CN202096521U - 集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器，它由端盖部和主体部螺纹连接组成，端盖部内的第一腔体和主体部内的第二腔体通过螺纹连接共同构成漏斗型的内容腔，内容腔的侧壁与生物反应器的外壳之间形成外容腔，内容腔和外容腔通过设于端盖部外壳内部的液体通道连通。外容腔由第一隔板和第二隔板由上至下依次分隔成上储液池、氧合区和下储液池。上储液池中的液体经过氧合器的中空纤维内腔流入下储液池，后由下储液池液体出口经内容腔液体入口泵回反应器内容腔，从而实现治疗对象血浆的循环灌流。

Description

集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器

技术领域

     本实用新型属于生物医学技术领域，涉及一种医疗设备，是特定的生物人工肝或者混合型人工肝的核心装置。

背景技术

   肝衰竭死亡率高极高，内科保守治疗效果不佳，故人们正致力于各种类型人工肝尤其是生物型和混合型人工肝的研发工作，期待它们能够替代病损的肝脏执行相关功能，帮助病人自我康复或者等待肝移植。生物反应器是生物人工肝和混合型人工肝的核心装置，它不仅要提供患者血浆和外源性肝细胞进行物质交换的场所，还需具备免疫隔离能力和一定的容量。中空纤维生物反应器是目前使用最广泛的生物反应器，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。近年来人们发现微囊化肝细胞有用于生物人工肝的潜在价值――包裹细胞的微囊外壳类似于半透膜，可以进行物质交换和免疫隔离，微囊里的细胞可以三维生长，因而功能更强。此后人们发明了适用于微囊化肝细胞的固化床反应器，实验证明了其在物质通透性方面独特的优势。然而后续的研究发现固化床反应器存在较大的缺陷――运转过程中许多微囊化肝细胞处于低灌流状态，微囊化肝细胞所受剪切力较大。针对这些缺点，现有技术以人工肝用微囊悬浮型流化床式生物反应器(中国专利号：ZL200710070279.0)为核心构建了一套新型的生物人工肝系统，动物试验表明该系统具有良好的疗效。但也发现由该人工肝用微囊悬浮型流化床式生物反应器(中国专利号：ZL200710070279.0)组成的新生物人工肝系统有一些需要改进和完善地方：（1）患者血浆仅一次性通过反应器，物质交换是不够的，需要有装置使从治疗对象体内引出的血浆循环灌流于反应器。（2）从治疗对象体内引出的血浆的流速有限，而反应器需要较高的液体流速才能使得微囊化肝细胞充分地悬浮和流化。（3）生物反应器中的肝细胞需要适当的氧气供应，以持久的保持功能和活力，而仅凭未经氧合器补给氧气的治疗对象血浆所携带的氧气是远远不够的。（4）人工肝用微囊悬浮型流化床式生物反应器(中国专利号：ZL200710070279.0)中微囊化肝细胞的入口较小，向反应器内腔加入微囊化肝细胞不太方便。外设的储液池和氧合器可以解决上述（1）至（3）项问题，但这将使装置增多，也需要相对更大的恒温箱来放置上述装置，操作起来比较繁琐，系统占用空间也太大，不利于临床应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种自身可实现循环灌流的集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器。

为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：该集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器由端盖部和主体部组成，所述端盖部内设有第一腔体，所述主体部内设有第二腔体，所述第二腔体的上端与第一腔体的下端螺纹连接而共同形成漏斗型内容腔；在端盖部的顶部中间区域设有内容腔第一液体出口，内容腔第一液体出口的内侧固定有第一细胞滤器；在主体部的底部中间区域设有内容腔液体入口，所述内容腔液体入口的内侧固定有第二细胞滤器；所述端盖部的外壳的下端与所述主体部的外壳的上端螺纹连接而共同形成所述生物反应器的外壳，并在所述内容腔的侧壁的外侧与生物反应器的外壳的内侧之间形成外容腔；所述外容腔由第一隔板和第二隔板由上至下依次分隔成上储液池、氧合区和下储液池；所述氧合区内固定安装有由中空纤维围绕内容腔组成的氧合器，所述上储液池和下储液池通过所述中空纤维连通；所述端盖部的外壳的内部设有液体通道，所述内容腔与上储液池通过该液体通道连通；在所述生物反应器的外壳上，分别于上储液池的上端处设有上储液池第一液体入口和上储液池压力平衡孔、于下储液池的上端处设有下储液池压力平衡孔、于下储液池的下端处设有下储液池液体出口，所述上储液池压力平衡孔和下储液池压力平衡孔内均设有滤菌膜；所述第一腔体内固定安装有第一细胞网筛，所述内容腔的颈部处固定安装有第二细胞网筛，所述第一细胞网筛和第二细胞网筛之间的内容腔区域内容纳有微囊化肝细胞。

进一步地，本实用新型在端盖部的顶部中间区域还设有内容腔第二液体出口，所述液体通道的上端延伸至所述内容腔第二液体出口处，液体通道的下端延伸至所述上储液池。

进一步地，本实用新型所述内容腔第一液体出口和内容腔第二液体出口由共同出口分叉形成。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：针对原人工肝用微囊悬浮型流化床式生物反应器(中国专利号：ZL200710070279.0)漏斗型的空间特点，在不引入外设储液池和氧合器、反应器的占用空间增大不明显的前提下，把储液池和氧合器设计整合在反应器当中。从而实现血浆（或液体）循环灌流于反应器，并且灌流速度不受从治疗对象体内引出的血浆的流速限制，推动微囊充分悬浮流化、物质充分地交换，还可向反应器内微囊化肝细胞适度供氧。本实用新型生物反应器的应用可减少生物人工肝系统中设备的使用数量，减少系统占用的空间，便于临床应用。此外，本实用新型生物反应器开放式的结构可以方便使用者向内容腔加入微囊化肝细胞。

附图说明

图1为本实用新型生物反应器的立体结构示意图； 

图2为本实用新型生物反应器端盖部和主体部分解示意图；

图3是图1的A-A剖视图；

图4为本实用新型生物反应器外接系统辅助装置示意图；

图中， 1.内容腔第一液体出口，2.内容腔第一液体出口配属阀门，3.内容腔第二液体出口，4.内容腔第二液体出口配属阀门，5.第一腔体的侧壁，6.端盖部的外壳，7.第一细胞滤器，8.上储液池第一液体入口配属阀门，9.上储液池第一液体入口，10.内容腔的侧壁，11.上储液池，12.氧合器，13.氧合器气体入口，14.下储液池，15.第二细胞网筛，16.内容腔液体入口，17,内容腔液体入口配属阀门，18.第二细胞滤器，19.下储液池液体出口，20.下储液池液体出口配属阀门，21.下储液池压力平衡孔滤菌膜，22.下储液池压力平衡孔，23.下储液池压力平衡孔配属阀门，24.微囊化肝细胞，25.第二腔体的侧壁，26.氧合器气体出口，27.内容腔，28.内隔板衔接处，29.外壳衔接处，30.上储液池压力平衡孔滤菌膜，31.上储液池压力平衡孔，32.上储液池压力平衡孔配属阀门，33.第一细胞网筛，34.液体通道，35.主体部的外壳，36.端盖部，37.第一腔体，38.端盖部外壳下端螺纹，39.端盖部内隔板下端螺纹，40.主体部外壳上端螺纹，41.主体部内隔板上端螺纹，42.主体部，43.第二腔体，44.治疗对象，45.第一血液泵，46.第二血液泵，47.血浆分离器，48.一种集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器，49.延长管，50.液体出口，51.三通阀门，52.第三血液泵，53.氧气罐，54.免疫分子吸附器，55.第四血液泵，56.生物反应器的外壳，57.第一隔板，58.第二隔板，59.上储液池第二液体入口，60.中空纤维。

具体实施方式

如图1和图2所示，一般地，本实用新型的集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器48的外观为圆柱形，高20cm,外径10cm，由端盖部36和主体部42组合而成，具体地说，端盖部36的外壳和主体部42的外壳通过端盖部外壳下端螺纹38和主体部外壳上端螺纹40在外壳衔接处29处进行螺纹连接而共同形成该反应器完整的外壳56。端盖部36通过其内隔板分隔出第一腔体37，端盖部36的内隔板即为第一腔体37的侧壁5；主体部42则通过其内隔板分隔出第二腔体43，主体部42的内隔板即为第二腔体的侧壁25；通过端盖部内隔板下端螺纹39和主体部内隔板上端螺纹41在内隔板衔接处28进行螺纹连接，第一腔体37和第二腔体43共同形成漏斗型内容腔27, 端盖部36的内隔板和主体部42的内隔板共同构成内容腔27的侧壁10，漏斗型内容腔27的颈部位于第二腔体43所在区段；而在内容腔27的侧壁10的外侧与反应器外壳56的内侧之间形成外容腔。外容腔由第一隔板57和第二隔板58由上至下依次分隔成上储液池11、氧合区和下储液池14。其中，如图3所示，氧合区内固定安装有由中空纤维60围绕内容腔27组成的氧合器12，上储液池11和下储液池14通过所述中空纤维连通。端盖部36的外壳的顶部中间区域设有内容腔第一液体出口1，内容腔第一液体出口1的内侧固定有第一细胞滤器7。端盖部36的外壳的内部设有液体通道34，内容腔27与上储液池11通过该液体通道34连通。作为本实用新型的优先实施方式，端盖部36的外壳的顶部中间区域还设有内容腔第二液体出口3，液体通道34的上端延伸至端盖部的外壳的顶部中间区域直至内容腔第二液体出口3处，内容腔第二液体出口3即为液体通道的上端开口3。如图1和图2所示，内容腔第一液体出口1和内容腔第二液体出口3优选由共同出口分叉形成。液体通道34的下端延伸至上储液池11，液体通道34的下端开口即为上储液池第二液体入口59。在主体部42的外壳的底部中间区域设有内容腔液体入口16，内容腔液体入口内侧固定有第二细胞滤器18。在生物反应器的外壳上，分别于上储液池11的上端处设有上储液池第一液体入口9和上储液池压力平衡孔31，于下储液池的上端处设有下储液池压力平衡孔22，于下储液池的下端处设有下储液池液体出口19。上储液池压力平衡孔31和下储液池压力平衡孔22内侧均设有滤菌膜。第一腔体内安装有第一细胞网筛33，第一细胞网筛33固定于第一腔体的侧壁5的内侧（即端盖部的内隔板的内侧），内容腔27的颈部处（即“漏斗”的颈部处）安装有第二细胞网筛15，第二细胞网筛15固定于第二腔体的颈部内侧（即主体部的内隔板下端内侧）。第一细胞网筛33和第二细胞网筛15之间的内容腔区域内容纳微囊化肝细胞。本实用新型生物反应器的各液体出入口和压力平衡孔均设有配属阀门。

本实用新型集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器分为端盖部36和主体部42两部分，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的内容腔内加入微囊化肝细胞。端盖部36和主体部42之间的螺纹衔接要起到密封作用，并能承受较大压力，防止液体从内容腔和/或外容腔渗出。

本实用新型集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器在外容腔中间的氧合区内固定有氧合器12，它是由纵向排列的透气不透水的中空纤维60环绕反应器内容腔27组成，一般高5cm，环形宽1.3cm。中空纤维的上端固定于第一隔板57，中空纤维的下端固定于第二隔板58，中空纤维的材料可为聚醚砜或聚砜。第一隔板57和第二隔板58开有通孔，使得液体可以经过中空纤维的内腔从上储液池进入下储液池。同时氧气（或混合气体）可以从氧合器气体入口13进入氧合器内，从氧合器气体出口26离开氧合器；氧气通过由下朝斜向上的方向的运动，与从上往下流的中空纤维内腔的血浆发生对流而实现氧合。通过调节氧气和血浆的流量比例，可为反应器的内容腔27中的微囊化肝细胞24提供适当的氧分压。

本实用新型集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器设有上储液池11和下储液池14，其共同的功能等同于外设的储液池。一般地，上储液池高7cm，底部环形宽1.3cm，容积约110ml；下储液池高3.4cm，容积约140ml。反应器内容腔中的部分血浆可依次通过反应器内容腔第二液体出口3、液体通道34、上储液池第二液体入口59流入上储液池11，治疗对象44的血浆也可以通过上储液池第一液体入口9进入到上储液池11。上储液池11中的液体经过氧合器的中空纤维内腔可以流入到下储液池14，下储液池的中液体经过下储液池液体出口19，经过延长管49、第三血液泵52、内容腔液体入口16可以泵回反应器内容腔，从而实现治疗对象血浆的循环灌流。因为有一部分液体是循环灌流，所以内容腔液体入口16的液体流速可以不受治疗对象引出血浆的速度（即上储液池第一液体入口9的液体流速）的限制，从而可以加大流速实现微囊充分地悬浮流化和物质的充分交换。此外，上储液池11设有上储液池压力平衡孔31及其内侧的上储液池压力平衡孔配属阀门32和上储液池压力平衡孔滤菌膜30；下储液池14设有下储液池压力平衡孔22及其内侧的下储液池压力平衡孔配属阀门23和下储液池压力平衡孔滤菌膜21。各压力平衡孔通向外界大气，根据需要开放和关闭，可以方便液体的流入、流出和调节储液池中液面的高度。上储液池压力平衡孔滤菌膜30和下储液池压力平衡孔滤菌膜21为孔径0.22微米的混合纤维素酯，可以阻止外界细菌进入储液池内。

根据流体动力学原理及结合本实用新型生物反应器的特点，本实用新型集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器的内容腔第一液体出口、内容腔第二液体出口和内容腔液体入口的优选位置是反应器顶部和底部外壳的中心。如图1和图2所示，作为本实用新型的优选实施方式，内容腔第一液体出口和内容腔第二液体出口由共同出口分叉形成。

第一细胞筛网33和第二细胞筛网15的孔径为200目，细胞滤器3和细胞滤器30的孔径为2.5微米。这些装置的目的是过滤细胞和可能的碎屑，防止其进入治疗对象血液循环中，避免不良反应的发生。

本实用新型集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器的内容腔保留了人工肝用微囊悬浮型流化床式生物反应器(中国专利号：ZL200710070279.0)漏斗型的大体特征并稍加修改。通常，内容腔的总高度为20cm、上顶径为9cm、下底径为4cm，总容积约为780cm。可以实现微囊的缓和抛物线样的运动轨迹并反复流化于反应器内腔，有效地避免了灌流死腔和无效灌流。需要说明的是，本实用新型生物反应器的尺寸不限于上述大小，其大小可根据实际需要放大或者缩小。

本实用新型集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器的外壳和各隔板的材料均为透明的聚碳酸酯，生物相容性好，并且可以方便的观察储液池和内腔液面的高度。

以下进一步说明本实用新型生物反应器的使用方法：   

（1）使用前对反应器灭菌。在无菌的超净台或者百级实验室中拧开本生物反应器端盖部，使第二腔体敞开。向第二腔体内加入微囊化肝细胞，通过第三血液泵52可将多于的液体经出口50排出生物反应器的内容腔。微囊化肝细胞加入完毕后反应器的端盖部与主体部部重新拧紧。

（2）通过上储液池第一液体入口9用生理盐水对上储液池11、下储液池14和生物反应器内容腔27进行液体预充，实施过程中要注意相关液体阀门的开闭和压力平衡孔阀门的开闭。

（3）按图4所示，连接好各管道，用生理盐水对管道进行液体预充。给予治疗对象一定量的生理盐水，以弥补治疗时外流之血容量。

（4）治疗开始后，治疗对象的动脉血经第一血液泵45泵入血浆分离器47，被分离出来的血浆经上储液池第一液体入口9进入到上储液池11，同时内容腔中的部分液体可通过内容腔第二液体出口5、液体通道34、上储液池第二液体入口59，流入上储液池11；上储液池11中的液体流经氧合器的中空纤维内腔补给氧气，进入下储液池14，后依次经过下储液池液体出口19、延长管49、反应器内容腔液体入口16，由第三血液泵52泵入反应器内容腔内，推动反应器内容腔中的微囊化肝细胞悬浮流化，治疗对象的血浆与微囊化肝细胞进行物质交换；然后部分血浆经内容腔第一液体出口1流出，通过免疫分子吸附器54后与直接通过血浆分离器47的血液混合，由静脉端输回体内；另有部分血浆经内容腔第二液体出口3流出，经液体通道34、上储液池第二液体入口59，再次流回上储液池11，从而使得部分血浆循环灌流于反应器。为保正循环灌流的持续进行，需要通过调节血液泵的泵速对进出各液体出入口的流量加以控制，也需要对压力平衡孔的开闭进行控制。一般来说，治疗进行时，内容腔第一液体出口1的流速等于上储液池第一液体入口9的流速，内容腔液体入口16的流速等于内容腔第一液体出口1和内容第二液体出口3流速之和；下储液池压力平衡孔配属阀门22保持关闭状态，上储液池压力平衡孔配属阀门31处于开放状态，以利于液体通过氧合器。同时氧气罐53中的氧气（或混合气体）通过管路从氧合器气体入口13进入氧合器内，从氧合器气体出口26离开氧合器，从下斜向上运动，与从上往下流的中空纤维内的血浆发生对流而实现氧合，调节气体和液体的流量比例，可为反应器内腔中的微囊化肝细胞提供适当的氧分压。

（5）治疗即将结束，进入血浆反回到治疗对象体内的阶段时，停止从治疗对象动脉端引血，关闭内容腔第二液体出口配属阀门4和上储液池第一液体入口9的阀门，使上储液池压力平衡孔31保持开放，使下储液池压力平衡孔22保持关闭，降低第三血液泵52的泵速，使得上、下储液池中的液体经过反应器内容腔、内容腔第一液体出口返回治疗对象体内；上、下储液池的液体排空后，可以调整管道结构、三通阀门51的开放方向、第三血液泵52的蠕动方向，可以使得反应器内容腔中的液体经过内容腔液体入口16及其延长管道返回治疗对象体内。

Claims (3)

1.一种集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器，其特征是：它由端盖部（36）和主体部（42）组成，所述端盖部内设有第一腔体（37），所述主体部内设有第二腔体（43），所述第二腔体的上端与第一腔体的下端螺纹连接而共同形成漏斗型内容腔（27）；在端盖部的顶部中间区域设有内容腔第一液体出口（1），内容腔第一液体出口的内侧固定有第一细胞滤器（7）；在主体部的底部中间区域设有内容腔液体入口（16），所述内容腔液体入口的内侧固定有第二细胞滤器（18）；所述端盖部的外壳的下端与所述主体部的外壳的上端螺纹连接而共同形成所述生物反应器的外壳（56），并在所述内容腔的侧壁（10）的外侧与生物反应器的外壳（56）的内侧之间形成外容腔；所述外容腔由第一隔板（57）和第二隔板（58）由上至下依次分隔成上储液池（11）、氧合区和下储液池（14）；所述氧合区内固定安装有由中空纤维围绕内容腔组成的氧合器（12），所述上储液池和下储液池通过所述中空纤维连通；所述端盖部的外壳的内部设有液体通道（34），所述内容腔与上储液池通过该液体通道连通；在所述生物反应器的外壳上，分别于上储液池的上端处设有上储液池第一液体入口（9）和上储液池压力平衡孔（31）、于下储液池的上端处设有下储液池压力平衡孔（22）、于下储液池的下端处设有下储液池液体出口（19），所述上储液池压力平衡孔和下储液池压力平衡孔内均设有滤菌膜；所述第一腔体内固定安装有第一细胞网筛（33），所述内容腔的颈部处固定安装有第二细胞网筛（15），所述第一细胞网筛和第二细胞网筛之间的内容腔区域内容纳有微囊化肝细胞。

2.根据权利要求1所述的集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器，其特征是：在端盖部的顶部中间区域还设有内容腔第二液体出口（3），所述液体通道的上端延伸至所述内容腔第二液体出口（3）处，液体通道的下端延伸至所述上储液池。

3.根据权利要求2所述的集成式微囊悬浮型流化床式生物反应器，其特征是：所述内容腔第一液体出口和内容腔第二液体出口由共同出口分叉形成。

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