CN105498005B - 一种人工肝用去细胞支架生物反应器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工肝用去细胞支架生物反应器及其使用方法，包括生物反应器外壳、去细胞支架、填充支架及液体出入口；所述生物反应器外壳包括上部和下部，上部与下部均为中空结构，上部内的第一腔体与下部内第二腔体以螺纹连接构成圆柱形的内容腔；所述上部的顶部中间区域设置有内容腔液体出口，下部的底部中央区域设置有内容腔液体总入口；液体总入口分支成为第一液体入口和第二液体入口；所述第一液体入口连接至肝脏去细胞支架的液体入口；所述第二液体入口连接至填充支架；本发明可以模拟在体内灌流，灌流均匀，减少无效腔、死腔；能减少肝细胞所受剪切力，模拟肝细胞生长三维生长环境，增加生物反应器中的肝细胞总量。

Description

一种人工肝用去细胞支架生物反应器及其使用方法

技术领域

本发明属于生物医学技术领域，涉及一种医疗设备，具体是一种生物型人工肝或者混合型人工肝用去细胞支架生物反应器及其使用方法。

背景技术

肝衰竭内科保守治疗效果不佳，死亡率较高，人工肝是肝衰竭重要治疗手段，它包括非生物型人工肝、生物型人工肝和混合型人工肝：非生物人工肝只能在一定程度上暂时代偿肝脏的解毒作用，不能完全替代肝脏的合成、代谢功能以及生物转化功能，故其在改善慢性肝衰竭患者远期预后方面没有明显效果，因而更接近人体肝脏生理功能的生物型人工肝和混合型人工肝是目前研究的热点；生物反应器为肝细胞在体外提供良好的生存环境，并且是治疗对象的血浆与肝细胞进行物质交换的场所，是生物人工肝或混合型肝的核心装置；迄今中空纤维生物反应器是目前研究最多生物反应器，但其存在细胞分布不均匀，细胞粘附率低及活性差，半透膜阻塞等缺点，所以人们正在不断研发各种新型生物反应器；随着组织工程技术和材料科学的发展，人们发现多种人工合成材料，如半乳糖修饰大孔壳聚糖支架能够较好地促进体外肝细胞的生长和发挥功能；动物实验提示，以这些人工材料为基础构建支架型生物反应器，对肝衰竭有一定地疗效，然而这些支架型生物反应器也存在着许多缺陷，从而制约了其疗效的发挥，如容易形成无效腔、死腔、液流不均匀、液流阻力大等；近年来，人们发现将肝脏组织去细胞、保留血管结蹄组织腔道，从而变为生物支架，从门静脉系统中重新植入肝细胞后，并由门脉系统灌流培养液，液体可沿保留的血管腔道灌注；并且该类支架可为肝细胞提供模拟体内生长的三维生长环境，从而显著提高肝细胞的功能；将该“组织工程人工肝脏”移植给肝衰竭动物，显示出良好的治疗效果。这些突破为研制新型人工肝用生物反应器奠定了坚实基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可模拟体内肝脏血液灌流和肝细胞生长三维生长环境的人工肝用去细胞支架生物反应器及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种人工肝用去细胞支架生物反应器，包括生物反应器外壳、去细胞支架、填充支架及液体出入口；所述生物反应器外壳包括上部和下部，上部和下部之间的连接处采用螺纹连接；上部与下部均为中空结构，上部内的第一腔体通过上部螺纹与下部内第二腔体的下部螺纹以螺纹连接构成圆柱形的内容腔；所述上部的顶部中间区域设置有内容腔液体出口，下部的底部中央区域设置有内容腔液体总入口；液体总入口分支成为第一液体入口和第二液体入口；所述第一液体入口连接至肝脏去细胞支架液体入口，第一液体入口与去细胞支架的连接处安装有环形固定装置；所述第二液体入口连接至填充支架，填充支架孔隙率为90%，平均孔隙为100-200μm之间，所述填充支架为半乳糖修饰大孔壳聚糖支架。

作为本发明进一步的方案：所述生物反应器外壳呈圆柱形。

作为本发明再进一步的方案：所述液体出口处设置液体出口开关。

作为本发明再进一步的方案：所述液体总入口处设置液体总入口开关。

作为本发明再进一步的方案：所述第一液体入口和第二液体入口处均设置有用于控制第一液体入口和第二液体入口液体流量的液体入口阀门。

作为本发明再进一步的方案：所述肝脏去细胞支架液体入口为去细胞肝脏的门静脉及其分支、肝动脉或肝静脉及其分支。

作为本发明再进一步的方案：所述人工肝用去细胞支架生物反应器的使用方法包括以下步骤：

1）使用前对人工肝用去细胞支架生物反应器灭菌，在无菌的超净台或者百级实验室中拧开人工肝用去细胞支架生物反应器上部，使第二腔体敞开；向第二腔体内装载去细胞支架，使得肝脏去细胞支架液体入口与第一液体入口相连，并以环形固定装置将两者固定，防止漏液，去细胞支架装载完毕后将人工肝用去细胞支架生物反应器的上部与下部重新拧紧；

2）调节液体总入口开关及液体出口开关，使得第一液体入口关闭、第二液体入口开放，液体出口开放，通过血泵向人工肝用去细胞支架生物反应器内容腔内注入人工支架材料形成液，直至液面高于去细胞支架顶部，处理得到填充支架；

3）调节液体总入口开关及液体出口开关，使得第一液体入口开放、第二液体入口开关闭，液体出口开放，通过血泵从第一液体入口、肝脏去细胞支架液体入口向去细胞支架内注入所需量的肝细胞悬液或者肝细胞/间质细胞悬液；然后，调节液体总入口开关，使得第一液体入口关闭、第二液体入口开放，液体出口开放，通过血泵从第二液体入口向填充支架内注入所需量的肝细胞悬液或者肝细胞/间质细胞悬液，将装载有细胞的人工肝用去细胞支架生物反应器放入细胞培养箱中培养，并灌流细胞培养液，给细胞生长提供良好的环境，培养至细胞质和量达到治疗所需；

4）用生理盐水对管道进行液体预充，给予治疗对象注射生理盐水以弥补治疗时外流之血容量；

5）治疗开始后，治疗对象的动脉血经第一血液泵泵入血浆分离器，被分离出来的血浆进入氧合器进行氧合，获得氧分压后进入循环池的A腔，循环池的A腔中血浆由第三血泵泵入人工肝用去细胞支架生物反应器内部，调节液体总入口开关，对进入去细胞支架和填充支架的液体流速进行控制，治疗对象的血浆与去细胞支架和填充支架内的肝细胞进行物质交换后经液体出口流出，进入到循环池的B腔，循环池的B腔中部分血浆通过免疫吸附器后与直接通过血浆分离器的血液混合，经第二血泵由静脉端输回治疗对象体内；循环的B腔中另有部分血浆进入循环池的A腔中，由第三血泵泵入人工肝用去细胞支架生物反应器内部，使得部分血浆循环灌流于人工肝用去细胞支架生物反应器，以利于治疗对象的血浆与生物反应器中的肝细胞充分作用；

6）治疗即将结束时，进入血浆返回到治疗对象阶段时，停止从治疗对象动脉端引血；调整液体出口开关，使人工肝用去细胞支架生物反应器的内容腔与外界大气相通；调整第三血泵的方向，使得内容腔中的血浆返回循环池的A腔内；循环池的A腔和B腔中血浆通过免疫吸附器后经第二血泵，由静脉端输回治疗对象体内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中，生物反应器分为上部和下部，两部分通过螺纹紧密连接组合成反应器整体，这种开放式的结构可以更加方便地向反应器装载去细胞支架；上部和下部之间的螺纹衔接要起到密封作用，并能承受较大压力，防止液体从内容腔渗出；第一液体入口与取细胞支架的肝脏去细胞支架液体入口相连接，且连接处设置环形固定装置，使得二者更加紧密结合，防止漏液；由于去细胞支架保留了肝脏原有的血管结缔组织腔道，故血浆从肝脏去细胞支架液体入口进入支架，可以模拟在体内灌流，实现相对均匀的灌流，并且减少无效腔、死腔；此外，本发明利用人工填充支架材料填充反应器内容腔，既可以固定去细胞支架，减少肝细胞所受剪切力，又可以像传统支架型反应器一样为部分肝细胞提供生长环境，从而增加生物反应器中的肝细胞总量。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的上部结构示意图

图3为本发明中的下部结构示意图

图4为本发明中外接系统辅助装置示意图。

其中，1-液体出口；2-液体出口开关；3-生物反应器外壳；4-填充支架；5-肝脏去细胞支架液体入口；6-第二液体入口；7-液体总入口；8-液体总入口开关；9-第一液体入口；10-环形固定装置；11-连接处；12-去细胞支架；13-内容腔；14-上部；15-下部螺纹；16-第二腔体；17-下部；18-上部螺纹；19-第一腔体；20-治疗对象；21-第一血泵；22-血浆分离器；23-第二血泵；24-氧合器；25-免疫吸附器；26-第三血泵；27-人工肝用去细胞支架生物反应器；28-循环池。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～3，本发明实施例中，一种人工肝用去细胞支架生物反应器，包括生物反应器外壳3、去细胞支架12、填充支架4及液体出入口；所述生物反应器外壳3呈圆柱形，生物反应器外壳3包括上部14和下部17，上部14和下部17之间的连接处11采用螺纹连接；上部14与下部17均为中空结构，上部14内的第一腔体19通过上部螺纹18与下部17内第二腔体16的下部螺纹15以螺纹连接构成圆柱形的内容腔13；所述上部14的顶部中间区域设置有内容腔液体出口1，液体出口1处设置液体出口开关2；所述下部的底部中央区域设置有内容腔液体总入口7，液体总入口7处设置液体总入口开关8；液体总入口7分支成为第一液体入口9和第二液体入口6；第一液体入口9连接至肝脏去细胞支架液体入口5，第一液体入口9与去细胞支架12的连接处安装有环形固定装置10；所述第二液体入口6连接至填充支架4；所述第一液体入口9和第二液体入口6处均设置有用于控制第一液体入口9和第二液体入口6液体流量的液体入口阀门。

本发明中生物反应器外壳3采用生物相容性较好的有机材料构成，如透明的聚碳酸酯，生物相容性好，并且可以方便的观察储液池和内容腔13液面的高度。

本发明中，去细胞支架12为使用去细胞技术对人或动物的整个肝脏或者部分肝组织去细胞，保留血管及结缔组织腔道的生物支架，肝脏去细胞支架液体入口5为肝脏原有的血管组织，与生物反应器的第一液体入口9连接，液体从肝脏去细胞支架液体入口5进入去细胞支架12，可以模拟肝脏血流，对去细胞支架12进行灌流。

所述肝脏去细胞支架液体入口5为去细胞肝脏的门静脉及其分支、肝动脉或肝静脉及其分支。

所述去细胞支架12的内容腔13液体出口1设置在反应器顶部，液体总入口7设置在反应器底部，根据流体动力学原理，更利于液体流动。

所述填充支架4为生物相容性好，通过理化反应从液态转化为固态的支架材料，孔隙率为90%，平均孔隙为100-200μm之间，且液态固化过程中对去细胞支架12的结构影响小，例如半乳糖修饰大孔壳聚糖支架。

本发明中，去细胞支架12和填充支架4内容纳肝细胞或肝细胞/间质细胞，并为其生长提供良好的三维环境。

本发明的生物反应器体积可以按比例放大和缩小，以适应不同大小的去细胞支架12以及体重各异治疗对象；本发明的生物反应器还可采用多个反应器串联或者并联，以扩大治疗所需的肝细胞总量。

请参阅图4，以治疗重型肝炎患者为例，详细讲述本发明的使用方法：

1）使用前对人工肝用去细胞支架生物反应器27灭菌，在无菌的超净台或者百级实验室中拧开人工肝用去细胞支架生物反应器27上部14，使第二腔体16敞开；向第二腔体16内装载去细胞支架12，肝脏去细胞支架液体入口5与第一液体入口9相连，并以环形固定装置10将两者固定，防止漏液，去细胞支架12装载完毕后将人工肝用去细胞支架生物反应器27的上部14与下部17重新拧紧；

2）调节液体总入口开关8及液体出口开关2，使得第一液体入口9关闭、第二液体入口6开放，液体出口1开放，通过血泵向人工肝用去细胞支架生物反应器27内容腔13内注入人工支架材料形成液，直至液面高于去细胞支架12顶部，处理得到填充支架4；

3）调节液体总入口开关8及液体出口开关2，使得第一液体入口9开放、第二液体入口6开关闭，液体出口1开放，通过血泵从第一液体入口9、肝脏去细胞支架液体入口5向去细胞支架12内注入所需量的肝细胞悬液或者肝细胞/间质细胞悬液；然后，调节液体总入口开关8，使得第一液体入口9关闭、第二液体入口6开放，液体出口1开放，通过血泵从第二液体入口6向填充支架4内注入所需量的肝细胞悬液或者肝细胞/间质细胞悬液，将装载有细胞的人工肝用去细胞支架生物反应器27放入细胞培养箱中培养，并灌流细胞培养液，给细胞生长提供良好的环境，培养至细胞质和量达到治疗所需；

4）用生理盐水对管道进行液体预充，给予治疗对象20注射生理盐水以弥补治疗时外流之血容量；

5）治疗开始后，治疗对象20的动脉血经第一血液泵21泵入血浆分离器22，被分离出来的血浆进入氧合器24进行氧合，获得氧分压后进入循环池28的A腔，循环池28的A腔中血浆由第三血泵26泵入人工肝用去细胞支架生物反应器27内部，调节液体总入口开关8，对进入去细胞支架12和填充支架4的液体流速进行控制，治疗对象20的血浆与去细胞支架12和填充支架4内的肝细胞进行物质交换后经液体出口1流出，进入到循环池28的B腔，循环池28的B腔中部分血浆通过免疫吸附器25后与直接通过血浆分离器22的血液混合，经第二血泵23由静脉端输回治疗对象20体内；循环28的B腔中另有部分血浆进入循环池28的A腔中，由第三血泵26泵入人工肝用去细胞支架生物反应器27内部，使得部分血浆循环灌流于人工肝用去细胞支架生物反应器27，以利于治疗对象20的血浆与生物反应器中的肝细胞充分作用；

6）治疗即将结束时，进入血浆返回到治疗对象20阶段时，停止从治疗对象20动脉端引血；调整液体出口开关2，使人工肝用去细胞支架生物反应器27的内容腔13与外界大气相通；调整第三血泵26的方向，使得内容腔13中的血浆返回循环池28的A腔内；循环池28的A腔和B腔中血浆通过免疫吸附器25后经第二血泵23，由静脉端输回治疗对象20体内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种人工肝用去细胞支架生物反应器，包括生物反应器外壳(3)、去细胞支架(12)、填充支架(4)及液体出入口；其特征在于：所述生物反应器外壳(3)包括上部(14)和下部(17)，上部(14)和下部(17)之间的连接处(11)采用螺纹连接；上部(14)与下部(17)均为中空结构，上部(14)内的第一腔体(19)通过上部螺纹(18)与下部(17)内第二腔体(16)的下部螺纹(15)以螺纹连接构成圆柱形的内容腔(13)；所述上部(14)的顶部中间区域设置有内容腔液体出口(1)，下部的底部中央区域设置有内容腔液体总入口(7)；液体总入口(7)分支成为第一液体入口(9)和第二液体入口(6)；所述第一液体入口(9)连接至肝脏去细胞支架液体入口(5)，第一液体入口(9)与去细胞支架(12)的连接处安装有环形固定装置(10)；所述第二液体入口(6)连接至填充支架(4)，填充支架(4)孔隙率为90％，平均孔隙为100-200μm之间，所述填充支架(4)为半乳糖修饰大孔壳聚糖支架。

2.根据权利要求1所述的人工肝用去细胞支架生物反应器，其特征在于，所述生物反应器外壳(3)呈圆柱形。

3.根据权利要求1所述的人工肝用去细胞支架生物反应器，其特征在于，所述液体出口(1)处设置液体出口开关(2)。

4.根据权利要求1所述的人工肝用去细胞支架生物反应器，其特征在于，所述液体总入口(7)处设置液体总入口开关(8)。

5.根据权利要求1所述的人工肝用去细胞支架生物反应器，其特征在于，所述第一液体入口(9)和第二液体入口(6)处均设置有用于控制第一液体入口(9)和第二液体入口(6)液体流量的液体入口阀门。

6.根据权利要求1所述的人工肝用去细胞支架生物反应器，其特征在于，所述肝脏去细胞支架液体入口(5)为去细胞肝脏的门静脉及其分支、肝动脉或肝静脉及其分支。