流化床反应器因为微胶囊比重小、体积小而易被流体带出、操作流速小、反应器设计体积大等问题；能在较高流速及高肝细胞密度条件下实现较好的物质混合与物质交换，从而最大限度地发挥人工肝的治疗作用。另外，通过调节外磁场大小，可以实现在不同流体粘度和密度条件下形成可控的稳定流化。

Description

一种人工肝用磁场流化床载微囊反应器
技术领域
本发明涉及一种医疗设备，特别是一种临床治疗急性肝衰竭的生物型人工肝或者混合型人工肝支持系统的核心装置：磁场流化床载微囊人工肝反应器。
背景技术
人工肝支持系统，是体外的机械或者理化装置，负担起暂时辅助或完全代替衰竭肝脏的功能，清除各种有害物质，代偿肝脏的代谢功能，帮助患者肝脏恢复再生或桥接过渡到肝脏移植期。而载有高活性肝细胞的生物型人工肝能有效的执行肝脏合成、转化等功能，是人工肝未来发展的方向。生物反应器是生物型人工肝的核心部件，其基本要求：1.高细胞装载密度和高活性；2.高通量的物质交换；3.良好的免疫隔离作用。目前应用最多的中空纤维膜生物反应器，其优点是有较大的比表面积，便于代谢物的转运，且反应器死腔较小，但由于肝细胞在反应器中分布不均，反应器不易放大，同时细胞在反应器内大多以平面粘附或者单细胞悬浮状态存在，因而无法形成三维的类组织化结构，细胞生物活性较差。
微胶囊技术通过将细胞包埋在具有半渗透性的聚合物膜内，既能保护肝细胞免受免疫攻击，又能保证良好的物质交换。同时，球形微胶囊具有更大的传质比表面，又能给细胞提供三维的生长环境，结合合适的装载容器，较容易构建装载方便、易放大的人工肝反应器系统。目前研究较多的载微囊人工肝反应器有微囊-固定床反应器和微囊-流化床反应器。微囊-固定床反应器具有较高的细胞装载密度和较大的操作流速范围，血浆流量大，但是微胶囊水凝胶体系压力敏感，文献报导（David,B.Int.J.Artif.Organs 2006）2.4~10kPa压力下40%的微胶囊将产生形变，而由粒径500um左右的微胶囊填充形成的高10cm的床层，在0.2cm/s的操作流速下产生的柱压约为10kPa，因而会导致微胶囊形变堵塞床层，柱压上升，操作流速下降，同时高剪切力和持续的柱压力易造成微囊破碎。微囊-流化床反应器传质均匀，剪切力小，柱压低，不易形成固有通道和灌注死腔，但是由于微胶囊体积小、比重（1.04g/mL）与血浆接近，因而容易被液体带出，流化操作速率很低，血浆流量小。另外，流化操作时形成较大的空隙率，使反应器的设计体积增大、肝细胞的装载密度下降。
肝细胞代谢作用旺盛，对氧等营养物质需求大，肝细胞耗氧速率约为0.59~0.70nmol/106cells/s，按治疗所需细胞量109计，满足细胞所需耗氧量的血浆流量应在160ml/min以上，而人体肝脏血液流量约为1.5L/min，可见生物型人工肝要达到理想的效果，则要求较高的血浆流量。由于肝衰竭患者对血液体外循环总体积有一定的耐受上限，因而反应器设计体积不宜过大。可见，较为理想的载微囊人工肝反应器应该能满足高的血浆流量，同时具有较小的设计体积，而微囊-固定床反应器和微囊流化床反应器虽然有各自优势，但都不能完全满足上述要求，因此需要开发新型反应器及人工肝系统，具有高的细胞装载密度和较小的反应器设计体积；具有较高的血浆流量，能够实现细胞与血浆（血液）良好的物质交换，提供肝细胞充足的营养物质（包含氧），并且肝细胞分泌的功能分子能及时进入血浆（血液）发挥作用；能较长时间保持细胞生长代谢活性；能保护细胞免受剪切和免疫杀伤等。另外由于患者血液流变力学不尽相同，治疗时相对应的操作条件有所差异，在保证血浆流量的前提下进行可控调节很有必要。
发明内容
因此，本发明设计的一种人工肝用磁场流化床载微囊反应器，通过在微胶囊内包埋适量磁介质微粒，在外磁场的作用下，有效维持微胶囊在反应器内的悬浮状态，从而能满足人工肝反应器所需血浆流量，减少反应器设计体积，增加细胞装载密度；同时避免了固定床反应器床层压降大、易堵塞、微胶囊破碎等问题，能够实现在不同流体粘度和密度条件下形成可控的稳定流化。
本发明采用的技术方案为：
一种人工肝用磁场流化床载微囊反应器，包括流化床反应器，磁场发生装置，其中流化床反应器内装载包埋有肝细胞的微胶囊，微胶囊内包埋有磁介质微粒，微胶囊在磁场发生装置产生的外磁场作用下，形成可控的稳定流化。
所述人工肝用磁场流化床载微囊反应器，所述的磁场流化床载微囊反应器包括流化床反应器，流化床反应器内装载包埋有肝细胞的微胶囊，微胶囊内包埋有磁介质微粒，对外加磁场具有磁响应。
所述人工肝用磁场流化床载微囊反应器，所述的磁介质包括铁、镍、钴以及包含这些元素的合金等铁磁性物质和铁氧化合物、锰等顺磁性物质。
所述人工肝用磁场流化床载微囊反应器，所述的磁介质微粒，其粒径在10nm~100μm，其在微胶囊内包埋的体积分数在0.1‰~10%。
所述人工肝用磁场流化床载微囊反应器，所述的磁场发生装置包括磁石等永磁装置和电磁线圈等电磁装置。
所述人工肝用磁场流化床载微囊反应器，所述的磁场发生装置，所产生的磁场为均匀磁场或梯度磁场。均匀磁场的大小为：10mT~1T;梯度磁场大小为：100mT/m~10T/m。
所述人工肝用磁场流化床载微囊反应器，所述的磁场大小可调节，可以在不同流体粘度和密度条件下实现可控的稳定流化。
本发明公开了一种人工肝用磁场流化床载微囊反应器，包含装载有微囊化肝细胞的流化床反应器，微胶囊内包埋有磁介质微粒，在外磁场的作用下，施加于微胶囊与流体曳力方向相反的磁力，可以显著增加微胶囊的随流体带出的夹带速度，能够在较大流速范围内维持微胶囊在反应器内的悬浮状态，增加微胶囊在流化床中的滞留能力，有效解决微胶囊-流化床反应器因为微胶囊比重小、体积小而易被流体带出、操作流速小、设计体积大等问题；同时磁介质和磁场的引入能增加微胶囊之间的相互作用，使床层更加紧凑均一，减少固相返混和灌注死腔，使流化床兼具固定床固液相充分接触交换的优点，同时又避免微囊-固定床反应器因为微胶囊体积小、压力敏感而造成的床层压降大、易堵塞、微胶囊破碎等问题；能在较高流速及高肝细胞密度条件下实现较好的物质混合与物质交换，从而最大限度地发挥人工肝的治疗作用。另外，通过调节外磁场大小，可以实现在不同流体粘度和密度条件下形成可控的稳定流化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，其中：1为流化床反应器；2为包埋有肝细胞的微胶囊，内部包埋适量的磁介质微粒，对外磁场有磁相应；3为磁场发生装置。
图2为磁性和非磁性微胶囊的光学显微镜下形态，左边为非磁性微胶囊，右边为磁性微胶囊。
图3为微胶囊免疫隔离性检测，左侧为非磁性微胶囊及微囊内外荧光强度分布，右侧为磁性微胶囊及微囊内外荧光强度分布。
图4为粒径400μm的磁性和非磁性微胶囊流化时，其床层高度随操作流速变化。
具体实施方式
如图1所示，一种人工肝用磁场流化床载微囊反应器，包括流化床反应器，磁场发生装置，其中流化床反应器内装载包埋有肝细胞的微胶囊，微胶囊内包埋有磁介质微粒，微胶囊在磁场发生装置产生的外磁场作用下，形成可控的稳定流化。
所述的磁场发生装置为所述永磁装置为磁石，电磁装置为电磁线圈或电磁铁，处于反应器两端（反应器内流体流动方向的两端）或者套于流化床反应器腔外。
实施例
磁性载肝细胞微胶囊制备：磁介质微粒为Fe3O4微球，粒径100nm~300nm，肝细胞和1.5%海藻酸钠混悬，细胞密度1×107~1×108cells/ml，应用高压静电制备仪滴入质量浓度1.1%的CaCl2溶液中，形成的海藻酸钙胶珠与质量浓度0.05%的聚赖氨酸溶液反应成膜。
未包埋磁介质载肝细胞微胶囊（非磁性微胶囊）制备：方法如前，肝细胞和1.5%海藻酸钠混悬，应用高压静电制备仪滴入质量浓度1.1%的CaCl2溶液中，形成的海藻酸钙胶珠与质量浓度0.05%的聚赖氨酸溶液反应成膜。
制备的磁性微胶囊如附图2，磁性微胶囊在粒径、成膜性能、机械强度方面与未包埋磁介质微囊无显著性差异。
微胶囊免疫隔离性检测：用FITC标记的免疫球蛋白IgG溶液，浸泡微胶囊24小时，用激光共聚焦检测微胶囊内外荧光强度，结果如图3，磁性微胶囊与非磁性微胶囊均能将荧光标记的免疫球蛋白IgG隔离在微胶囊外部，制备的磁性微胶囊与非磁性微胶囊均具有良好的免疫隔离性。
流化床反应器：反应器的反应腔室为 柱形玻璃管，上下两端口设有50~100μm的软质筛网，微囊化细胞从上端装载，上下带密封圈的法兰封闭反应器。
磁场发生装置：由四个环形线圈组合而成，线圈套于反应器腔外，从上至下，线圈间距离为：1.5cm、4cm、1.5cm；线圈骨架内径80mm，导线内径0.5mm，绕制2000圈，电源为150W直流电源，可在 区域产生均匀梯度磁场，最大磁场梯度为0.6T/m。
磁场流化床反应器流化状态：粒径为400μm的磁性和非磁性微胶囊，分别进行流化，初始填充高度1cm，其床层高度随操作流速变化见附图4，磁性微胶囊在0.5T/m的外磁场作用下，相同流速下其床层膨胀度明显减少，流化床的操作流速范围增大。非磁性微胶囊在0.05cm/s的操作流速下床层高度膨胀至原来的6倍，而在外磁场的作用下，磁性微胶囊在0.05cm/s操作流速下，床层高度仅膨胀了1.5倍，而操作流速达0.2cm/s，床层高度膨胀至原来的2.5倍，可见磁场流化床载微囊反应器增大操作流速范围，减少反应器的设计体积。另外，通过调节直流电源电流大小，在0.2T/m的磁场梯度下，0.05cm/s操作流速下床层膨胀高度为起始高度的2.4倍，在0.1T/m的磁场梯度下，0.05cm/s操作流速下床层膨胀高度为起始高度的3.3倍，由此可见，磁场流化床载微囊反应器可以根据操作条件需要，实现可控的稳定流化。

Claims (7)

1.一种人工肝用磁场流化床载微囊反应器，包括流化床反应器(1)，磁场发生装置(3)，其中流化床反应器内装载包埋有肝细胞的微胶囊(2)，微胶囊内包埋有磁介质微粒，微胶囊在磁场发生装置产生的外磁场作用下，形成可控的稳定流化；
磁场发生装置(3)设置于流化床反应器(1)的反应腔室外和/或内；
所述的磁场发生装置包括永磁装置和与直流或交流电源相连的电磁装置；
所述的磁场发生装置，所产生的磁场为均匀磁场或梯度磁场。
2.按照权利要求1所述人工肝用磁场流化床载微囊反应器，其特征在于：包埋有肝细胞的微胶囊(2)的装填于流化床反应器的反应腔室内；所述微胶囊内包埋有磁介质微粒，对外加磁场具有磁响应；
所述的磁介质包括铁磁性物质或顺磁性物质中的一种或多种。
3.按照权利要求2所述人工肝用磁场流化床载微囊反应器，其特征在于：所述的磁介质微粒，其粒径在10nm～100μm；
所述铁磁性物质为铁，镍，钴，或包含铁、镍、钴元素中一种或二种以上的合金；顺磁性物质为铁氧化合物、或锰。
4.按照权利要求3所述人工肝用磁场流化床载微囊反应器，其特征在于：所述的磁介质微粒，其在微胶囊内包埋的体积分数占微胶囊内总体积的0.1‰～10％。
5.按照权利要求1所述人工肝用磁场流化床载微囊反应器，其特征在于：所述永磁装置为磁石，电磁装置为电磁线圈或电磁铁。
6.按照权利要求1所述人工肝用磁场流化床载微囊反应器，其特征在于：均匀磁场的大小为：10mT～1T；梯度磁场大小为：100mT/m～10T/m。
7.按照权利要求1、5或6所述人工肝用磁场流化床载微囊反应器，其特征在于：所述的磁场大小可调节，可以在不同流体粘度和密度条件下实现可控的稳定流化。
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