CN106540345A - 一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，包括生物反应器本体(7)，所述生物反应器本体(7)内设置有第一级中空纤维束(8)、第二级中空纤维管(12)、营养供给系统(13)和毒素清除系统(14)，所述第一级中空纤维束(8)的入口通过生物反应器的上端管路(6)与动脉壶(4)出口连接，所述动脉壶(4)入口连接有连接病人动脉的管道(1)，所述第一级中空纤维束(8)的出口通过流出管(10)与静脉壶(11)连接，所述连接病人动脉的管道(1)上设置有血泵(2)和抗凝剂注射泵(3)。本发明使用了四种不同孔径、不用功效的中空纤维，使生物反应器成为一个动态的循环系统。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种生物技术领域的医疗器械，具体为一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器。
背景技术
肝脏是人体一个极为重要的排泄废物和物质解毒器官，其还具有生物合成、代谢和分泌细胞内活性物质等功能。人工肝的研究由最初的非生物人工肝发展到现在的生物人工肝和混合生物人工肝，其关键技术是生物反应器。
目前生物反应器主要为平板单层式生物反应器、中空纤维生物反应器、灌注床生物反应器和包被悬浮生物反应系等几类。目前研究与应用最广泛的是中空纤维型生物反应器,其在免疫阻隔和物质传输上具有明显优势,技术相对成熟，但也不能完全杜绝病毒逆转录的风险。许多作者进一步研制了多种模式的如多腔共轴中空纤维型和氧合中空纤维型生物反应器，此类反应器在结构设计上能将肝细胞营养和氧气供应较好的结合。常用的培养系统是利用半透膜将肝细胞包在囊内形成微囊肝细胞培养系统或应用生物凝胶、聚氨酯泡沫等细胞外基质材料构建类似于体内的三维结构球形聚集肝细胞的生长环境，可促进肝细胞的生长和维持代谢，同时能提供白蛋白合成、氨代谢等功能，且冻存后仍能保持肝细胞的活性。但目前的生物反应器都是存在着各种不足：①传统的中空纤维反应器细胞生长空间不足、分布不匀、细胞粘附性差；②半透膜屏障或胶原层会影响无物质的交换率；③直接在生物反应器上加热，易致热传导不均匀，影响所培养的细胞活性和存活率；④细胞生长在纤维表面容易赌塞纤维孔；⑤平板单纯培养型会影响因体表面积比较小，不易放大，已不太被应用；⑥细胞包裹/悬浮型因稳定性不佳、包裹细胞的物质交换受影响，也已应用较少；⑦生物支架材料使得细胞生长空间增大、细胞的氧供不充分及容易产生无效死腔，最终导致所需的灌流强度大而致细胞剪切力大。⑧现有的生物人工肝反应器无任培养腔大小，都存在细胞代谢废物及在实施人工肝治疗时肝毒素蓄积，缩短肝细胞寿命的缺陷。⑨也有学者研究了多套中空纤维编织反应器，将肝细胞置于中空纤维管外,形成了类似体内肝小叶的三维培养微环境,这有可能成为生物反应器研究的方向，但均没有能解决在持续治疗中因肝毒素堆积而降低肝细胞功能和活性等因素。⑩生物反应器存在免疫阻隔的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提出一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，该反应器具有大容量、双重血浆过滤、实现动态的循环效果。
本发明所采用的技术方案：一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，包括生物反应器本体(7)，所述生物反应器本体(7)内设置有第一级中空纤维束(8)、第二级中空纤维管(12)、营养供给系统(13)和毒素清除系统(14)。
优选的，所述第一级中空纤维束(8)的入口通过生物反应器的上端管路(6)与动脉壶(4)出口连接，所述动脉壶(4)入口连接有连接病人动脉的管道(1)，所述第一级中空纤维束(8)的出口通过流出管(10)与静脉壶(11)连接。
优选的，所述连接病人动脉的管道(1)上设置有血泵(2)和抗凝剂注射泵(3)。
优选的，所述动脉壶(4)上端连接有压力监测管(5)。
优选的，所述第二级中空纤维管(12)通过干净血液回输管(19)与静脉壶(11)连接。
优选的，所述生物反应器本体(7)连接有废液袋(16)。
优选的，所述生物反应器本体(7)连接有氧气供给管(18)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明创造性地设计出一种大容量、双重血浆过滤、动态培养生物人工肝反应器，反应器使用了四种不同孔径、不用功效的中空纤维，分为四组，四组分别具体为第一级中空纤维束、第二级中空纤维管、营养供给系统和毒素清除系统，使生物反应器成为一个动态的循环系统；1)本发明专利生物反应器本体使用椭圆形的腔体，避免形成死腔或死角；2)本发明的体外循环血液管路有严格的监控；3)在第一组循环血路管中，进入生物反应器本体后的第一级中空纤维束的中空纤维丝上的孔径允许血浆滤出，与生物反应器本体中的肝细胞充分交融，发生解毒、生化转化和代谢反应。另一组孔径小的第二级中空纤维管中的纤维将作用后的血浆收集再输回到血液循环系统；4)氧气供给和废气排除形成第二组循环，保障生物反应器本体中充足的氧气供给，废气排除经过控制阀调控；5)第三组营养供给系统的循环保障生物反应器本体中营养的供给；6)第四组毒素清除系统的纤维持续清除生物反应器本体中培养液中的毒素和代谢废物，维持内环境的稳定；7)本生物反应器本体的独特之处在于在具体使用时，流入其内部的含有毒素的血浆能充分与其内有的肝细胞接触，可充分解毒、代谢与生物合成；8)由于肝细胞的营养池和培养基得到了充分的清毒及保持电解质的稳定，最终可使存放于本生物反应器本体内的肝细胞的寿命明显延长，有利于充分发挥代谢和解毒功能。9)克服现有生物反应器的缺陷，研制出大容量双重血浆过滤生物反应器，可明显增加培殖的细胞数量和种类，降低并发症，提高效能。10)构建一种能够更好地模拟肝细胞生长环境的体外培养平台。利用先进的制膜方法，选用不同性能和不同孔径的膜制作生物反应器，构建肝细胞的体外的动态培养系统。11)本模型拟肝细胞的体内生长环境，可根据临床或试验需求，调节和研究培养液流速、氧流量与氧含量的关系并进行参数优化，探讨维持肝细胞的正常存活和生长的最佳氧合效果和增殖效率。12)避免直接在生物反应器上加热，其直接通过清毒循环系统加热，避免造成对所培养细胞的损伤。13)本模型生物反应器有利于制备脐血清培养基和从脐带组织中分离培养间充质干细胞向肝细胞诱导分化。14)本生物反应器结构还有利于其它细胞的诱导、分化和培养，例如:肾小管上皮细胞、角膜细胞、血管内皮细胞、胰岛细胞等等。15)本动态培养系统优于将细胞静置于37℃、5％二氧化碳孵化箱中。16)本动态培养生物反应器便于选择不同的培养基质，例如可选人血清培养基质，这有利于彻底避免病毒逆转录等免疫阻隔风险。17)本身物反应器有利于建立规范化操作规程，在达到培养的肝细胞数量后，进行超低温储存，并有利于运输和临床应用。
附图说明
图1为本发明一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器的结构示意图。
图2是生物反应器本体中第一级中空纤维束第的一级血浆过滤膜与二级的白蛋白过滤膜的示意图，其中，(1生物反应器；2一级血浆过滤膜；3二级的白蛋白过滤膜)。
图1中：1 连接病人动脉的管道；2 血泵；3 抗凝剂注射泵；4 动脉壶；5 压力监测管；6 生物反应器的上端管路；7 生物反应器本体；8 第一级中空纤维束；9 培养液；10 流出管；11 静脉壶；12 第二级中空纤维管；13 营养供给系统；14 毒素清除系统；15 连接病人静脉的管道；16 废液袋；17 废气排除管；18 氧气供给管；19 干净血液回输管。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
如图1-2所示，一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，包括生物反应器本体(7)，所述生物反应器本体(7)内设置有第一级中空纤维束(8)、第二级中空纤维管(12)、营养供给系统(13)和毒素清除系统(14)。本发明专利设计出一种大容量、双重血浆过滤、动态培养生物人工肝反应器，反应器使用了四种不同孔径、不用功效的中空纤维，使生物反应器成为一个动态的循环系统。
在本发明的技术方案中，所述第一级中空纤维束(8)的入口通过生物反应器的上端管路(6)与动脉壶(4)出口连接，所述动脉壶(4)入口连接有连接病人动脉的管道(1)，所述第一级中空纤维束(8)的出口通过流出管(10)与静脉壶(11)连接，所述连接病人动脉的管道(1)上设置有血泵(2)和抗凝剂注射泵(3)，所述动脉壶(4)上端连接有压力监测管(5)，所述第二级中空纤维管(12)通过干净血液回输管(19)与静脉壶(11)连接，所述生物反应器本体(7)连接有废液袋(16)，所述生物反应器本体(7)连接有氧气供给管(18)。
本发明在具体使用时，血液从病人动脉的管道(1)经血泵(2)抽出，通过抗凝剂注射泵(3)加入抗凝剂后，进入动脉壶(4)，压力监测管(5)也同时可排除多余的空气，之后从生物反应器本体的上端管路(6)流入生物反应器本体(7)的第一级中空纤维束(8)，含有毒素的血浆从第一级中空纤维束(8)中被滤出，在富含氧和营养的培养液(9)中与肝细胞充分混合，起到物质转化与代谢作用。过滤后的血液从第一级中空纤维束(8)的出口经流出管(10)流到静脉壶(11)，在生圽反应器中净化后的血浆也同时经第二级中空纤维管(12)回输到静脉壶(11)，最后经连接病人静脉的管道(15)通过静脉管回输到病人体内。
其中，生物反应器本体(7)内含有肝细胞，营养供给系统(13)保障生物反应器本体中营养的供给，毒素清除系统(14)及相关的纤维束持续清除生物反应器本体中培养液中的毒素和代谢废物，维持内环境的稳定，毒素清除系统(14)经比例配液系统，配置成等渗液，与人工肝反应器进行物质交换。
生物人工肝反应器中剩余的废液排入废液袋(16)，废气通过特殊控制的装置即废气排除管17排除。
本发明的相关原理：进入生物反应器本体后的第一级中空纤维束的中空纤维丝上的孔径允许血浆滤出，与生物反应器本体中的肝细胞充分交融，发生解毒、生化转化和代谢反应。另一组第二级中空纤维管中，孔径小的纤维将作用后的血浆收集再输回到血液循环系统；
本发明专利的生物反应器本体使用椭圆形的腔体，避免形成死腔或死角；
本发明专利独特之处在于含有毒素的血浆充分与肝细胞接触，可充分解毒、代谢与生物合成；纤维持续清除生物反应器本体中培养液中的毒素和代谢废物，维持水、电解质、温度等内环境的稳定；第二组和第三纤维分别是氧和营养的调控系统。
本发明专利的生物反应器的毒素清除系统，可以持续的清除生物反应器中的废物和毒物，维持生物反应器中良好的细胞生长环境，延长所培养的肝细胞的活性和寿命。
本发明专利构建一种能够更好地模拟肝细胞生长环境的体外培养平台。利用先进的制膜方法，选用不同性能和不同孔径的膜制作生物反应器本体，构建肝细胞的体外的动态培养系统。其特点是第一组血浆滤过膜中，第一级膜孔径大于第二组膜，这有利于阻隔大分子毒素，将消毒后的白蛋白回输到人体。
本发明为了避免直接在生物反应器本体上加热，其直接通过清毒循环系统加热，避免造成对所培养细胞的损伤，所以拟打算用本生物反应器在临床治疗病人时。最好应用人血清作为培养基，可用人干细胞诱导分化成肝细胞。例如还可用脐带血制作培养基，同时从脐带中提取间充值干细胞，诱导分化成干细胞，这样能够避免病毒逆转录风险。
本发明的动态培养生物反应器本体便于选择不同的培养基质，例如可选人血清培养基质，这有利于彻底避免病毒逆转录等免疫阻隔风险。
本发明专利生物反应器的各个开口可以与外围的管路连成密闭的系统，制作成完备密闭的生物反应器系统，也可制作成方便连接的快速接头。
本发明在肝细胞的培养数量达到治疗要求后，可以超低温冷藏储存，便于运输。运输到需要使用的地点后，按操作规程解冻，并建立体外循环，应用于病人的治疗。
本发明有利于建立规范化操作规程，在达到培养的肝细胞数量后，进行超低温储存，并有利于运输和临床应用
本发明专利的生物反应器本体，还可以由透明的或者不透明的高分子材料制作。其上、下端各有五个开口。血液通过血路管输入到生物反应器本体的中空纤维时，含有大量肝毒素的血浆透过中空纤维膜流入到生物反应器本体中，与生物反应器本体中的肝细胞混合进行生物转化、解毒和代谢反应，清除毒素后的血浆通过二级过滤膜输回到血路管。
本发明专利的代谢产物清除系统，可以持续的清除生物反应器中的废物和毒物，维持生物反应器中良好的细胞生长环境。
本发明专利的生物反应器中营养物质的供给也是一个动态的循环的过程。迄今为止，中空纤维的免疫阻隔作用实质上是末被证实的。
本发明的生物反应器本体的各个开口可以与外围的管路连成密闭的系统，制作成完备密闭的生物反应器系统。也可制作成方便连接的快速接头。
本发明专利的明显优越之处：①克服现有生物反应器的缺陷，研制出大容量双重血浆过滤生物反应器，可明显增加培殖的细胞数量和种类，降低并发症，提高效能。②构建一种能够更好地模拟肝细胞生长环境的体外培养平台。利用先进的制膜方法，选用不同性能和不同孔径的膜制作生物反应器，构建肝细胞的体外的动态培养系统。③本模型拟肝细胞的体内生长环境，可根据临床或试验需求，调节和研究培养液流速、氧流量与氧含量的关系并进行参数优化，探讨维持肝细胞的正常存活和生长的最佳氧合效果和增殖效率。④避免直接在生物反应器上加热，其直接通过清毒循环系统加热，避免造成对所培养细胞的损伤。⑤本模型生物反应器有利于制备脐血清培养基和从脐带组织中分离培养间充质干细胞向肝细胞诱导分化。⑥本生物反应器结构还有利于其它细胞的诱导、分化和培养，例如:肾小管上皮细胞、角膜细胞、血管内皮细胞、胰岛细胞等等。⑦本动态培养系统优于将细胞静置于37℃、5％二氧化碳孵化箱中。⑧本动态培养生物反应器便于选择不同的培养基质，例如可选人血清培养基质，这有利于彻底避免病毒逆转录等免疫阻隔风险。⑨本身物反应器有利于建立规范化操作规程，在达到培养的肝细胞数量后，进行超低温储存，并有利于运输和临床应用。
本发明公开一种大容量、双重血浆过滤、动态培养生物人工肝反应器，反应器使用了四种不同孔径、不同功效的中空纤维，使生物反应器成为一个动态的循环系统。第一组循环血路管进入生物反应器后的中空纤维丝上的孔径允许血浆滤出，与生物反应器中的肝细胞充分交融，发生解毒、生化转化和代谢反应。另一组孔径小的纤维将作用后的血浆收集再输回到血液循环系统。第二组和第三纤维分别是氧和营养的调控系统。第四组纤维持续清除生物反应器中培养液中的毒素和代谢废物，维持水、电解质、温度等内环境的稳定。本发明专利的特点是通过持续的清除生物反应器中的废物和毒物，维持生物反应器中良好的细胞生长环境，延长所培养的肝细胞的活性和寿命。因而构建了一种能够更好地模拟肝细胞生长环境的体外培养平台。本发明利用先进的制膜方法，选用不同性能和不同孔径的膜制作生物反应器，构建肝细胞的体外的动态培养系统，同时避免直接在生物反应器上加热，其直接通过清毒循环系统加热，避免造成对所培养细胞的损伤。由于本动态培养生物反应器便于选择不同的培养基质，例如可选人血清培养基质，这有利于彻底避免病毒逆转录等免疫阻隔风险。本发明专利使用椭圆形的透明或不透明的腔体，避免形成死腔或死角，生物反应器的各个开口可以与外围的管路连成密闭的系统，制作成完备密闭的生物反应器系统，也可制作成方便连接的快速接头。本动态培养生物反应器还可以通过建立利于规范化操作的规程，在达到培养的肝细胞数量后，进行超低温储存，并有利于运输和临床应用。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，其特征在于：包括生物反应器本体(7)，所述生物反应器本体(7)内设置有第一级中空纤维束(8)、第二级中空纤维管(12)、营养供给系统(13)和毒素清除系统(14)。
2.根据权利要求1所述的一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，其特征在于：所述第一级中空纤维束(8)的入口通过生物反应器的上端管路(6)与动脉壶(4)出口连接，所述动脉壶(4)入口连接有连接病人动脉的管道(1)，所述第一级中空纤维束(8)的出口通过流出管(10)与静脉壶(11)连接。
3.根据权利要求2所述的一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，其特征在于：所述连接病人动脉的管道(1)上设置有血泵(2)和抗凝剂注射泵(3)。
4.根据权利要求2所述的一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，其特征在于：所述动脉壶(4)上端连接有压力监测管(5)。
5.根据权利要求1所述的一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，其特征在于：所述第二级中空纤维管(12)通过干净血液回输管(19)与静脉壶(11)连接。
6.根据权利要求1所述的一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，其特征在于：所述生物反应器本体(7)连接有废液袋(16)。
7.根据权利要求1所述的一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，其特征在于：所述生物反应器本体(7)连接有氧气供给管(18)。
8.根据权利要求1所述的一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，其特征在于：所述生物反应器本体(7)还连接有废气排除管(17)。
9.根据权利要求1所述的一种四组中空纤维动态培养生物人工肝反应器，其特征在于：所述静脉壶(11)出口连接有连接病人静脉的管道(15)。
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