CN201418905Y - 人工肝用纤维网片叠加式生物反应器 - Google Patents

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李兰娟
朱春侠
喻成波
曹红翠
杜维波
潘小平
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Abstract

本实用新型涉及医疗设备，旨在提供一种人工肝用纤维网片叠加式生物反应器。该反应器包括反应器外壳，反应器外壳内布置若干纵向叠加的中空纤维网片，中空纤维网片由中空纤维编织而成，若干竖向布置的中空纤维穿过前述中空纤维网片的网格的中心，所述中空纤维均为聚砜中空纤维；反应器外壳的底端设细胞悬液入口和液体入口，顶端设细胞悬液出口和液体出口，侧壁对向设置气体入口和气体出口。本实用新型具备三维立体培养结构、兼具氧合和免疫阻隔功能、细胞活性和功能佳、易于放大。

Description

人工肝用纤维网片叠加式生物反应器
技术领域
本实用新型涉及一种医疗设备，具体地说，是一种生物型或混合型人工肝治疗的核心装置，即人工肝用纤维网片叠加式生物反应器。
背景技术
生物反应器(即反应器)是生物型和混合型人工肝治疗的核心装置，既为外源性肝细胞和患者血液或血浆提供物质交换的场所，又为肝细胞提供适宜的生长环境，应用前景广阔。理想的人工肝用生物反应器，应当符合以下基本要求：1、充足的肝细胞生长空间，支持一名肝衰竭患者约需10％的正常肝脏质量，折合肝细胞数约150亿。2、良好的生物相容性，能保证肝细胞的活性和功能。3、中小物质双向传输，大分子物质免疫阻隔。
迄今生物反应器主要有四种类型：中空纤维型、平板单层培养型、灌流床式/支架型、细胞包裹/悬浮型。中空纤维型反应器，因为具有黏附表面便于肝细胞贴壁生长，有免疫阻隔作用，细胞受剪切力小等优点，是目前应用最多的类型。但它存在以下缺点：1、传统的中空纤维反应器内，纤维平行紧密排列，无论是在腔内或腔外培养，肝细胞生长空间都显不足；2、只能为肝细胞提供二维培养，不能提供三维立体培养，细胞活性及功能不佳，难以在组织化；3、细胞分布不均；4、细胞易堵塞半透膜，影响物质交换。灌流床式/支架型反应器，具有能为肝细胞提供三维培养环境，容易放大，物质交换良好的优点，在动物实验和细胞培养方面应用也较多，但存在以下问题：1、缺乏免疫隔离的安全隐患；2、支架内部孔隙多是不规则不均匀的，易产生灌流不均，支架整体的中心及边缘地带易产生无效腔、死腔；3、由于通过大量支架的阻力大，所需的灌流强度大，致细胞受剪切力大，难以放大；4、反应器的制作受到支架材料制作工艺的限制。而平板单层培养型反应器由于体表面积比小、放大复杂，细胞包裹悬浮型由于悬浮细胞的稳定性不佳、包裹细胞的物质交换受影响，近来研究报道较少。
如何研制和改良生物反应器，扬长避短，克服缺陷，成为新近国内外研究的热点。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种具备三维立体培养结构、兼具氧合和免疫阻隔功能、细胞活性和功能佳、易于放大的人工肝用纤维网片叠加式生物反应器。
本实用新型的人工肝用纤维网片叠加式生物反应器，包括反应器外壳，反应器外壳内布置若干纵向叠加的中空纤维网片，中空纤维网片由中空纤维编织而成，若干竖向布置的中空纤维穿过前述中空纤维网片的网格的中心，所述中空纤维均为聚砜中空纤维；反应器外壳的底端设细胞悬液入口和液体入口，顶端设细胞悬液出口和液体出口，侧壁对向设置气体入口和气体出口；
所述用于编织中空纤维网片的中空纤维的内部是气体通道，其一端连接气体入口，另一端连接气体出口；所述竖向布置的中空纤维的内部是液体通道，其一端连接液体入口，另一端连接液体出口；所有的中空纤维的外壁与反应器外壳的内壁共同构成肝细胞的三维生长空间，与细胞悬液出口和细胞悬液入口连通。
所述细胞悬液入口和细胞悬液出口处均装有滤菌器，并以旋盖固定于反应器外壳上。
所述用于编织中空纤维网片的中空纤维是透气不透水的纤维连接蛋白修饰的聚砜中空纤维或聚醚砜中空纤维。
所述竖向布置的中空纤维是孔径0.2μm、分子截留量50～100kD且未经修饰的聚砜中空纤维或聚醚砜中空纤维。
所述中空纤维网片的网格边长为1mm。
所述纵向叠加的中空纤维网片是按照300μm的间距粘合叠加而成。
所述反应器外壳是长方体或圆柱体透明有机玻璃外壳。
所述反应器外壳侧壁对向设置的气体入口和气体出口分别有两个，两组气体入口和气体出口分别对应一个方向的用于编织中空纤维网片的中空纤维，构成独立的气体通道。
本实用新型具有的有益效果是：
利用中空纤维的空间组合，不引入三维生物支架，却实现了三维立体培养，有利于肝细胞功能活性的提高和长久维持，易于组织化；纤维组合构成的立体孔隙规则均匀，液流阻力小，细胞所受剪切力小，细胞分布较均匀；利用不同特性中空纤维的组合，使得氧合充分、兼具免疫阻隔功能，物质交换效率高，改善了细胞易堵塞半透膜的缺陷。结构简单紧凑、所用的中空纤维材料制作工艺成熟、实用性强、易于放大。
附图说明
图1为本实用新型的反应器纵向剖面结构示意图；
图2为本实用新型的反应器纵向剖面结构示意图；
图3为生物型人工肝支持系统应用示意图。
附图标记：中空纤维网片1、竖向布置的中空纤维2、肝细胞的三维生长空间3、反应器外壳4、液体入口5、液体出口6、气体入口7、气体出口8、细胞悬液入口9、细胞悬液出口10、滤菌器11、旋盖12、患者或实验动物13、血浆分离器14、体外循环池15。
具体实施方式
本实用新型的人工肝用纤维网片叠加式生物反应器，中空纤维网片的间距、网格大小以及反应器规模可根据实际应用放大或缩小。
下面结合具体实施方式对本实用新型进一步详细描述：
本实施例中的人工肝用纤维网片叠加式生物反应器，包括一个透明有机玻璃的反应器外壳4。反应器外壳4的底端设细胞悬液入口9和液体入口5，顶端设细胞悬液出口10和液体出口6，侧壁对向设置气体入口7和气体出口8。细胞悬液入口9和细胞悬液出口10处均装有滤菌器11，并以旋盖12固定于反应器外壳4上。
反应器外壳4内布置若干纵向叠加的中空纤维网片1，中空纤维网片1由表面适合肝细胞生长的、透气不透水的纤维连接蛋白修饰的聚砜中空纤维编织而成。网片上密布的网格边长为1mm，各层网片按照300μm的间距粘合叠加而成。中空纤维网片1的中空纤维的内部是氧气和二氧化碳混合气体的通道，其一端连接气体入口7，另一端连接气体出口8。
反应器外壳侧壁中部对向设置的气体入口7和气体出口8分别有两个，两组气体入口7和气体出口8分别对应一个方向的用于编织中空纤维网片1的中空纤维，构成独立的气体通道。当然也可以在容器壁隔断上进行设计，只采用一组气体入口7和气体出口8。
若干竖向布置的中空纤维2穿过中空纤维网片1的网格的中心，竖向布置的中空纤维2是孔径0.2μm、分子截留量50～100kD且未经修饰的聚砜中空纤维，具备生物相容性良好和免疫隔离效果，并可减小肝细胞在其表面快速生长堵塞纤维孔的风险。竖向布置的中空纤维2的内部是血浆或培养液的通道，其一端连接液体入口，另一端连接液体出口。
中空纤维网片1的中空纤维的特点是：透气不透水，且表面易于肝细胞生长；竖向布置的中空纤维2的特点是：透气透水、具有免疫阻隔作用，具有良好生物相容性，表面不必很易于肝细胞生长，以减少细胞在其表面生长过快而堵塞纤维孔的风险。按照这个标准，还可选用聚醚砜等具备同样特性的材质作为中空纤维。
所有的中空纤维的外壁与反应器外壳4的内壁共同构成肝细胞的三维生长空间3，该空间与细胞悬液入口9和细胞悬液出口10连通。肝细胞主要黏附于中空纤维网片1的表面，部分黏附于竖向布置的中空纤维2的表面，呈三维立体生长，易于组织化。
与细胞悬液入口9和细胞悬液出口10在反应器内交织的部分中空纤维可以撤去，以便于肝细胞悬液的流入和流出。
本实施例中的使用过程如下：
患者或实验动物13的血液引出体外后，首先经血浆分离器14分离为细胞成份和血浆成份，其中血浆成份进入体外循环池15，然后从液体入口5进入反应器内，由竖向的中空纤维2的内腔流出，与肝细胞的三维生长空间3中的肝细胞(肝细胞为预先接种和培养)充分接触后，流回竖向的中空纤维2的内腔，自下而上至反应器顶部的液体出口6流出，返回循环池15。经过多次循环后，再与血液中的细胞成份一起回输体内。
肝细胞可选用原代人、猪肝细胞或肝细胞系等，简述接种和培养步骤如下：
1、用培养液配制成合适浓度的肝细胞悬液。
2、打开细胞悬液入口9的旋盖12，将肝细胞悬液注入反应器内，至细胞悬液充满反应器从顶部的细胞悬液出口10溢出为止。肝细胞黏附于中空纤维外壁，约24小时后贴附牢固。
3、从细胞悬液入口9灌入新鲜培养基，经过反应器自细胞悬液出口10流出，冲去未贴壁的肝细胞。
4、将该反应器与体外循环池15等按图3虚线框内所示，连成肝细胞培养循环通路，新鲜的培养基分别从液体入口5和液体出口6流入和流出反应器，为肝细胞提供养分并带走代谢产物。
5、培养合适时间后，可以按图3连接组合成生物型人工肝支持系统。

Claims (9)

1、一种人工肝用纤维网片叠加式生物反应器，包括反应器外壳，其特征在于，反应器外壳内布置若干纵向叠加的中空纤维网片，中空纤维网片由中空纤维编织而成，若干竖向布置的中空纤维穿过前述中空纤维网片的网格的中心，所述中空纤维是聚砜中空纤维或聚醚砜中空纤维；反应器外壳的底端设细胞悬液入口和液体入口，顶端设细胞悬液出口和液体出口，侧壁对向设置气体入口和气体出口；
所述用于编织中空纤维网片的中空纤维的内部是气体通道，其一端连接气体入口，另一端连接气体出口；所述竖向布置的中空纤维的内部是液体通道，其一端连接液体入口，另一端连接液体出口；所有的中空纤维的外壁与反应器外壳的内壁共同构成肝细胞的三维生长空间，与细胞悬液出口和细胞悬液入口连通。
2、根据权利要求1所述的人工肝用纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述细胞悬液入口和细胞悬液出口处装有滤菌器，以旋盖固定于反应器外壳上。
3、根据权利要求1所述的人工肝用纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述用于编织中空纤维网片的中空纤维是透气不透水的纤维连接蛋白修饰的聚砜中空纤维或聚醚砜中空纤维。
4、根据权利要求1所述的人工肝用纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述竖向布置的中空纤维是孔径0.2μm、分子截留量50～100kD且未经修饰的聚砜中空纤维或聚醚砜中空纤维。
5、根据权利要求1所述的人工肝用纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述中空纤维网片的网格边长为1mm。
6、根据权利要求1所述的人工肝用纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述纵向叠加的中空纤维网片是按照300μm的间距粘合叠加而成。
7、根据权利要求1所述的人工肝用纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述反应器外壳是长方体或圆柱体。
8、根据权利要求1所述的人工肝用纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述反应器外壳是透明有机玻璃外壳。
9、根据权利要求1所述的人工肝用纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述反应器外壳侧壁对向设置的气体入口和气体出口分别有两个，两组气体入口和气体出口分别对应一个方向的用于编织中空纤维网片的中空纤维，构成独立的气体通道。
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C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Weihai Weigao Life Science & Technology Co., Ltd.

Assignor: Zhejiang University

Contract record no.: 2012330000161

Denomination of utility model: Fiber mesh stacked bioreactor for artificial liver

Granted publication date: 20100310

License type: Exclusive License

Record date: 20120411

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Granted publication date: 20100310

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