CN104353142B

CN104353142B - 一种生物人工肝反应器

Info

Publication number: CN104353142B
Application number: CN201410516597.5A
Authority: CN
Inventors: 朱学仁; 朱羚
Original assignee: NANJING BO RUI BIOTECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANJING BO RUI BIOTECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: CN104353142A

Abstract

本发明提供一种生物人工肝反应器，该系统的设计为肝细胞提供了更近似于人体的生长代谢环境，为患者血液（血浆）与体外肝细胞相互作用，进行物质交换提供了仿生场所，为急性肝功能衰竭患者争取到宝贵时间。该系统包括罐盖、罐体和细胞培养室，所述细胞培养室设于罐体内，细胞培养室与罐体外壁之间形成储液池；储液池区域罐体底部有出液管，经泵与罐体进液管连通至细胞培养室，所述罐盖与罐体上口密封配合，罐盖上开有若干个功能孔；该反应器还设有加血浆管和出血浆管。

Description

一种生物人工肝反应器

技术领域：

本发明涉及生物医疗领域，是一种用于体外培养细胞、组织等生物体的生物反应器，具体讲是一种用于体外生物人工肝支持系统的核心装置。

背景技术：

肝脏作为人体最重要的器官之一，承担着合成、分泌、代谢、解毒等多种复杂的功能。一旦由于某种原因造成肝细胞大量坏死，将会出现肝衰竭，进而导致机体代谢紊乱和毒性物质堆积，而这反过来又造成肝细胞损伤加重，肝细胞再生受到影响，引起肝衰竭的恶性循环。人工肝治疗基于肝损伤的可逆性以及肝细胞的可再生性，通过体外辅助装置暂时替代衰竭的肝脏功能，从而为肝移植或自体肝细胞再生赢得时间。

体外生物人工肝支持系统主要由生物反应器和细胞材料组成，生物反应器是生物人工肝的核心设备，为肝细胞提供良好的生长代谢环境，是患者血液（血浆）与体外肝细胞相互作用、进行物质交换的场所。

国内外学者一直非常重视生物反应器的研究，相继提出多种设计思想与方案，使其性能不断改进，总体来说，目前的生物反应器大致分为中空纤维生物反应器、平板单层生物反应器、灌注床生物反应器和包被悬浮生物反应器4类。单层平板式生物反应器因存在死腔、“放大”困难已趋于淘汰。中空纤维式反应器既可用于培养，又可直接用于生物人工肝治疗，且在免疫阻隔和物质传输上具有明显优势，因而被广泛应用。但该反应器的中空纤维膜材料大多数为借用血液净化的半透膜材料，与肝细胞相容性较差，培养过程中，细胞分布不均、缺氧、交换效率低。

发明内容：

本发明提供一种生物人工肝反应器，该反应器的设计为肝细胞培养提供了更优的生长代谢环境，为患者血液（血浆）与体外肝细胞相互作用，进行物质交换提供了更优的场所，可以长时间保持细胞的活性与功能，特别能为急性肝功能衰竭患者争取到宝贵时间，解决了目前国内国际已有生物人工肝反应器所存在的问题，是生物人工肝反应器的一个创举。

本发明的具体技术方案如下：

一种生物人工肝反应器，包括罐盖、罐体和细胞培养室，所述细胞培养室设于罐体内，细胞培养室与罐体外壁之间形成储液池，储液池区域罐体底部有出液管，经泵与罐体进液管连通至细胞培养室，所述罐盖与罐体上口密封配合，罐盖上开有若干个功能孔；该反应器还设有加血浆管和出血浆管；

所述细胞培养室包括细胞培养室筒体，细胞培养室筒体内设有上、下滤网，细胞培养室筒体与罐体底部之间密封连接或为一体结构，顶部之间留有空隙。

本发明的进一步设计在于：

细胞筒体于下滤网下方还设有分流板，细胞培养室筒体下部的分流板至罐体底面之间形成缓冲室，进液管在缓冲室下方。

所述加血浆管由罐体上口插入至罐体底部且对应出液管位置，加血浆管下口与出液管上口之间留有间隙，出液管下口经蠕动泵与进液管连接；

或者，所述加血浆管设于罐体外，加血浆管经蠕动泵直接与进液管相连；

或者，在罐体的一角部设有一下位式腔体，该腔体位置低于罐体底部位置，形成小储液池，所述出液管对应设于该腔体底部，所述加血浆管由罐体上口插入该腔体内且对应出液管位置，并在加血浆管下口与出液管上口之间留有间隙，出液管下口经蠕动泵与进液管连接。

细胞培养室筒体内于上、下滤网之间设有多组支架和间隔环，支架及间隔环的外径与细胞培养室内径相同，每组支架的上层为螺旋聚酯纤维层，下层为聚酯网格布层，且支架上开有规则或不规则的若干孔，支架和间隔环采用间隔交错式排布，各支架间形成间隔腔；

或者，细胞培养室筒体内于上下滤网之间填充微载体或片状载体，进行细胞培养。

细胞培养室筒体上部还采用瀑布板式结构。

所述罐体底部内设有快装接口，细胞培养室底部通过该快装接口与罐体底部密封连接。

所述罐体为圆柱体或多边体型，罐体外围设有加热装置，加热装置采用夹套水循环加热方式或电加热毯加热方式。

所述罐盖上的功能孔有血浆进口、血浆出口、第一氧气进口、第二氧气进口、氧气出口、加肝细胞口、补营养液口、pH电极接口、DO电极接口、液位传感器接口和温度传感器接口；相应pH电极和DO电极采用非浸入式光学电极。

所述第一氧气进口上装有通入罐内的进气管；罐体内壁上装有无气泡供氧膜，第二氧气进口与罐体中的无气泡供氧膜连接；加肝细胞口上装有加细胞管，加细胞管经罐盖的功能孔、滤网上的插孔，插入各层支架中；罐体底部出液管通过电磁阀与血浆自动采集分析系统连接；罐盖上补营养液口与营养液自动补加系统连接，两系统通过控制系统关联控制，所述罐体底部蠕动泵出口处还装有换液阀。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、本发明的生物人工肝反应器在罐体主体中设置细胞培养室，属国内外首创，其巧妙设计，既简化反应器的结构，也利于细胞生长代谢。

2、本发明将储液池与细胞培养室设计在同一个反应器内，可以缩短血浆管道通路，加快血浆循环速度，可使血浆与肝细胞充分进行物质交换。

3、本发明中的支架设计，具有三维生长空间，有利于细胞贴壁集聚成球，可促使肝细胞分泌活性物质，增加疗效。

4、本发明采用水循环夹套加热控温装置，可对培养液（血浆）进行精确控温。

5、本发明采用瀑布流和无气泡膜供氧，可以很容易的排出血浆中的CO₂，增加血浆中的DO，省去了氧合器。

6、本发明设计的血浆循环系统，可以使流入反应器的血浆直接进入肝细胞循环培养系统，可避免血浆的无效循环。

7、本发明采用在位检测培养液（血浆）的pH、DO、温度、液位,可实现自动控制，为肝细胞的生长提供了稳定的生长环境，且采用非浸入式光学电极，保证了治疗过程中的生物安全性。

8、本发明的加细胞装置，采用上下移动方式可将肝细胞送入细胞培养室的各层中。

9、本发明采用血浆自动采集分析系统与营养液自动补加系统联动可实现操作全自动化，可及时补充肝细胞生长所需养分，延长肝细胞寿命，提高治疗效果。

附图说明：

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例四的结构示意图。

图3为本发明实施例七的结构示意图。

图4为本发明实施例九的结构示意图。

图5为图4中罐盖的接口示意图。

图中：1-罐体；2-细胞培养室；3-罐盖；4-出血浆管；5-加血浆管；6-出液管；7-进液管；8-蠕动泵；9-小储液池；10-支架；11-间隔环；12-分流板；13-缓冲室；14-上滤网；14’-下滤网；15-瀑布板；16-换液阀；17-培养室筒体；18-夹套；19-水循环控温系统；20-营养液自动补加系统；21-温度传感器接口；22-血浆出口；23-排气口；24-补营养液口；25-第一氧气进口；26-第二氧气进口；27-血浆进口；28-加肝细胞口；29-PH电极接口；30-DO电极接口；31-液位传感器接口；32-细胞加入杆；33-电磁阀；34-回流泵；35-解毒舱；36-透析舱；37-血浆自动采集分析系统。

实施例一：

如图1所示，本发明的生物人工肝反应器，包括罐盖3、罐体1和细胞培养室2，罐盖3与罐体1上口密封配合，细胞培养室2设于罐体1内，细胞培养室2与罐体1之间形成储液池，细胞培养室与罐体底部之间密封连接，或与罐体为一体式结构，与罐体顶部之间留有空隙，罐盖3上开有若干个功能孔；该反应器还设有加血浆管5和出血浆管4，加血浆管5和出血浆管4各通过罐盖的一功能孔插入至储液池内。

细胞培养室2包括培养室筒体17，培养室筒体17内设有上滤网14、下滤网14’，用于阻止培养室内的细胞外溢。上、下滤网的孔径应小于培养细胞的大小。储液池区域罐体底部连接有出液管6，培养室筒体17底部对应的罐体底部设有进液管7，加血浆管5由罐体上口插入至罐体底部且对应出液管6位置，加血浆管5下口与出液管6上口之间留有间隙，间隙可为3-10mm可调，出液管6下口经蠕动泵8与进液管7连接，由此血浆可在罐内实现多次反复循环，避免无效血浆输回人体。

实施例二：

本实例在实施例一基础上，在罐体的一角部设有一下位式腔体。该腔体位置低于罐体底部位置，并与罐体为一体式结构，由此形成小储液池9。相应地，出液管对应设于该腔体底部，加血浆管由功能口插入该腔体内且对应出液管位置，并在加血浆管下口与出液管上口之间留有间隙（所述间隙可为3-10mm可调），出液管下口经蠕动泵与进液管连接。其余结构同实施例一。

实施例三：

本实例在实施例一基础上，变换了加血浆管的设置，加血浆管设于罐体外，加血浆管经蠕动泵直接与进液管相连，这样可以直接将血浆泵入细胞培养室内参与细胞反应。其余结构同实施例一。

实施例四：

如图2所示，在实施例二的基础上，本发明生物人工肝反应器，细胞培养室筒体内于上、下滤网之间设有多组支架10和间隔环11，培养室筒体17内下滤网14’的下部还设有分流板12。分流板12至罐体底面之间形成缓冲室13，罐体底部的出液管6对应该缓冲室位置。每组支架10的上层为螺旋聚酯纤维层，下层为聚酯网格布层，支架10和间隔11环采用间隔交错式排布，支架间形成间隔腔，其目的是保证血流到这里得到缓冲，从而改变血流方向，还有利血浆充分与支架上肝细胞的接触，同时增加肝细胞生长空间；罐体底部内设有快装接口，培养室底部通过该快装接口与罐体底部密封连接，或与罐体为一体式结构；由聚酯材料加工而成的支架10上开有若干孔，孔形可为圆形、长方形、菱形等规则或不规则形状，该多孔的支架设计，可防止细胞长满阻止血浆流动；根据开孔的形状和开孔率可调整肝细胞成片生长的形态。支架10及间隔环11的外径与培养室筒体17内径相当。

实施例五：

在实施例二的基础上，本发明生物人工肝反应器中培养室的内部还可以采用多种结构形式。即在培养室筒内上下滤网之间放置平板或载体（微载体或片状载体等）培养细胞。

实施例六：

在实施例四的基础上，本发明生物人工肝反应器中，培养室筒体顶部还采用瀑布板式构造，以便于溢出的血浆沿瀑布板落下呈雨淋状分布，利于气液交换，增加溶氧量。该瀑布板可采用环形板，连接在细胞培养室顶部外圈，该瀑布板式为孔板或无孔板。无气泡供氧方式一，采用与反应器罐盖第一氧气进口进入的氧气充分接触，形成气液交换室，此时，罐内的血浆液位可以由控制系统自由设定控制，血浆液位可以控制在低于培养室高度的范围内，也可以控制血浆液位高于培养室高度。无气泡供氧方式二，采用培养室罐盖第二氧气口与罐体内壁的无气泡供氧膜连接进行无气泡供氧，无气泡供养方式可以排出血浆中的CO₂，增加血浆中的DO，实现血浆的无气泡增氧，两种方式可以根据需氧量单独使用或同时进行。

实施例七：

如图3所示，在实施例六的基础上，本发明生物人工肝反应器中，罐体1形状优选为圆柱型，罐体1外围有加热装置，加热装置采用夹套水循环加热，夹套水循环加热方式设有包覆在罐体外圈的夹套18，夹套18上有出水口，下有进水口，进出水口与恒温水箱19相连，用来控制反应器中血浆温度，恒温箱19温度由系统的控制器进行控制。

实施例八：

在实施例六的基础上，本发明生物人工肝反应器中，罐体外围有加热装置还可以采用电加热毯加热。

实施例九：

如图4、图5所示，本实例在实施例一的基础上，本发明生物人工肝反应器中，罐盖的功能孔可以包括血浆进口27，血浆出口22，第一氧气进口26、第二氧气进口25、氧气出口23，加肝细胞口28、补营养液口24、pH电极接口29、DO电极接口30、液位传感器接口31、温度传感器接口21。

血浆进口22装有进血浆管，第一氧气进口26上装有进气管通入罐内，第二氧气25进口上装有进气管与罐体中的无气泡供氧膜连接，加肝细胞口28上装有加细胞装置（可以为上下移动杆式加细胞装置），补营养液口24上连接有自动补液装置，pH和DO电极采用非浸入式光学电极，保证了治疗过程中的生物安全性。

由此，患者的血液经分离器分离后血浆经进血浆管从储液池下面的出液管经过蠕动泵与罐体底部进液管相连，直接进入细胞培养室，由下而上从细胞培养室溢出至储液池，形成一个肝细胞循环培养系统，可使进入的血浆尽可能多的参与生物循环，使其获得充分的解毒及代谢作用，后经血浆泵由出血浆管泵出，经过滤舱、透析舱与血浆分离器的血细胞汇合回输人体。循环系统中罐体底部泵出口装有电磁阀33，电磁阀33与血浆自动采集分析系统37连接，通过控制系统与营养液自动补加系统关联，进行自动补液，自动添加培养肝细胞所需的各种物质。循环系统中罐体底部泵出口还连接有换液阀16，用于换液。罐盖上各传感器与执行机构及控制器相连，可自动控制反应器中血浆的pH、DO、液位、温度，提供了稳定的肝细胞微生长环境。

以上实例中，集中了肝细胞循环培养系统、血浆循环系统、无气泡供氧系统、换液系统、水循环控温系统，营养液自动补加系统、血浆自动采集分析系统、工艺参数自动控制系统。本发明生物人工肝反应器是一种性能和结构与正常肝脏更加近似的新一代仿生生物反应器，大大提高了生物人工肝系统的治疗效果。

本发明装置亦可用于其它细胞的培养。

以上所述仅为本发明的一个具体实施方式，不构成对本发明的任何限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种生物人工肝反应器，其特征是：包括罐盖、圆柱体罐体和细胞培养室，所述细胞培养室设于罐体内，细胞培养室与罐体外壁之间形成储液池，储液池区域罐体底部有出液管，经泵与罐体进液管连通至细胞培养室，所述罐盖与罐体上口密封配合，罐盖上开有若干个功能孔；该反应器还设有加血浆管和出血浆管；

所述细胞培养室包括细胞培养室筒体，细胞培养室筒体内设有上、下滤网，细胞培养室筒体与罐体底部之间密封连接或为一体结构，顶部之间留有空隙；

所述加血浆管由罐体上口插入至罐体底部且对应出液管位置，加血浆管下口与出液管上口之间留有间隙，间隙为3-10mm可调，出液管下口经蠕动泵与进液管连接；

细胞培养室筒体内于上、下滤网之间设有多组支架和间隔环，支架及间隔环的外径与细胞培养室内径相同，每组支架的上层为螺旋聚酯纤维层，下层为聚酯网格布层，且支架上开有规则或不规则的若干孔，支架和间隔环采用间隔交错式排布，各支架间形成间隔腔。

2.根据权利要求1所述生物人工肝反应器，其特征是：

细胞培养室筒体于下滤网下方还设有分流板，细胞培养室筒体下部的分流板至罐体底面之间形成缓冲室，进液管在缓冲室下方。

3.根据权利要求2所述生物人工肝反应器，其特征是：

细胞培养室筒体上部还采用瀑布板式结构。

4.根据权利要求1所述生物人工肝反应器，其特征是：

5.根据权利要求1-4任一项所述生物人工肝反应器，其特征是：

所述罐盖上的功能孔有血浆进口、血浆出口、第一氧气进口、第二氧气进口、氧气出口、加肝细胞口、补营养液口、pH电极接口、DO电极接口、液位传感器接口和温度传感器接口。

6.根据权利要求5所述生物人工肝反应器，其特征是：

所述第一氧气进口上装有通入罐内的进气管；罐体内壁培养基里面装有无气泡供氧膜，第二氧气进口与罐体中的无气泡供氧膜连接；加肝细胞口上装有加细胞管，加细胞管经罐盖的功能孔、滤网上的插孔，插入各层支架中；罐体底部出液管通过电磁阀与血浆自动采集分析系统连接；罐盖上补营养液口与营养液自动补加系统连接，两系统与控制系统相连，所述罐体底部蠕动泵出口处还装有换液阀。