CN2628530Y - 用于生物人工肝、肝细胞培养研究的生物反应器 - Google Patents

Abstract

一种用于生物人工肝、肝细胞培养研究的生物反应器，其特征在于：它是由设置在立方形壳体内的外腔、由中空纤维、缓冲腔构成的横向腔体和纵向腔体构成，横向腔体、纵向腔体与外腔之间通过中空纤维上的微孔彼此相通，横向腔体和纵向腔体上均设置有进液口和出液口，立方形壳体上设置有与外腔相通的肝细胞加入口和排气取样口。本实用新型具有结构合理、操作简便和制备周期短等优点，它可以克服传统中空纤维生物反应器存在的缺陷，为肝细胞提供更符合生理环境的生长与培养条件，有利于获得具有高活性、高密度培养的肝细胞，最大限度地发挥生物学作用，实现肝特异性解毒功能、生物合成与转换代谢功能，保障以此为核心的生物人工肝的肝支持与治疗作用。

Description

用于生物人工肝、肝细胞培养研究的生物反应器

(一)、所属技术领域

本实用新型涉及一种医疗设备，特别是一种既可以作为体外生物人工肝支持系统的核心装置，也可以作为一种实验装置或生物制剂装置，还可以用于培养肝细胞的实验研究和提取细胞产品的小型生产装置。

(二)、技术背景

现阶段，市场上尚无体外生物人工肝支持系统的专用生物反应器。目前临床使用较多的反应器为普通中空纤维型反应器，其结构与血液透析器完全相同，只是所用半透膜的材料、孔径及分子截留量不同。系将一束(500～1000根左右)中空纤维，密封于透明有机材料外壳内，由中空纤维将其分为内、外两腔，分别用于放置肝细胞和流动患者血液，借助该中空纤维半透膜，进行双向物质传输和生物作用，从而实现生物人工肝支持与治疗。

这种模式的反应器在应用中存在诸多缺陷。首先在结构上，传统普通反应器的中空纤维平行密集排列，呈束状柱形，难以放大，容量和有效交换面积小，作用效率有限；其次在细胞培养方面，不易进行高活性培养，当加入细胞后往往沉积于反应器底部，无法均匀分布于中空纤维之间，既使细胞可以到达纤维束中间也会因氧供不足而失活；再则，在临床肝支持中，该传统反应器因细胞量少(一般仅有1％～5％的成人肝细胞量)、活力低、功能差而难以发挥应有的生物学功能和作用。此外，肝细胞无辅助保护与维持活性的措施。上述缺陷是目前生物人工肝治疗肝衰竭疗效难以进一步提高的重要因素之一。

(三)、发明内容

本实用新型的目的就是提供一种结构简单和使用方便的用于生物人工肝、肝细胞培养研究的生物反应器，它可以克服传统中空纤维生物反应器存在的缺陷，为肝细胞提供更符合生理环境的生长与培养条件，有利于获得具有高活性、高密度培养肝细胞，最大限度地发挥生物学作用，实现肝特异性解毒功能、生物合成与转换代谢功能，保障以此为核心的生物人工肝的肝支持与治疗作用。

本实用新型的目的是通过这样的技术方案实现的，它是由设置在立方形壳体内的横向腔体、纵向腔体和外腔构成，其中横向腔体是一个通过多根横向中空纤维与设置在立方形壳体左右相对两侧的横向缓冲腔彼此连通的腔体，纵向腔体是一个通过多根纵向中空纤维与设置在立方形壳体前后相对两侧的纵向缓冲腔彼此连通的腔体，外腔是由立方形壳体、横向缓冲腔侧壁、纵向缓冲腔侧壁所围成的且包含有横向中空纤维、纵向中空纤维的腔体，横向腔体、纵向腔体与外腔之间通过横向中空纤维、纵向中空纤维上的微孔彼此相通，横向腔体和纵向腔体上均设置有进液口和出液口，立方形壳体上设置有与外腔相通的肝细胞加入口和排气取样口。

按照上述结构制成的生物反应器，横纵交叉排列的中空纤维使其彼此之间分布均匀且有间隙，提供了一个立体支架，使肝细胞均匀分布于中空纤维的各个层上。本实用新型具有如下的三大用途：

1、用于体外生物人工肝，能发挥更好的人工肝支持与治疗作用。

2、用于实验研究时，可满足肝细胞的生理要求。

3、用于制备生物制剂时，可提取更多的细胞产物。

本实用新型是这样使用的：

首先，采用体外消化技术获得肝细胞，进行肝细胞球形体培养。球形体的原理是借助肝细胞的粘附特性，采用特殊培养技术，使其不能沉积于培养容器的底部贴壁生长，而是相互粘附、聚集、像滚雪球一样形成浮悬于培养液的多细胞球形体。特殊培养技术包括被覆细胞贴壁阻止剂、定时振荡旋转、激素限定强化条件培养液等。多细胞球形体培养2～3天后，移入本实用新型的外腔中，即反应器内的中空纤维之间，每个球形体中的数量多在100～200以上，使其在中空纤维的不同层面附着生长，这与正常肝内细胞立体排列相似，符合生理条件。

当将本实用新型用于实验研究或制备生物制剂时，将横向腔体和纵向腔体内均循环通过培养液，培养液通过中空纤维上的微孔形成的半透膜不断向反应器外腔弥散氧气、营养物质，为反应器外腔中的肝细胞提供丰富氧气及营养物质，同时肝细胞代谢产物由外腔经中空纤维的半透膜弥散至中空纤维内，由循环流动的培养液带出。这一过程十分符合正常肝脏的肝细胞生理环境和血液循环，因此，可以培养出大量、高活性、高密度的肝细胞，肝细胞具备优良的生物功能。

当将本实用新型用于体外生物人工肝时，是本实用新型中的其中一个横向腔体或纵向腔体内循环流动培养液，另一个纵向腔体或横向腔体内以其它的循环形式循环流动患者的带有毒性物质的血浆。外腔内培养的正常肝细胞自行通过中空纤维的微孔对患者的血浆进行解毒，并补充活性物质，培养液为外腔内的肝细胞提供丰富的氧气和营养物质，维持肝细胞的活性，同时带出外腔中肝细胞代谢解毒的产物，从而发挥更好的人工肝支持与治疗作用。

由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下的优点：

1.结构合理，符合肝细胞的生理环境，操作简便、制备周期短、条件和其他设备要求不高。

2.在本实用新型中，中空纤维数量多、面积大，肝细胞附着广。外腔体积大，肝细胞量可达300g，相当于20％的成人肝细胞量，而且可根据临床使用情况进一步放大。因此，能够满足生物反应器研制中易于放大的要求，也满足了生物人工肝以及肝细胞实验研究与提取细胞产物的要求。

3.将已形成多细胞聚集球形体的肝细胞移入反应器外腔，较单个肝细胞更容易在不同中空纤维支架层中附壁生长，呈三维立体形，细胞分布均匀，密度高，细胞数量大。

4.采用氧合培养液循环方式培养反应器内的肝细胞，克服了传统反应器直接放置于CO2培养箱内培养效果不佳的缺陷。该培养方式充分考虑为肝细胞提供合适的微循环、氧合作用及不断循环更新的培养液，也完全符合肝细胞的生理环境和条件，培养肝细胞活力好、功能强。

5.本实用新型的横向腔体或纵向腔体中任何一个均可以作为血液循环通道，将其直接与患者血液循环通道相连即可实施生物人工肝治疗，故生物反应器不仅制备方便，而且使用快捷。

(四)、附图说明

本实用新型的附图说明如下：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1中A-A的剖视图；

图中：1.立方形壳体；2.横向腔体；3.纵向腔体；4.外腔；5.横向中空纤维；6.横向缓冲腔；7.纵向中空纤维；8.纵向缓冲腔；9.进液口；10.出液口；11.肝细胞加入口；12.排气取样口；13.滤网隔膜层。

(五)、具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

如图1、2所示，本实用新型是由设置在立方形壳体1内的横向腔体2、纵向腔体3和外腔4构成，其中横向腔体2是一个通过多根横向中空纤维5与设置在立方形壳体1左右相对两侧的横向缓冲腔6彼此连通的腔体，纵向腔体3是一个通过多根纵向中空纤维7与设置在立方形壳体1前后相对两侧的纵向缓冲腔8彼此连通的腔体，外腔4是由立方形壳体1、横向缓冲腔6侧壁、纵向缓冲腔8侧壁所围成的且包含有横向中空纤维5、纵向中空纤维7的腔体，横向腔体2、纵向腔体3与外腔4之间通过横向中空纤维5、纵向中空纤维7上的微孔彼此相通，横向腔体2和纵向腔体3上均设置有进液口9和出液口10，立方形壳体1上设置有与外腔4相通的肝细胞加入口11和排气取样口12。

如图1、2所示，所述的横向中空纤维5与纵向中空纤维7之间的排列可以是彼此相间的，即第一层为纵向中空纤维7，第二层为横向中空纤维5，第三层又为纵向中空纤维5，其它排列依此类推。

如图1、2所示，为了进一步防止肝细胞沉积于外腔4的底部，在外腔4内设置有多个滤网隔膜层13，每个滤网隔膜层13上方均有一层纵向中空纤维7和一层横向中空纤维5。滤网隔膜层13为多细胞球形体提供一个各层面的支承架，形成三维立体结构培养，加上肝细胞在体外已预先被培养成多细胞球形体，细胞之间相互聚集，体积大，每个球形体中的数量多在100～200以上，故可以保证肝细胞在中空纤维的各个层面高密度附着生长，这与正常肝内细胞立体排列相似，符合生理条件。

Claims (3)

1.一种用于生物人工肝、肝细胞培养研究的生物反应器，其特征在于：它是由设置在立方形壳体(1)内的横向腔体(2)、纵向腔体(3)和外腔(4)构成，其中横向腔体(2)是一个通过多根横向中空纤维(5)与设置在立方形壳体(1)左右相对两侧的横向缓冲腔(6)彼此连通的腔体，纵向腔体(3)是一个通过多根纵向中空纤维(7)与设置在立方形壳体(1)前后相对两侧的纵向缓冲腔(8)彼此连通的腔体，外腔(4)是由立方形壳体(1)、横向缓冲腔(6)侧壁、纵向缓冲腔(8)侧壁所围成的且包含有横向中空纤维(5)、纵向中空纤维(7)的腔体，横向腔体(2)、纵向腔体(3)与外腔(4)之间通过横向中空纤维(5)、纵向中空纤维(7)上的微孔彼此相通，横向腔体(2)和纵向腔体(3)上均设置有进液口(9)和出液口(10)，立方形壳体(1)上设置有与外腔(4)相通的肝细胞加入口(11)和排气取样口(12)。

2.如权利要求1所述的用于生物人工肝、肝细胞培养研究的生物反应器，其特征在于：所述的横向中空纤维(5)与纵向中空纤维(7)之间的排列是彼此相间的，即第一层为纵向中空纤维(7)，第二层为横向中空纤维(5)，第三层又为纵向中空纤维(7)，其它排列依此类推。

3.如权利要求1或2所述的用于生物人工肝、肝细胞培养研究的生物反应器，其特征在于：在外腔(4)内设置有多个滤网隔膜层(13)，每个滤网隔膜层(13)上方均有一层纵向横中空纤维(5)和一层横向中空纤维(7)。

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