CN1312269C - 生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物反应器装置以及一种培养活体细胞的方法。生物反应器装置包括一保持器，其中容纳着由开孔泡沫材料制成的基质，在基质的内部固附着活体细胞，装置还包括一种容纳在保持器中的液体。液体为氧气载体，其浸泡着基质，液体包含一种人工合成或半合成的载氧成分。所述方法涉及将载氧液体灌注到基质中、向细胞输送氧气、并吸收细胞产生的二氧化碳的步骤。

Description

生物反应器

技术领域及发明内容

本发明涉及一种生物反应器装置。本发明还涉及一种培养活体细胞的方法。

根据本发明，本文提供了一种生物反应器装置，其包括一保持器，其中容纳着由开孔泡沫材料制成的三维基质，泡沫材料的内部为多孔的，活体细胞容纳在其多孔的内部，且由此来实现固附，生物反应器装置还包括一种容纳在保持器中的液体，该液体为氧气载体，其浸泡并渗入到基质中，液体至少在部分上是水性的并且包含一种合成或半合成的载氧成分，该载氧成分包括至少一种从一组材料中选出的组分，这组材料包括不含细胞的血红蛋白、交联血红蛋白、微脂粒封装的血红蛋白以及全氟化碳，基质是用泡沫材料制成的单体或整体连续介质，泡沫材料为开孔的泡沫材料，且该装置构成一载氧液体循环回路的部件，该循环回路用于使载氧液体流入到保持器中、用于使所述液体循环灌注通过其中培养着活体细胞的基质、以及用于使其从保持器中循环流出。

对于“合成”成分，是指载氧成分是通过人造工艺、而非生物步骤制成的，而“半合成”成分则意味着该载氧成分是通过对生物制备的原材料进行人工合成而制成的。

开孔泡沫材料可以是具有生物相容性和生物稳定性的材料，其可以是聚合泡沫材料。因而，该泡沫材料可以是一种聚合物泡沫，该聚合物是从一组材料中选出的，这组材料包括：聚氨酯聚合物、聚氯乙烯聚合物、聚乙烯聚合物、聚丙烯聚合物、聚苯乙烯聚合物、上述聚合物的共聚物、苯乙烯—丁二烯共聚物、苯乙烯—丙烯腈共聚物、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯聚合物、聚酰胺聚合物、聚己二酰己二胺聚合物、聚亚己基癸二酰胺聚合物、聚己酸内酯聚合物、聚对苯二甲酸乙二酯聚合物、聚对苯二甲酸丁二醇酯聚合物、聚碳酸酯聚合物、聚缩醛聚合物、聚乙烯醇聚合物、尿素甲醛聚合物、含氟聚合物、含硅聚合物以及上述聚合物和共聚物的混合物。

如上文提到的那样，基质是用所述泡沫材料制成的单体或整体连续的介质。

活体细胞可以是动物细胞—尤其是哺乳动物的细胞，载氧液体构成了一种血液代用品，其可作为二氧化碳的载体。如下文将要更为详细地描述的那样，在使用中，载氧液体灌注流经生物反应器装置，并流过装置中的基质，在该基质中，活体细胞吸收载氧液体中的氧气，载氧液体吸收细胞产生的二氧化碳。这样，尽管该载氧液体具有载送氧气的重要功能，但这并不是其唯一的功能，其还作为二氧化碳的载体，并具有下文将要描述的其它功能。更具体来讲，载氧液体可包括一种水性的液体，且载氧液体具有至少一种从一组材料中选出的组分，该组分作为所述的合成或半合成的载氧成分，这组材料包括：不含细胞(cell-free)的血红蛋白、交联血红蛋白、微脂粒封装的血红蛋白以及全氟化碳，其中，优选为全氟化碳。合成或半合成的载氧成分可以是全氟化碳，载氧液体可以是有机物相和水相的乳浊液，有机物相包括全氟化碳，且其通常为乳浊液中的分散相，水相为乳浊液的连续相，并包括水性液体，水相通常包括血浆。而合成或半合成的成分则可以是不含细胞的血红蛋白，不含细胞的血红蛋白被溶解到水性液体—例如血浆中。合成或半合成的成分还可以是微脂粒质封装的血红蛋白，微脂粒封装的血红蛋白作为悬浮物悬浮在水性液体—例如血浆中。因而，此处所用“载氧液体”一词的含义应当包括乳浊液、溶液以及悬浊液，在这些液体中，通过乳化作用、溶解或悬浮作用将合成或半合成的成分散布到一种水性液体—例如血浆中。

所述保持器可以是一反应罐或一反应容器，其具有一载氧液体进口，其方便地设置在高位处；并具有一载氧液体出口，其方便地设置在低位处，载氧液体出口所在高度低于载氧液体进口所在高度，从而形成一低位的载氧液体排出口，保持器可选择地设置一温度调节装置，用于调整基质和载氧液体的温度，该调节装置例如是一加热/冷却护套，其具有为水等加热/冷却液体所设置的进口和出口。因而，该装置就构成了一温度调节液体循环回路的一部分，用于使温度调节液体循环到保持器中和从保持器中流出，保持器上设置有这种形式的温度调节装置：其是为保持器设置的一个中空温度调节护套，该护套具有为调温液体设置的进口和出口，温度调节回路包括：一液体循环装置，用于使调温液体沿该回路进行循环流动；一恒温器；以及一远离保持器的传热装置，其可响应于恒温器传来的信号而工作，从而控制调温液体的温度，进而调节基质和载氧液体的温度。但也可将整套设备或设施安装到一温控环境中。

该生物反应器装置可构成一便携式设备的部件，或构成一固定设施的部件，从而相应地将本发明延伸应用到设备或设施中。在这样的设备或设施中，生物反应器装置如上文提到的那样：构成了一载氧液体循环回路的部件，该循环回路被设置成使载氧液体流入到保持器中(例如是经进口)、流经其中固附了活体细胞的基质、并从保持器中流出(例如是经出口)。该设备或设施还可选设一清除毒素装置—例如一吸收塔或一离子交换单元。

载氧液体的循环回路包括至少一个装置，该装置是从一组装置中选出的，这组装置例如为：一用于使载氧液体绕回路循环的循环泵；诸如过滤器等的生物体清除装置，用于清除从保持器流出的载氧液体中所含的生物体；分离装置，用于将载氧液体中的合成或半合成成分与其它成分分离开；二氧化碳清除装置，用于清除出载氧液体所含的二氧化碳；充氧装置，用于对载氧液体进行充氧；以及脱气装置，用于对载氧液体执行脱气处理。在一特定实施例中，循环回路可包括上述这组装置中的多个，这些装置被设置成从保持器开始沿一次序排列，该装置序列中包括单个生物体清除装置，之后依次是单个的分离装置、单个的二氧化碳清除装置、单个的充氧装置、单个的脱气装置以及单个的液体循环装置，保持器连接在液体循环装置之后，从而形成了封闭或闭环的回路，且液体循环装置被设置成使载氧液体沿一定的方向在回路中循环，该方向即为所述那组装置的依次连接次序。在这样的情况下，当载氧液体为乳浊液，且该乳浊液以全氟化碳作为其合成成分、并以血浆作为其水性液体时，通过所述分离装置利用物理方法就可将全氟化碳与血浆和目前其它任何的培养基分离开，其中的分离方法例如是离心分离或过滤，可选为在乳浊液被破乳之后执行分离；但是对于其它的合成成分，例如不含细胞的血红蛋白或脂质封装的血红蛋白，则就要采用其它的分离技术，来与所针对的合成载氧成分相适应；该分离装置的另一功能在于：其作为血浆循环回路的液体储存器。如上文所指出的那样，在一具体设计方案中，血浆循环回路包括上文列出的所有装置，且在此情况下，这些装置是按照上文指出的次序依次串联的，在沿回路流动的方向上，泵紧邻生物反应器装置，并位于其上游，且生物体过滤器紧邻地设置在生物反应器装置的下游。换言之，在所述流动方向上，串联次序是这样的：首先为生物反应器装置、随后是生物体清除装置、之后再是分离装置、二氧化碳清除装置、充氧装置、脱气装置以及泵，生物反应器装置接在泵之后。可选情况是：二氧化碳清除装置和充氧装置为同一个装置。

如上文指出的那样，设备或设施可包括一加热/冷却的液体回路，用于使加热/冷却液在加热/冷却护套中循环，该回路还可选为具有其自身的液体循环装置—例如泵、在护套中的恒温器以及远离生物反应器装置的加热/冷却装置，其中的加热/冷却装置可响应于恒温器的信号而工作，方便的作法是：恒温器是由一连接到可编程逻辑控制器上的热电偶构成的。

设备或设施可包括一血液循环回路，例如用于接纳或抽取患者或动物的血液，从而使血液发生循环而同血浆循环回路相接触，由此将血浆等血液成分输送给载氧液体，并接纳或吸收载氧液体中的水性成分，并将它们返送到患者身体中。血液循环回路可包括：一例如为泵的液体循环装置，用于使血液以及血液成分绕血液循环回路循环流动；一血浆分离装置，用于将从患者抽出的血液分离为不含血细胞的血浆部分、含有血细胞以及一些血浆的血细胞含有部分；以及一脱气装置。血浆分离装置可选为包括另一装置——例如一血液过滤器。在液体沿回路循环流动的方向上，血液循环回路中的各组成装置的排列次序可以是上面进行列举的次序。因而，首先是从患者开始，第一个装置是泵，之后依次是血浆分离装置和脱气装置，脱气装置之后再返回到患者。换言之，载氧液体循环回路可与血液循环回路相连接，用于使血液循环流动而与载氧液体循环回路中的载氧液体相接触，从而将不含细胞的血液组分输送到载氧液体回路中，并接收或吸收载氧液体回路中不含细胞的水性载氧液体成分，血液循环回路包括：一血液循环装置，用于使血液绕血液循环回路循环流动；一血浆分离装置，用于将绕血液循环回路循环流动的血液分离为不合血细胞的血浆部分、含有血细胞以及一些血浆的血细胞含有部分；以及一脱气装置，用于对绕血液循环回路循环的血液执行脱气处理。如上文所指出的那样，血液循环回路中各个装置可按一定次序布置，在该次序中，血液循环装置的后方依次连接着血浆分离装置和脱气装置，血液循环装置被设置成使血液绕血液循环回路以一定的方向流动，该方向即为血液循环回路中各装置依次的连接方向。

血浆分离装置可被连接到血浆循环回路上，从而血浆分离装置被设置成将从患者血液中分离出的血浆输送到血浆循环回路中，方便的作法是：连接在血浆循环回路中脱气装置的下游、泵和生物反应器装置的上游；且血浆循环回路的分离装置可按照这样的方式连接到血液循环回路上：使得分离装置被设置成将从载氧液体中分离出的水性液体输送到血液循环回路中，方便的作法是：连接在血浆循环回路中血浆分离装置的下游、脱气装置的上游。换言之，载氧液体循环回路与血液循环回路之间的连接可以是载氧液体循环回路与血液循环回路中血浆分离装置之间的连接。

设备或设施方便地包括一条或多条营养素补充管线、一载氧液体补充管线以及有供氧管线(该供氧管线可以是输送纯氧、或者是输送氧气与二氧化碳等其它气体的混合气)，每条输送管线都通向血浆循环回路中的充氧装置；且设备或设施可包括一条或多条真空管线，其连接到二氧化碳清除装置上，用于抽吸二氧化碳，一生物体流动管线连接到生物体清除装置上，用于排出生物体清除装置从载氧液体中清除出的废生物体。设施还可包括一血液调整供应管线，用于向血浆回路中输送血液调整物质—例如是为了控制血液的pH值或修正血液的其它化学不平衡，且这些物质被方便地输送到充氧装置中。

本发明还扩展出一种用于培养活体细胞的方法，该方法包括：将一种液体循环流过一基质，该液体为载氧液体，并至少部分地包括一种半合成或合成的载氧成分，基质由开孔的泡沫材料制成，其内部是多孔的，活体细胞固附到该内部中，基质构成一载氧液体循环回路的部件，该循环回路用于使载氧液体循环流动，使其流入到容纳着三维基质的一保持器中、流过所述基质、并从保持器中流出，细胞从液体中吸收氧气和养分，液体吸收细胞产生的二氧化碳和其它代谢产物，基质是用所述开孔泡沫材料制成的单体或整体连续介质，且通过将载氧液体灌注通过基质来使载氧液体循环流过所述基质。

更详细来讲，所述基质构成了如上所述生物反应器装置的一个部件；且载氧液体也如上文参照本发明设备或设施所介绍的那样。自然地，活体细胞还将吸收载氧液体中除氧气之外的其它成分—例如营养物，且载氧液体也将吸收细胞除二氧化碳之外的其它代谢产物。

如上述那样，生物反应器装置可构成此处所述设备或设施的一个部分，从而通过使液体围绕载氧液体循环回路—例如血浆循环回路循环流动、并流过保持器中的基质来将液体灌注通过基质，该方法可选择地包括如下的一个或多个步骤：

通过监测基质的温度、以及生物反应器的保持器内部的温度，并使加热/冷却液体以合适的流量和温度绕加热/冷却液回路流动，从而将基质与保持器内部的温度保持在理想的数值范围内，这样对它们的温度进行控制；

利用一生物体过滤器从载氧液体中过滤出生物体，并沿生物体流动管线将其排到废物收集处；

在分离装置中，将载氧液体分离为诸如血浆相的水性相、以及有机全氟化碳等的合成成分含有相，同时沿血浆循环回路输送分离出的合成成分含有相，并将分离出的水性相输送到血液循环回路中；

利用二氧化碳清除装置，从载氧液体中清除出二氧化碳，沿真空管线将清除出的二氧化碳被从二氧化碳清除装置中抽吸走；

在充氧装置中对载氧液体进行充氧，并可选地在充氧装置中向载氧液体中输送营养补充物、载氧液体补充量、以及血液调整物质；以及

在血浆循环回路的脱气装置中对载氧液体执行脱气处理，载氧液体被泵作用着而绕血浆循环回路流动。

具体来讲，载氧液体可包括一种血浆形式的水性成分，通过使载氧液体绕一载氧液体循环回路流动、并流经基质，而使液体灌注充满基质，所述方法包括步骤：调节基质以及载氧液体的温度，以将基质和载氧液体的温度保持在一理想的数值范围内。在此情况下，方法可包括步骤：从绕载氧液体循环回路流动的载氧液体中清除生物体，并将清除出的生物体排出废弃。方法还包括步骤：对绕载氧液体回路流动的载氧液体进行分离，而分离出水性相和含半合成或合成载氧成分的相，水性相基本上不含所述的载氧成分，且所述方法包括步骤：将分离出的含半合成或合成成分的相保留在载氧液体循环回路中，并将分离出的水性相输送到与载氧液体循环回路相连接的血液循环回路中。

所述方法还包括对患者的血液进行处理的过程，从而其可包括如下的一个或多个步骤：

抽取患者的血液—尤其是静脉血；

将血液分离为血浆部分和含血细胞的部分，血浆部分被输送到血浆循环回路内的载氧液体中，同时，含血细胞的部分被返送到患者的身体中(如下文将要描述的那样，随同从血浆循环回路中分离出的血浆相)；

在含细胞部分返回到患者体中之前对其执行脱气处理；以及

将由血浆循环回路中分离装置从载氧液体中分离出的水性相—例如血浆相输送到患者体中，最好是在对含细胞部分执行脱气步骤之前，将水性相输送到含细胞部分中。

具体来讲，在下文中，将用该方法对人体血液进行处理，该方法包括步骤：将从血液循环回路输送来的血液分离为血浆部分和含细胞的部分，血浆部分输送到载氧液体循环回路中的载氧液体中，而含细胞的部分被留在了血液循环回路中。在此情况下，可用半透性的屏障来将血浆部分与含细胞的部分相互分离，其中，血浆部分可透过该半透屏障，但该半透屏障却不允许血细胞透过。

在本发明一特定实施例中，活体细胞可以是肝细胞，例如为人体或猪的肝细胞。因而，细胞可以是猪的肝细胞，这种细胞是从一原生细胞培养体获得的，或者肝细胞也可以是人体的肝细胞，其是从一恶性或变性细胞系获得的，其中的细胞系例如为HUH7细胞系，或者优选为HEP-G2细胞系，这些细胞可选为与实质细胞共同培养。因而，具体来讲，所述活体细胞可从一组细胞中选择，这组细胞包括：猪肝脏细胞、人体肝脏细胞、狒狒肝脏细胞以及这些细胞的混合物，这些细胞通过对血液执行一种人造肝功能，而对血液进行处理。

如果设备或设施带有与患者相连接的血液循环回路且生物反应器中包含肝细胞，则生物反应器中肝细胞的量应当优选为能执行患者所需的至少20％—最为理想为至少30％的基本肝功，该比例最好为更大。另外，优选的是：应当向肝细胞输送氧气和营养物，并从肝细胞清除二氧化碳，输送氧气和养分的速率以及清除二氧化碳的速率应当足以在足够长的时间内维持细胞的活性和细胞的代谢活动，从而可允许在患者体内进行肝脏再生或移植，其中的时间例如为14天或更长。具体来讲，当设备或设施连接到患者上时，其最好具有生物相容性和生物稳定性，且最好应当将患者的排异反应减到最小。在这样的应用环境中，可以领会：生物反应器将作为一人造器官—也就是说一人造肝脏，其可模仿患者自身的正常肝功，并具有一些可能还未知的功能。一般来讲，基质中肝细胞的数量可执行成年人所需基础肝功的至少20％—优选为至少30％，在其中的基质中灌注了载氧液体，通过一充氧装置向载氧液体输送氧气，并利用血浆向载氧液体输送营养物，由充氧装置将载氧液体中二氧化碳清除出去，且通过血浆将载氧液体中的细胞代谢产物清除出去，执行输送或清除的各个速率足以使载氧液体注满基质，用以在至少3天—优选为至少7天、最佳为至少14天的时间内维持细胞的活性和代谢活动。

当用作人造肝脏时，生物反应器装置需要其中的活体细胞能获得供应，尤其是获得氧气和营养物质，同时应能清除出二氧化碳以及其它的代谢产物；与此同时，活体细胞必须要暴露于血液或分离出的血液成分中，其中的血液成分例如为血浆部分，肝脏细胞对这些物质执行它们预期的代谢功能—例如为清除掉血液或其组分中的神经毒素和肝毒素、产生神经营养性因子和肝脏营养性因子以及产生出肝脏特有的抗血友病因子。在此方面，血浆分离装置例如可形成一种半透性的屏障，其例如为半透膜，其能允许不含细胞的液体透入到载氧液体中，但却不允许血液中的细胞透过，类似的情形也适用于生物体过滤器和血浆循环回路中的分离装置，它们例如可形成这样一种半透性屏障：其允许不含细胞的水性液体重新进入到血液循环回路中，其中的水性液体中已分离出了载氧液体所含的大部分合成成分。自然，也可采用离心机等其它的分离装置来取代上述措施。

诸如肝脏细胞等的肝细胞是固附依赖性的，也就是说，其固附到适当的三维基质上将便于其生长和细胞分裂，并增强其有关肝功代谢的功能。本发明的开孔泡沫材料在三维基质中形成了足够大的表面积，足以接纳细胞的着附和固附，其中的固附是由细胞自身来完成的；但如果细胞不能固附就位，或如果需要改善固附效果，就可将细胞封装在聚合物罩壳中，该罩壳可以是多孔或可透过性的，罩壳可被制成或允许粘附到基质上，或者是与基质为一体。取而代之，也可以在泡沫自身上覆盖一种固附增强物质—例如胶原质。

本发明提供了一种用于培养活体细胞的方法，该方法包括步骤：使一种液体循环地流过一基质，该液体为载氧液体，并至少部分地包括一种半合成或合成的载氧成分，基质由泡沫材料制成，其内部是多孔的，活体细胞固附到该内部中，基质构成一载氧液体循环回路的部件，该循环回路用于使载氧液体循环流动，使其流入到容纳着三维基质的一保持器中、流过所述基质、并从保持器中流出，细胞从液体中吸收氧气和养分，液体吸收细胞产生的二氧化碳和其它代谢产物，其中，基质是用所述开孔泡沫材料制成的单体或整体连续介质，且通过将载氧液体灌注过基质来使载氧液体循环流过所述基质。

该载氧液体包括一种血浆形式的水性成分，并通过使液体沿一载氧液体循环回路流动而将液体灌注通过基质，该方法还包括对基质和载氧液体的温度进行调节步骤，从而将基质与载氧液体的温度保持在理想的数值范围内。

所述方法还包括步骤：从围绕载氧液体循环回路流动的载氧液体中分离出生物质，并将分离出的生物质排到废物收集处。

所述方法还包括步骤：对围绕载氧液体回路流动的载氧液体进行分离，而分离出水性相和含半合成或合成载氧成分的相，水性相基本上不含所述的载氧成分，且所述方法包括步骤：将分离出的含半合成或合成成分的相保留在载氧液体循环回路中，并将分离出的水性相输送到与载氧液体循环回路相连接的血液循环回路中。

所述方法还包括：对人体血液进行处理的过程，并包括将血液循环回路的血液分离为血浆部分和含细胞部分的步骤，其中的血浆部分被输送到载氧液体循环回路内的载氧液体中，含细胞部分被留在血液循环回路中。

根据所述方法，用半透性的屏障(70)来将血浆部分与含细胞部分相互分离，其中，血浆部分可透过该半透屏障，但该半透屏障却不允许血细胞透过。

所述活体细胞从一组细胞中选择，这组细胞包括：猪肝脏细胞、人体肝脏细胞、狒狒肝脏细胞以及这些细胞的混合物，这些细胞通过对血液执行一种人造肝的功能，而对血液进行处理。

基质中肝细胞的数量可执行成年人所需基础肝功的至少20％，在其中的基质中灌注了载氧液体，通过一充氧装置向载氧液体输送氧气，并利用血浆向载氧液体输送营养物，由充氧装置将载氧液体中的二氧化碳清除出去，且通过血浆将载氧液体中的细胞代谢产物清除出去，各个速率足以使载氧液体注满基质，以在至少3天的时间内维持细胞的存活和代谢活动。

附图说明

下文将参照附图，通过示范的、非限定性实施例来对本发明进行介绍，在附图中，唯一的一个附图是根据本发明的设施的流路示意图。

具体实施方式

在附图中，数字标号10总体上指代一根据本发明的、非便携式的设施。该设施10的主要部件是一个生物反应器12，其包括一反应容器或反应罐14形式的保持器，其带有一加热/冷却护套16，并容纳了一个基质体(图中的交叉阴影线部分18)，基质是由具有生物相容性和生物稳定性的聚亚安酯开孔泡沫构成的。在该泡沫的孔室内部，容纳有人体的肝细胞(图中未示出)，数量约为2.5×10¹¹个细胞，也就是说，通常约为正常成年人肝脏的20-30％。图中所示的护套16为加热/冷却水设置了一位于低位的加热/冷却水入流管线20和一个位于高位的出流管线22。水流管线20和22引向一加热/冷却水源(图中未示出)，加热/冷却水借助于水泵(图中未示出)以一定的流量和/或温度流过护套16，其中的温度由连接到反应罐14上或安装在反应罐14中的一恒温器进行调节，从而可保持在理想的数值上，对于人体肝细胞，该温度也就是指37℃。

生物反应器12具有位于高处的液体进口，由泵24通过流动管线26、以＜600ml/分的流量向该进口输送液体，其中的流量优选为100-250ml/分；且装置12具有一位于低位的液体出口，其通过流动管线28向一生物体过滤器30输送液体。生物体过滤器30具有一过滤膜32和一生物体排出口，排出口沿一条生物体流动管线34通向废物收集处，并具有一滤液出口，其沿滤液流动管线36向一分离装置38输送液体。装置38是用于将乳浊液中的各种液相分离开，也就是如下文将要介绍的那样，如果采用了全氟化碳的载氧液体合成成分，该装置要将水性液相与全氟化碳液相分离开。当采用了其他的合成载氧液体成分时—例如采用了溶解后的不含细胞的血红蛋白或悬浮的脂质封装血红蛋白时，分离装置自然要采用其它的分离技术。

分离装置38具有一相分离隔膜40，并具有一对出口—也即是通向全氟化碳流动管线42的全氟化碳相出口以及通向水性或血浆相流动管线46的水性相或血浆相出口，其中的流动管线42通向一个二氧化碳清除装置44，管线46通向一脱气装置48。装置44具有一液体出口，其连接于通向充氧装置52的液体流动管线50上，并具有一二氧化碳出口，其连接于通向一真空泵(图中未示出)的二氧化碳真空抽流管线54上。

充氧装置52与一营养溶液供应管线56、一有机物相补充管线58、以及一氧气供应管线60相连接。装置52具有一液体出口，其向一条液体流动管线62供应液体，管线通向一脱气装置64，该装置依次具有一液体出口，其连接于通向泵24进口的流动管线66上。还可在装置52上连接一血液调整供应管线(图中未示出)，用于将血液调整物质输送装置52中的液体中。

泵24、生物反应器12、过滤器30、分离装置38、二氧化碳清除装置44、充氧装置52和脱气装置64以及连接这些装置的流动管线一起构成了一血浆循环回路。

设施10还包括一血浆分离装置68，其具有半透性的隔膜70。装置68具有一血浆出口，其连接到一通向管线66的血浆流动管线72上，并具有一含细胞的全血出口，其连接到一通向管线46的液体流动管线74上，位于分离装置38和脱气装置48之间。血浆分离装置68由泵76沿管线78输送液体。

最后，如图所示，血液供应管线80通入到泵76的进口中，同时，脱气装置48的出口连接于回流管线82上，管线80和82分别引出或引入到患者(图中未示出)的静脉系统中，并与这些静脉系统相连通。泵76、分离装置68、脱气装置48与患者身体以及它们之间的连接管线共同构成了一血液循环回路。

根据本发明的方法，利用泵76将静脉血经管线80连续地从患者体内抽出，该抽吸流量小于400ml/分，优选为150-250ml/分，静脉血被沿管线78泵送到分离装置68中，在该装置中，其被分离成全血部分和血浆部分。从装置68输出的血浆部分的流量小于200ml/分，优选为50-150ml/分，这些血浆部分沿管线72在84处与管线66交汇，所输出的全血部分沿管线74的流量小于200ml/分，优选为50-150ml/分，并在86处与管线46交汇。从装置64引出的管线66包含有全氟化碳相，该液相中包括一种合适的全氟化碳—也就是体积浓度为10-60％的全氟甲基溴辛烷。从装置68输出的血浆与从装置64输出到管线66中的、含有全氟化碳的预制乳浊液相混合，乳浊液中包含作为乳化剂的蛋黄卵磷脂，乳浊液中具有作为其分散相的全氟化碳，乳浊液流入到反应罐14的顶部。

在反应罐14中，乳浊液向下灌注经过基质18，并与基质中固附的活体肝脏细胞相接触。水流沿管线20、22流动到护套16，并从护套16流出，由此来将基质中乳浊液的温度基本控制在37℃上。肝细胞从乳浊液中吸收氧气和营养物质，乳浊液吸收肝细胞产生的二氧化碳和其它代谢产物。乳浊液沿管线28从装置流到生物体过滤器30中。

在过滤器30中，将乳浊液进行过滤而除去其中的生物体，过滤后的生物体沿管线34从过滤器30中排出到废物收集处。经过过滤的乳浊液沿管线36从过滤器30中排出到分离装置38中，在该装置中，乳浊液被分离成水性相或血浆相以及全氟化碳相。全氟化碳相沿流动管线42流出离开装置38，并流入到二氧化碳清除装置44中，水性相或血浆相沿流动管线46离开装置38而流入到脱气装置48中，水性相或血浆相在装置48上游的位置86处接收到从管线74输送来的全血。然后在脱气装置48中对包含全血和所述水性相或血浆相的血液执行脱气处理，然后再沿管线82将血液返送到患者的静脉系统中。

在装置44中，在真空作用下，将二氧化碳清除出去，并沿管线54排出，全氟化碳相沿管线50离开装置44流入到充氧装置52中。自然，也可以用其它的技术来除去二氧化碳。

在充氧装置52中，沿管线56、管线58和管线60分别向全氟化碳相输送营养物、全氟化碳补充量以及氧气，全氟化碳相沿管线62离开装置52而进入到装置64中，在该装置中对其执行脱气处理。还可以利用一条供应管线(图中未示出)向装置52中的全氟化碳相输送血液调整物质—例如pH值控制物质。

分离装置68的作用在于防止具有免疫活性的血细胞进入到载氧液体中，从而可减小当从人体获得的免疫活性细胞与生物反应器系统中的异体细胞相接触而发生排异反应的可能性。

本发明的一个特征在于将血浆载体的循环回路与血液循环回路分隔开，从而允许载氧液体能以更大的流量循环流过生物反应器，该流量能大于从患者连续抽取血液的流量。在这一点上，分离装置38可起到一储存器的作用，用于储存载氧液体。本发明另一特征在于：将各个装置和流动管线充分地隔绝开，或者通过适当的加热和/或冷却措施来对温度进行调节，从而可将设施中液体的温度始终保持在接近于37℃的温度上。

本发明的优点具体如上文参照附图所描述的那样，其优点在于：其可使肝细胞在14天或更长的时间内保持存活并维持其代谢活动。这些细胞可清除掉患者血液中的神经毒素和肝脏毒素，并能产生神经营养性因子、肝脏营养性因子以及肝脏特有的抗血友病因子，同时还能执行其它的肝脏代谢活动。如果装置中包含有足够多数目的肝细胞—例如为患者肝脏细胞数的20％或更多，则本发明就能使患者的肝脏得到再生恢复，或者可以使患者渡过桥接期(bridging period)，直到能进行肝脏移植为止。

Claims (14)

1.一种生物反应器装置(12)，其包括一保持器(14)，其中容纳着由泡沫材料制成的三维基质，泡沫材料的内部为多孔的，并在其多孔的内部中容纳着猪肝脏细胞、人体肝脏细胞、狒狒肝脏细胞以及这些细胞的混合物，且利用该材料固附着猪肝脏细胞、人体肝脏细胞、狒狒肝脏细胞以及这些细胞的混合物，生物反应器装置(12)还包括一种容纳在保持器(14)中的液体，该液体为氧气载体，其浸泡并渗入到基质(18)中，载氧液体包括一种水性液体并且包含一种合成或半合成的载氧成分，该载氧成分包括至少一种从一组材料中选出的组分，这组材料包括不含细胞的血红蛋白、交联血红蛋白、微脂粒封装的血红蛋白以及全氟化碳，该生物反应器(12)的特征在于：

基质(18)是用泡沫材料制成的单体或整体连续介质，泡沫材料为开孔的泡沫材料，且该装置(12)构成一载氧液体循环回路的部件，该循环回路用于使载氧液体流入到保持器(14)中、用于使所述液体循环灌注通过其中固附着猪肝脏细胞、人体肝脏细胞、狒狒肝脏细胞以及这些细胞的混合物的基质(18)、以及用于使其从保持器(14)中循环流出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：开孔泡沫材料是具有生物相容性和生物稳定性的材料，其是聚合泡沫材料。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：泡沫材料是一种聚合物泡沫，该聚合物是从一组材料中选出的，这组材料包括：聚氨酯聚合物、聚氯乙烯聚合物、聚乙烯聚合物、聚丙烯聚合物、聚苯乙烯聚合物、上述聚合物的共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯聚合物、聚酰胺聚合物、聚己二酰己二胺聚合物、聚亚己基癸二酰胺聚合物、聚己酸内酯聚合物、聚对苯二甲酸乙二酯聚合物、聚对苯二甲酸丁二醇酯聚合物、聚碳酸酯聚合物、聚缩醛聚合物、聚乙烯醇聚合物、尿素甲醛聚合物、含氟聚合物、含硅聚合物以及上述聚合物和共聚物的混合物。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：猪肝脏细胞、人体肝脏细胞、狒狒肝脏细胞以及这些细胞的混合物是哺乳动物的细胞，所述载氧液体构成了一种血液代用品，其作为二氧化碳的载体。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：合成或半合成的载氧成分是人工合成的全氟化碳，载氧液体是一种包含有机物相和水相的乳浊液，有机物相包括全氟化碳，并为乳浊液中的分散相，水相为乳浊液的连续相，并包括水性液体。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：合成或半合成的成分是不含细胞的血红蛋白，不含细胞的血红蛋白被溶解到水性液体，且水性液体为血浆。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：合成或半合成的成分是微脂粒封装的血红蛋白，微脂粒封装的血红蛋白作为悬浮物悬浮在水性液体中，且水性液体为血浆。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：保持器(14)是一反应罐或一反应容器(14)，其具有一载氧液体进口和一载氧液体出口，载氧液体出口低于载氧液体进口，从而形成一载氧液体排出口，保持器(14)上设置有一温度调节装置(16)，用于调节基质(18)和载氧液体的温度。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：该装置构成了一温度调节液体循环回路的一部分，该循环回路用于使温度调节液体循环到保持器(14)中，且从保持器(14)中流出，保持器(14)上设置有一温度调节装置(16)，其形式是为保持器(14)设置的一个中空温度调节护套(16)，护套(16)具有为调温液体设置的进口(20)和出口(22)，温度调节回路包括：一液体循环装置，用于使调温液体沿该温度调节回路进行循环流动；一恒温器；以及一远离保持器的传热装置，其可响应于恒温器传来的信号而工作，从而控制调温液体的温度，进而调节基质(18)和载氧液体的温度。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：载氧液体的循环回路包括至少一个装置，该装置是从一组装置中选出的，这组装置为：用于使载氧液体绕回路循环的液体循环装置(24)；生物质清除装置(30)，用于清除从保持器(14)流出的载氧液体中所含的生物质；分离装置(38)，用于将载氧液体中的合成或半合成成分与其它成分分离开；二氧化碳清除装置(44)，用于清除出载氧液体所含的二氧化碳；充氧装置(52)，用于对载氧液体进行充氧；以及脱气装置(64)，用于对载氧液体执行脱气处理。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：循环回路包括所述装置组中的多个装置，这些装置被设置成从保持器(14)开始按照一定次序进行排列，该装置序列中包括单个的生物质清除装置(30)，之后依次是单个的分离装置(38)、单个的二氧化碳清除装置(44)、单个的充氧装置(52)、单个的脱气装置(64)以及单个的液体循环装置(24)，保持器(14)连接在液体循环装置(24)之后，从而形成了封闭或闭环的回路，且液体循环装置(24)被设置成使载氧液体沿一定的方向在回路中循环，该方向即为所述那组装置彼此的依次连接次序。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：载氧液体循环回路与一血液循环回路相连接，用于使血液循环流动而与载氧液体循环回路中的载氧液体相接触，从而将不含细胞的血液组分输送到载氧液体回路中，并接收或回收载氧液体回路中不含细胞的水性载氧液体成分，血液循环回路包括：一血液循环装置(76)，用于使血液绕血液循环回路循环流动；一血浆分离装置(68)，用于将绕血液循环回路循环流动的血液分离为不含细胞的血浆部分、含有血细胞以及一些血浆的血细胞含有部分；以及一脱气装置(48)，用于对绕血液循环回路循环的血液执行脱气处理。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：血液循环回路中各个装置按一定次序进行布置，在该次序中，血液循环装置(76)的后方依次连接着血浆分离装置(68)和脱气装置(48)，血液循环装置(76)被设置成使血液绕血液循环回路以一定的方向流动，该方向即为血液循环回路中各装置彼此依次连接的方向。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：载氧液体循环回路与血液循环回路之间的连接是载氧液体循环回路与血液循环回路中血浆分离装置(68)之间的连接。

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