CN113679900B - 人工肝的中空纤维生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工肝的中空纤维生物反应器，包括套在所有中空纤维管外侧的圆形软管，圆形软管的两端与胶体密封结构固连并密封；圆形筒为变径圆形筒，靠近血液分配器的一端直径小，靠近血液出口收集器的一端直径大，小径筒与大径筒之间弧形过渡，穿过并固定密封在大径筒壁上的营养液入口管连通圆形软管内，穿过并固定密封在小径筒壁上的营养液出口管连通圆形软管内；大径筒壁上有流体入口，小径筒壁上有流体出口；流体从流体入口流入，由大径筒流到横截面缩小的小径筒时，出现文丘里效应,使毒素更容易从血液一侧穿过中空纤维膜而进入营养液一侧,能增强解毒效果并实现人工肝高效解毒，达到预期的治疗效果。

Description

人工肝的中空纤维生物反应器

技术领域

本发明涉及生物医疗器械技术领域，具体讲是一种人工肝的中空纤维生物反应器。

背景技术

人工肝通过一个体外的机械或理化装置，利用压力驱动患者血液流经体外人工肝系统，担负起暂时辅助或完全代替严重病变肝脏的功能，清除各种有害物质，代偿肝脏的代谢功能，直至人体自身肝脏功能恢复或进行肝脏移植。

中空纤维生物反应器是人工肝装置中用于清除毒素的部件，是人工肝装置系统的核心。中空纤维生物反应器一般由若干根如5000-15000根中空纤维管、圆柱形有机玻璃管、血液入口分配器、血液出口收集器和胶体密封结构等组合而成，中空纤维管由多孔纤维膜制作，是患者血液和营养液进行物质交换的场所，是人工肝治疗解毒的核心单元。

现有的人工肝治疗中，患者血液流经中空纤维管内,而营养液流经中空纤维管与圆柱形有机玻璃管之间的周边间隙，并且血液流动方向和营养液的流动方向是相反的。一般地，中空纤维管内的空间称为内腔，而中空纤维管与圆柱形有机玻璃管之间的空间称为外腔，内腔里的血液与外腔里的营养液通过多孔纤维膜进行双向物质传递。双向物质传递过程大致如下：内腔里带毒血液的毒素由内腔通过多孔纤维膜传递到外腔，并随营养液流出，实现了解毒效果，解毒后的血液再流回人体内；而外腔里营养液中的营养物质、氧气等由外腔通过多孔纤维膜传递到内腔，给血液补充营养物质，并随解毒后的血液一起流回人体内。

人工肝的中空纤维生物反应器中多孔纤维膜实现双向物质传递的方式有扩散传质和对流传质，其中以对流传质为主要传质方式。对流传质的动力来源于多孔纤维膜两侧的压力差。患者血液流经中空纤维管内腔，沿着血液流动方向压力逐渐降低；而营养液沿着与血液流动相反的方向流经外腔，沿着营养液流动方向压力逐渐降低。控制好血液和营养液的压力，比如使内腔入口处血液的压力与外腔入口处营养液的压力大致相同，这样沿着流动方向多孔纤维膜两侧便产生压力差。具体是：沿着血液流动方向的前半段，内腔内压力大于外腔压力，血液中毒素在压力差的作用下发生对流传质，由内腔通过多孔纤维膜传到外腔，并随外腔的营养液流出，进而实现了解毒效果；沿着血液流动方向的后半段，外腔内压力大于内腔压力，营养液中的营养物质在压力差的作用下发生对流传质，由外腔通过多孔纤维膜传到内腔，给解毒后的血液补充营养物质。可见，现有人工肝是完全依靠血液和营养液流向不同而产生压力差，进而实现对流传质、清除毒素，这种方式具有一定治疗效果，但由于压力差不是很大，导致清毒效率不高，无法达到预期的治疗效果。如何提高人工肝对毒素的清除效率、实现人工肝高效解毒治疗，成为当前人工肝技术亟需解决的问题。

发明内容

本发明要解决技术问题是，能增强解毒效果并实现人工肝高效解毒的人工肝的中空纤维生物反应器。

本发明的技术解决方案是，提供一种人工肝的中空纤维生物反应器，包括与圆形筒的两端连接并有血液入口的血液入口分配器和有血液出口的血液出口收集器，圆形筒内中央有若干根由中空纤维膜制作的中空纤维管，中空纤维管两端的外侧与圆形筒内壁之间有胶体密封结构；

本发明人工肝的中空纤维生物反应器，还包括套在所有中空纤维管外侧的圆形软管，圆形软管的两端与胶体密封结构固连并密封；圆形筒为变径圆形筒，靠近血液分配器的一端直径小，靠近血液出口收集器的一端直径大，小径筒与大径筒之间弧形过渡，穿过并固定密封在大径筒壁上的营养液入口管连通圆形软管内，穿过并固定密封在小径筒壁上的营养液出口管也连通圆形软管内；大径筒壁上有流体入口，小径筒壁上有流体出口；

流体从流体入口流入，由大径筒流到横截面缩小的小径筒时，由于横截面变小导致流速增大，则流体压力会下降，圆形软管外侧的压力小于圆形软管内侧的压力，小径筒内侧的圆形软管被向圆形软管外侧撑开，靠近营养液出口管的圆形软管体积变大，形成局部真空，则圆形软管内营养液流体压力变小，增加了中空纤维管内血液与中空纤维管外营养液之间的压力差，使毒素更容易从血液一侧穿过中空纤维膜而进入营养液一侧。

采用以上结构后，本发明人工肝的中空纤维生物反应器具有以下优点：

本发明跳出了现有技术中完全通过血液与营养液流动方向不同而产生对流传质的压力差的常规思维，创造性地提出了利用类似于文丘里管的变径圆形筒如变管径的圆形有机玻璃筒或称有机玻璃管与圆形软管相结合的技术构思，该技术方案能产生文丘里效应，实现增大对流传质的压力差，进而实现高效解毒。

患者带毒素血液由血液入口进入，并流经血液入口分配器后进入中空纤维管，再流经血液出口收集器后从血液出口流出，圆形软管的位置在径向方向上位于变径圆形筒与中空纤维管之间。根据伯努利原理，当流量一定的流体流经截面面积较小的过流断面时，流速增大，流体压力会下降，即出现文丘里现象。本发明中流体如气体从流体入口如气体入口流入，然后流经变径圆形筒即变管径的圆形筒，由大径筒流到截面缩小的小径筒部分时，流体压力如气体压力会下降，圆形软管外侧的压力小于圆形软管内侧的压力，小径筒内侧的圆形软管被向圆形软管外侧撑开，使靠近营养液出口管的圆形软管体积变大，形成局部真空，则圆形软管内营养液流体压力变小，相当于增加了中空纤维管内血液与中空纤维管外营养液之间的压力差，使毒素更容易从血液一侧穿过多孔纤维膜进入营养液一侧，即使血液更容易从中空纤维管内穿过中空纤维膜向中空纤维管外流动，并随营养液出口管流出，显著增强了解毒效果，实现人工肝高效解毒，达到预期的治疗效果。

进一步地，流体为压缩空气、氮气或营养液。采用以上结构后，就地取材，因地制宜，微型空压机使用方便，氮气瓶为医用必备设备，而采用营养液如泵送营养液，既为软管内的生物反应物质，又作为软管外的压力流体使用，一物两用，十分方便，适用性更好。

进一步地，圆形软管为医用乳胶管或医用硅胶管。采用以上结构后，医用乳胶管或医用硅胶管均具有优秀的弹性、变形性能和灵敏的反应能力，使文丘里效应更加明显突出，中空纤维管内血液与中空纤维管外营养液之间的压力差更加明显，使毒素更容易从血液一侧穿过多孔纤维膜进入营养液一侧，从而进一步增强了解毒效果。

进一步地，小径筒壁上的流体出口靠近血液入口分配器，大径筒壁上的流体入口靠近血液出口收集器。采用以上结构后，使文丘里效应更加明显突出，中空纤维管内血液与中空纤维管外营养液之间的压力差更加明显，使毒素更容易从血液一侧穿过多孔纤维膜进入营养液一侧，从而进一步增强了解毒效果。

进一步地，小径筒壁上的流体出口靠近血液入口分配器，大径筒壁上的流体入口靠近血液出口收集器。采用以上结构后，使文丘里效应更加明显突出，中空纤维管内血液与中空纤维管外营养液之间的压力差更加明显，使毒素更容易从血液一侧穿过多孔纤维膜进入营养液一侧，从而进一步增强了解毒效果。

进一步地，变径圆形筒为变径有机玻璃筒，小径筒与大径筒一体成型为整体，过渡筒与小径筒之间弧形过渡，过渡筒与大径筒之间也弧形过渡。采用以上结构后，实用性更好，压力流体从大径筒向小径筒的过渡更平滑顺畅，进一步增强了文丘里效应。

进一步地，变径有机玻璃筒的小径筒外端有第一外螺纹，血液入口分配器的中心孔有第一内螺纹，第一外螺纹与第一内螺纹旋合固紧；变径有机玻璃筒的大径筒外端有第二外螺纹，血液出口收集器的中心孔有第二内螺纹，第二外螺纹与第二内螺纹旋合固紧。采用以上结构后，变径有机玻璃筒或称变径有机玻璃管与血液入口分配器和血液出口收集器之间的安装拆卸和密封更方便，如可采用密封带对内外螺纹处密封，保证了血液入口分配器和血液出口收集器工作平稳可靠性。

附图说明

图1是现有技术人工肝的中空纤维生物反应器的纵剖视结构示意图。

图2是图1中B-B断面结构示意图。

图3是现有技术人工肝的中空纤维生物反应器流体流动示意图(纵剖视)。

图4是现有技术人工肝的中空纤维生物反应器中对流传质压力差产生的原理图。

图5是本发明人工肝的中空纤维生物反应器的纵剖视结构示意图。

图6是本发明人工肝的中空纤维生物反应器中的压力点示意图(纵剖视)。

图7是本发明人工肝的中空纤维生物反应器中的压力分布示意图。

图中所示：

现有技术：

1’、血液入口，2’、血液入口分配器，3’、胶体密封结构，4’、中空纤维管，5’、多孔纤维膜，6’、血液出口收集器，7’、血液出口，8’、营养液入口，9’、营养液出口，10’、圆形有机玻璃管，11’、内腔，12’、外腔；

本发明：

1、血液入口，2、血液入口分配器，3、胶体密封结构，4、中空纤维管，5、多孔纤维膜，6、血液出口收集器，7、血液出口，8、营养液入口管，9、营养液出口管，13、变径圆形筒，14、圆形软管，15、流体入口，16、流体出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要声明的是，对于这些具体实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明的各个具体实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、图2、图3、图4所示，首先对现有技术人工肝的中空纤维生物反应器做大致的分析：

如图1所示，现有技术人工肝的中空纤维生物反应器包括血液入口1’、血液入口分配器2’、胶体密封结构3’、中空纤维管4’、血液出口收集器6’，血液出口7’、营养液入口8’、营养液出口9’、圆形筒如圆形有机玻璃管10’等组成，中空纤维管4由多孔纤维膜5制作而成。其中胶体密封结构3’可称灌封胶装材料，如可采用强力胶密封结构。

图2中11’为内腔，即中空纤维管4’内部空间，12’为外腔，即圆形有机玻璃管10’与中空纤维管4’之间的空间。

如图3所示，显示出单根中空纤维管4’的放大结构，患者带毒素血液由血液入口1’进入，流经血液入口分配器2’后进入中空纤维管4’内即内腔11’，再流经血液出口收集器6’后从血液出口7’流出。营养液由营养液入口8’进入，流经中空纤维管4’与圆形有机玻璃管10’之间的周边间隙即外腔12’，再由营养液出口9’流出。

如图4所示，患者血液流经中空纤维管4’内腔11’，沿着血液流动方向压力逐渐降低，而营养液沿着与血液流动相反的方向流经外腔12’，沿着营养液流动方向压力逐渐降低。控制好血液和营养液的压力，比如使内腔11’入口处血液的压力与外腔12’入口处营养液的压力大致相同，如图4所示，实线为沿血液流动方向内腔内压力降图线，而虚线为沿着营养液流动方向的压力降图线，这样沿着流动方向多孔纤维膜5’两侧便产生压力差，具体是：沿着血液流动方向的前半段即图4中左边箭头区域，内腔内压力大于外腔压力，血液中毒素在压力差的作用下发生对流传质，由内腔通过多孔纤维膜5传到外腔，并随外腔的营养液流出，进而实现了解毒效果；沿着血液流动方向的后半段或者说沿着营养液流动方向的前半段即图4中右边箭头区域，外腔12’压力大于内腔11’压力，营养液中的营养物质在压力差的作用下发生对流传质，由外腔通过多孔纤维膜5传到内腔，给解毒后的血液补充营业物质，最后流回到人体内。可见，现有人工肝是完全依靠血液和营养液流向不同而产生压力差，进而实现对流传质、清除毒素，这种方式具有一定治疗效果，但由于压力差不是很大，导致清毒效率不高，无法达到预期的治疗效果。

如图5、图6、图7所示。

本发明人工肝的中空纤维生物反应器，包括与圆形筒的两端连接并有血液入口1的血液入口分配器2和有血液出口7的血液出口收集器6，圆形筒内中央有若干根由中空纤维膜5制作的中空纤维管4，中空纤维管4两端的外侧与圆形筒内壁之间有胶体密封结构3。中空纤维管4也称中空纤维管束。以上结构与现有技术的结构相同。

本发明的发明点在于：

本发明人工肝的中空纤维生物反应器，还包括套在所有中空纤维管4外侧的圆形软管14，圆形软管14的两端与胶体密封结构3固连并密封。圆形筒为变径圆形筒13，靠近血液分配器2的一端直径小，靠近血液出口收集器6的一端直径大，小径筒与大径筒之间弧形过渡，穿过并固定密封在大径筒壁上的营养液入口管8连通软管14内，穿过并固定密封在小径筒壁上的营养液出口管9也连通软管14内,如大径筒壁和小径筒壁上均有穿营养液管的孔,营养液管穿过各自的孔,采用强力胶固定并密封。大径筒壁上有流体入口15，小径筒壁上有流体出口16。

流体从流体入口15流入，根据伯努利原理，由大径筒流到横截面缩小的小径筒时，由于横截面变小导致流速增大，则流体压力会下降，圆形软管14外侧的压力小于圆形软管14内侧的压力，小径筒内侧的圆形软管14被向圆形软管14外侧撑开，靠近营养液出口管9的圆形软管14体积变大，形成局部真空，则圆形软管14内营养液压力变小，增加了中空纤维管4内血液与中空纤维管4外营养液之间的压力差，使毒素更容易从血液一侧穿过中空纤维膜5而进入营养液一侧。

流体可为压缩空气、氮气或营养液。

圆形软管14优选为医用乳胶管或医用硅胶管。

营养液出口管9靠近血液入口分配器2，营养液入口管8靠近血液出口收集器6。

小径筒壁上流体出口16如气体出口靠近血液入口分配器2，大径筒壁上流体入口15如气体入口靠近血液出口收集器6。

变径圆形筒13优选为变径有机玻璃筒，小径筒与大径筒一体成型为整体，过渡筒与小径筒之间弧形过渡，过渡筒与大径筒之间也弧形过渡。变径有机玻璃筒或称变径有机玻璃管。

变径圆形筒13如变径有机玻璃筒的小径筒外端有第一外螺纹，血液入口分配器2的中心孔有第一内螺纹，第一外螺纹与第一内螺纹旋合固紧。变径有机玻璃筒的大径筒外端有第二外螺纹，血液出口收集器6的中心孔有第二内螺纹，第二外螺纹与第二内螺纹旋合固紧。

以下结合图5、图6、图7对本发明人工肝的中空纤维生物反应器作进一步说明。

如图5所示，变管径圆形筒13如变径有机玻璃管可看成是文丘里管。根据伯努利原理，当流量一定的流体流经截面面积较小的过流断面时，由于流速会增大，则流体压力会下降，即出现或称发生文丘里现象。本发明中流体如压缩空气或氮气或营养液从流体入口15流入，然后流经变径圆形筒13如变径有机玻璃管，由大管径流到截面缩小的小管径部分时，气体流速增大，则流体压力会下降，那么圆形软管14的压力就会大于圆形软管14外的压力，圆形软管14会被向外侧撑开，使靠近营养液出口管9处的圆形软管14体积变大，则圆形软管14内营养液流体压力变小，相当于增加了中空纤维管4内血液与中空纤维管4外营养液之间的压力差，使毒素更容易从血液一侧穿过多孔纤维膜5进入到营养液一侧，可理解为毒素更容易从类似现有技术的内腔11’进入到类似现有技术的外腔12’，并随营养液出口管9流出，显著增强了解毒效果。

图6所示，为本发明人工肝的中空纤维生物反应器中的压力分布说明图，P1与P2分别为中空纤维管4内血液入口1附近的压力和血液出口7附近的压力，P3与P4分别为营养液入口管8附近的压力和营养液出口管9附近的压力，P5与P6分别为流体15入口附近的压力和流体出口16附近的压力。在具体实施过程中，通过调节血液、营养液和流体的进入速度或流量，使P1、P3、P5的压力大致相等，由于血液、营养液、流体沿着各自的流动方向压力会逐渐降低，而且由于流体是从变径圆形筒13如变管径的有机玻璃管的大管径部分流进小管径部分，发生或称出现文丘里效应，流体压力会下降的更过或称更多，这样P4的压力会大于P6的压力，则营养液出口管9附近处的圆形软管14被向外撑开，使靠近营养液出口管9处的圆形软管14体积变大，形成局部真空，则圆形软管14内营养液流体压力变小，相当于增加了中空纤维管4内血液与中空纤维管4外营养液之间的压力差，使毒素更容易从血液一侧穿过多孔纤维膜5进入营养液一侧。所以，P1、P2、P3、P4、P5、P6之间的压力关系大致为P1≈P3≈P5,P1、P3、P5的压力分别大于P2、P4、P6，且P4大于P6。

本发明人工肝的中空纤维生物反应器内压力分布图大致如图7所示，P1至P2的实线为沿血液流动方向中空纤维管4内血液压力降图线，P3至P4圆圈线为沿着营养液流动方向的营养液压力降图线，P5至P6方框线为沿着气体流动方向的流体压力降图线，虚线为现有技术人工肝的中空纤维生物反应器内沿着营养液流动方向的营养液压力降图线，可见本发明人工肝的中空纤维生物反应器沿着血液流动方向的前半段即图7中左边箭头区域，中空纤维管4内血液与中空纤维管4外营养液的压力差比现有技术人工肝的中空纤维生物反应器的大得多，毒素更容易从血液一侧以对流传质方式穿过多孔纤维膜5进入到营养液一侧，并随营养液出口管9流出，显著增强了解毒效果，提高了人工肝解毒效率。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种人工肝的中空纤维生物反应器，包括与圆形筒的两端连接并有血液入口的血液入口分配器和有血液出口的血液出口收集器，圆形筒内中央有若干根由中空纤维膜制作的中空纤维管，中空纤维管两端的外侧与圆形筒内壁之间有胶体密封结构；其特征在于：

还包括套在所有中空纤维管外侧的圆形软管，圆形软管的两端与胶体密封结构固连并密封；圆形筒为变径圆形筒，靠近血液分配器的一端直径小，靠近血液出口收集器的一端直径大，小径筒与大径筒之间弧形过渡，穿过并固定密封在大径筒壁上的营养液入口管连通圆形软管内，穿过并固定密封在小径筒壁上的营养液出口管连通圆形软管内；大径筒壁上有流体入口，小径筒壁上有流体出口；

流体从流体入口流入，由大径筒流到横截面缩小的小径筒时，由于横截面变小导致流速增大，则流体压力会下降，圆形软管外侧的压力小于圆形软管内侧的压力，小径筒内侧的圆形软管被向圆形软管外侧撑开，靠近营养液出口管的圆形软管体积变大，形成局部真空，则圆形软管内营养液流体压力变小，增加了中空纤维管内血液与中空纤维管外营养液之间的压力差，使毒素更容易从血液一侧穿过中空纤维膜而进入营养液一侧。

2.根据权利要求1所述的人工肝的中空纤维生物反应器，其特征在于：流体为压缩空气、氮气或营养液。

3.根据权利要求1所述的人工肝的中空纤维生物反应器，其特征在于：圆形软管为医用乳胶管或医用硅胶管。

4.根据权利要求1所述的人工肝的中空纤维生物反应器，其特征在于：营养液出口管靠近血液入口分配器，营养液入口管靠近血液出口收集器。

5.根据权利要求1所述的人工肝的中空纤维生物反应器，其特征在于：小径筒壁上的流体出口靠近血液入口分配器，大径筒壁上的流体入口靠近血液出口收集器。

6.根据权利要求1所述的人工肝的中空纤维生物反应器，其特征在于：变径圆形筒为变径有机玻璃筒，小径筒与大径筒一体成型为整体，过渡筒与小径筒之间弧形过渡，过渡筒与大径筒之间也弧形过渡。

7.根据权利要求6所述的人工肝的中空纤维生物反应器，其特征在于：变径有机玻璃筒的小径筒外端有第一外螺纹，血液入口分配器的中心孔有第一内螺纹，第一外螺纹与第一内螺纹旋合固紧；变径有机玻璃筒的大径筒外端有第二外螺纹，血液出口收集器的中心孔有第二内螺纹，第二外螺纹与第二内螺纹旋合固紧。