一種應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，包含帶攪拌槳的生物反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)裝載包埋有肝細(xì)胞的微膠囊。由于微膠囊比重與水接近，在攪拌作用下，很容易形成混懸狀態(tài)，從而能在較高流速的連續(xù)灌流操作條件下，實(shí)現(xiàn)微膠囊與液體充分混合，同時(shí)促進(jìn)固液傳質(zhì)，保證微膠囊內(nèi)肝細(xì)胞充足的營養(yǎng)物質(zhì)供給與活性物質(zhì)的高效釋放。此外，為了避免長時(shí)間單向灌流可能出現(xiàn)的微膠囊或碎片堵塞濾網(wǎng)的情況，反應(yīng)器進(jìn)出口端分別設(shè)有電磁閥和蠕動泵，能實(shí)現(xiàn)流向轉(zhuǎn)換，達(dá)到反沖的效果，避免管路堵塞，保持反應(yīng)器內(nèi)固液混合均勻。本發(fā)明能在較大的固液比、較高的灌流流速及較高的細(xì)胞密度條件下實(shí)現(xiàn)良好的固液混合和物質(zhì)交換，有效避免灌注死腔和無效灌注，最大限度地發(fā)揮人工肝的治療作用。
【專利說明】一種應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種醫(yī)療設(shè)備，特別是一種臨床治療急性肝衰竭的生物型人工肝或者 混合型人工肝支持系統(tǒng)的核心裝置：可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器。

【背景技術(shù)】
[0002] 急性肝衰竭是常見的危重疾病，死亡率高達(dá)65?95%。目前人工肝治療已成為治 療急性肝衰竭的重要手段。人工肝支持系統(tǒng)，是體外的機(jī)械或者理化裝置，暫時(shí)輔助或完全 代替衰竭肝臟的功能，清除各種有害物質(zhì)，代償肝臟的代謝功能。而裝載有高活性肝細(xì)胞的 生物型人工肝，理論上能執(zhí)行肝臟合成、轉(zhuǎn)化等全部功能，是人工肝未來發(fā)展的潮流與趨 勢。生物反應(yīng)器是生物型人工肝的核心部件，作為肝細(xì)胞與血漿物質(zhì)交換的場所，要求有高 通量的物質(zhì)交換，同時(shí)要有足夠的肝細(xì)胞數(shù)量。
[0003] 目前應(yīng)用最多的中空纖維生物反應(yīng)器，其優(yōu)點(diǎn)是比表面積大，便于代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn)， 且反應(yīng)器死腔較小，但由于肝細(xì)胞在反應(yīng)器中分布不均，也易造成細(xì)胞活力下降、缺氧和物 質(zhì)交換效率低的問題，并且反應(yīng)器難以放大，較難滿足治療時(shí)所需的細(xì)胞量。近年來，基于 微囊化肝細(xì)胞的生物型人工肝裝置得到了廣泛關(guān)注。微膠囊技術(shù)通過將細(xì)胞包埋在具有半 滲透性的聚合物膜內(nèi)，既能保護(hù)肝細(xì)胞免受免疫攻擊、減少剪切傷害，同時(shí)又能保證良好的 物質(zhì)交換。此外，微膠囊具有更大的傳質(zhì)比表面，還能給細(xì)胞提供三維類組織化的細(xì)胞內(nèi)環(huán) 境?；谖⒛一渭?xì)胞構(gòu)建的生物型人工肝反應(yīng)器系統(tǒng)，裝載方便、易放大，并且在提高物 質(zhì)交換和細(xì)胞活性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以更加高效地發(fā)揮生物型人工肝的治療作用。
[0004] 目前基于微囊化肝細(xì)胞的生物型人工肝反應(yīng)器主要有微囊-固定床反應(yīng)器和微 囊-懸浮反應(yīng)器兩種形式。微囊-固定床反應(yīng)器具有較高的細(xì)胞裝載密度，并且能達(dá)到較 高的操作流速，能夠滿足細(xì)胞的氧供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)良好的物質(zhì)交換，但是微膠囊壓力敏感，高流 速灌注產(chǎn)生的高柱壓易導(dǎo)致微膠囊形變而堵塞床層，同時(shí)高剪切力和持續(xù)的柱壓力易造成 微囊破碎。微囊-懸浮反應(yīng)器主要形式是流化床反應(yīng)器，其優(yōu)點(diǎn)是傳質(zhì)均勻，剪切力小，柱 壓低，不易形成固有通道和灌注死腔，但是由于微膠囊粒徑小、比重與血漿接近，流化時(shí)容 易被液體帶出，能達(dá)到的操作流速較低，限制了物質(zhì)交換，同時(shí)也無法滿足肝細(xì)胞的氧需求 量。另外，流化操作時(shí)形成較大的空隙率，勢必會增加患者體外循環(huán)的血漿量，增加病人負(fù) 擔(dān)，同時(shí)降低了反應(yīng)器內(nèi)肝細(xì)胞的密度。
[0005] 因此需要開發(fā)新型適合微囊化肝細(xì)胞體系的生物反應(yīng)器，具有高的細(xì)胞裝載密度 和較小的反應(yīng)器設(shè)計(jì)體積；能在較高流速的血漿連續(xù)灌流及較大的固液比操作條件下，實(shí) 現(xiàn)微膠囊與血漿充分混合、細(xì)胞與血漿(血液）良好的物質(zhì)交換、提供肝細(xì)胞充足的營養(yǎng)物 質(zhì)(包含氧)，并且肝細(xì)胞分泌的功能分子能及時(shí)進(jìn)入血漿(血液）發(fā)揮作用，并且能夠較長 時(shí)間保持細(xì)胞生長代謝活性和保護(hù)細(xì)胞免受剪切及免疫殺傷等。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，利用 微膠囊比重與水接近，易形成混懸液這一特點(diǎn)，利用機(jī)械攪拌的混合作用，能夠在較高的灌 流流速和較大的固液比操作條件下，實(shí)現(xiàn)微膠囊與血漿的充分混合，同時(shí)采用可轉(zhuǎn)換流向 的設(shè)計(jì)，可對管路進(jìn)行反沖，避免管路堵塞，能長時(shí)間維持微膠囊與血漿均勻混合狀態(tài)。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0008] -種應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，包括主體反應(yīng)器和攪拌 槳，主體反應(yīng)器為一密閉容器，攪拌槳設(shè)置于主體反應(yīng)器內(nèi)，于主體反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置有膜式氧 合器；膜式氧合器的進(jìn)口與氧氣氣源相連，膜式氧合器的出口放空；于主體反應(yīng)器的上部 或頂部設(shè)有液體進(jìn)出口，液體進(jìn)出口與第一二位三通電磁閥的一個(gè)端口相連，第一二位三 通電磁閥的第二個(gè)端口經(jīng)第一蠕動泵與液體儲罐相連，第一二位三通電磁閥的第三個(gè)端口 經(jīng)第二蠕動泵）與液體收集儲罐相連；于主體反應(yīng)器的下部或底部設(shè)有液體出入口，液體出 入口與第二二位三通電磁閥的一個(gè)端口相連，第二二位三通電磁閥的第二個(gè)端口經(jīng)第一蠕 動泵與液體儲罐相連，第二二位三通電磁閥的第三個(gè)端口經(jīng)第二蠕動泵與液體收集儲罐相 連。
[0009] 所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在于：
[0010] 于主體反應(yīng)器內(nèi)裝載微囊化肝細(xì)胞和溶液，在攪拌槳的作用下，可以在連續(xù)灌流 狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)微膠囊與溶液的均勻混合；反應(yīng)器兩端分別裝有第一、第二二位三通電磁閥和 第一、第二蠕動泵，可以實(shí)現(xiàn)流向變換，達(dá)到反沖的效果，避免管路堵塞，保持反應(yīng)器內(nèi)固液 混合均勻。
[0011] 所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在于：
[0012] 液體進(jìn)出口和液體出入口一端處于主體反應(yīng)器內(nèi)，另一端分別與第一二位三通電 磁閥和第二二位三通電磁閥的一個(gè)端口相連；
[0013] 位于主體反應(yīng)器內(nèi)的液體進(jìn)出口一端和液體出入口一端處于主體反應(yīng)器內(nèi)的溶 液液面之下；或，位于主體反應(yīng)器內(nèi)的液體進(jìn)出口一端和/或液體出入口一端經(jīng)管路連通 至主體反應(yīng)器內(nèi)的溶液液面之下。
[0014] 所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在于：
[0015] 膜式氧合器的進(jìn)口通過管路與主體反應(yīng)器外部的氧氣氣源相連，膜式氧合器的出 口通過管路伸出主體反應(yīng)器外部放空。
[0016] 所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在于：
[0017] 于主體反應(yīng)器的下部或底部設(shè)有液體出入口處設(shè)有濾網(wǎng)；
[0018] 于主體反應(yīng)器的上部或頂部設(shè)有液體進(jìn)出口處設(shè)有濾網(wǎng)；
[0019] 所述的濾網(wǎng)材質(zhì)為蠶絲、金屬絲或者合成纖維，其孔徑100?800目。
[0020] 所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在于：攪拌槳為電 機(jī)驅(qū)動的機(jī)械攪拌槳；
[0021] 所述的攪拌槳材質(zhì)為聚四氟乙烯或不銹鋼材料，為單層或者多層攪拌槳，槳葉為 雙槳葉或者多槳葉。
[0022] 所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在于：所述的反應(yīng) 器液體進(jìn)出口端和液體出入口設(shè)有第一、第二二位三通電磁閥和第一、第二蠕動泵，能實(shí)現(xiàn) 手動或自動流向轉(zhuǎn)換。
[0023] 反應(yīng)器使用時(shí)，攪拌槳攪拌速率為IOrpm?IOOOrpm,其能在連續(xù)灌流操作下實(shí)現(xiàn) 微膠囊與液體均勻混合，其連續(xù)灌流流量50ml/min?1000ml/min。
[0024] 本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，包含帶攪拌 槳的生物反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)裝載包埋有肝細(xì)胞的微膠囊。由于微膠囊比重與水接近，在攪拌 作用下，很容易形成混懸狀態(tài)，從而能在較高流速的連續(xù)灌流操作條件下，實(shí)現(xiàn)微膠囊與液 體充分混合，同時(shí)促進(jìn)固液傳質(zhì)，保證微膠囊內(nèi)肝細(xì)胞充足的營養(yǎng)物質(zhì)供給與活性物質(zhì)的 高效釋放。此外，為了避免長時(shí)間單向灌流可能出現(xiàn)的微膠囊或碎片堵塞濾網(wǎng)的情況，反應(yīng) 器進(jìn)出口端分別設(shè)有電磁閥和蠕動泵，能實(shí)現(xiàn)流向轉(zhuǎn)換，達(dá)到反沖的效果，避免管路堵塞， 保持反應(yīng)器內(nèi)固液混合均勻。本發(fā)明能在較大的固液比、較高的灌流流速及高肝細(xì)胞密度 條件下實(shí)現(xiàn)良好的固液混合和物質(zhì)交換，有效避免灌注死腔和無效灌注，最大限度地發(fā)揮 人工肝的治療作用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，其中：1為主體反應(yīng)器；2為帶驅(qū)動電機(jī)的攪拌槳；3 為膜式氧合器；4為濾網(wǎng)；5為包埋有肝細(xì)胞的微膠囊；6、7為第一、第二二位三通電磁閥；8 為第一懦動泵，9為第二懦動泵。a、a'為血楽；b為氧氣。
[0026] 圖2為可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行10小時(shí)后微膠囊形態(tài)：其中左圖 為運(yùn)行前的微膠囊形態(tài)；右圖為運(yùn)行10小時(shí)后微膠囊的形態(tài)。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 如圖1所示，一種應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，包括主體反 應(yīng)器1和攪拌槳2,主體反應(yīng)器1為一密閉容器，攪拌槳2設(shè)置于主體反應(yīng)器內(nèi)，于主體反 應(yīng)器內(nèi)設(shè)置有膜式氧合器3 ;膜式氧合器3的進(jìn)口與氧氣氣源相連，膜式氧合器3的出口 放空；于主體反應(yīng)器的上部或頂部設(shè)有液體進(jìn)出口，液體進(jìn)出口與第一二位三通電磁閥6 的一個(gè)端口相連，第一二位三通電磁閥6的第二個(gè)端口經(jīng)第一蠕動泵8與液體儲罐相連， 第一二位三通電磁閥6的第三個(gè)端口經(jīng)第二蠕動泵9與液體收集儲罐相連；于主體反應(yīng)器 的下部或底部設(shè)有液體出入口，液體出入口與第二二位三通電磁閥7的一個(gè)端口相連，第 二二位三通電磁閥7的第二個(gè)端口經(jīng)第一蠕動泵8與液體儲罐相連，第二二位三通電磁閥 7的第三個(gè)端口經(jīng)第二蠕動泵9與液體收集儲罐相連。于主體反應(yīng)器的下部或底部設(shè)有液 體出入口處設(shè)有濾網(wǎng)4 ;
[0028] 于主體反應(yīng)器的上部或頂部設(shè)有液體進(jìn)出口處設(shè)有濾網(wǎng)4 ;于主體反應(yīng)器內(nèi)裝載 微囊化肝細(xì)胞5和溶液，在攪拌槳的混合作用下，能在較高的灌流流速和較大的固液比操 作條件下，實(shí)現(xiàn)微膠囊與血漿的充分混合，同時(shí)采用可轉(zhuǎn)換流向的設(shè)計(jì)，可對管路進(jìn)行反 沖，避免管路堵塞，能長時(shí)間維持微膠囊與血漿均勻混合狀態(tài)。
[0029] 所述的攪拌槳為電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械攪拌槳，處于主體反應(yīng)器內(nèi)部，攪拌槳最底端靠 近主體反應(yīng)器底端；其材質(zhì)為聚四氟乙烯或不銹鋼材料，為單層或者多層攪拌槳，槳葉為雙 槳葉或者多槳葉。
[0030] 實(shí)施例
[0031] 載肝細(xì)胞微膠囊制備：肝細(xì)胞和質(zhì)量濃度1. 5%海藻酸鈉混懸，細(xì)胞密度I X IO7? I X IO8Cells/ml，應(yīng)用高壓靜電制備儀滴入質(zhì)量濃度1. 1%的CaCl2溶液中，形成的海藻酸鈣 膠珠與0. 05%的聚賴氨酸溶液反應(yīng)成膜。
[0032] 不含細(xì)胞微膠囊制備：方法如前，1. 5%海藻酸鈉，應(yīng)用高壓靜電制備儀滴入1. 1% 的CaCl2溶液中，形成的海藻酸鈣膠珠與0. 05%的聚賴氨酸溶液反應(yīng)成膜。
[0033] 主體反應(yīng)器：為柱形的玻璃反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)腔為(p50mmx 150mm，反應(yīng)器底端 為不銹鋼濾網(wǎng)，孔徑為200目。
[0034] 攪拌槳：為電機(jī)驅(qū)動的聚四氟乙烯材質(zhì)的上攪拌，可在0?1200rpm轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，雙 葉，槳寬40mm。
[0035] 可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器運(yùn)行：粒徑為200 y m?400 y m微膠囊，填充體積 為80ml，填充高度40mm，固液比2:1，連續(xù)灌流流量200ml/min，當(dāng)攪拌速率達(dá)200rpm時(shí)，微 載體分布均勻，未在底部出現(xiàn)堆積。連續(xù)灌注IOh后，微膠囊形態(tài)保持良好，完整率保持在 99%以上（如圖2)。
[0036] 流向變換：如圖1，反應(yīng)器進(jìn)出口端和出入口端各設(shè)第一、第二二位三通電磁閥6、 7和第一、第二蠕動泵8、9,在正常灌流狀態(tài)下，第一二位三通三通電磁閥6左邊通路開啟， 右邊通路閉合，而第二二位三通三通電磁閥7左邊通路閉合，右邊通路開啟，液體流向如a 所示，當(dāng)需要變換流向時(shí)，通過手動或者自動給三通電磁閥電信號，則第一二位三通三通電 磁閥6左邊通路閉合，右邊通路開啟，而第二二位三通三通電磁閥7左邊通路開啟，右邊通 路閉合，液體流向如a'所示，液體流向變換，達(dá)到反沖的目的。
【權(quán)利要求】
1. 一種應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，包括主體反應(yīng)器（1)和攪拌 槳（2 )，主體反應(yīng)器（1)為一密閉容器，攪拌槳（2 )設(shè)置于主體反應(yīng)器內(nèi)，于主體反應(yīng)器內(nèi)設(shè) 置有膜式氧合器（3);膜式氧合器（3)的進(jìn)口與氧氣氣源相連，膜式氧合器（3)的出口放空； 于主體反應(yīng)器的上部或頂部設(shè)有液體進(jìn)出口，液體進(jìn)出口與第一二位三通電磁閥（6)的一 個(gè)端口相連，第一二位三通電磁閥（6)的第二個(gè)端口經(jīng)第一蠕動泵（8)與液體儲罐相連，第 一二位三通電磁閥（6)的第三個(gè)端口經(jīng)第二蠕動泵（9)與液體收集儲罐相連；于主體反應(yīng) 器的下部或底部設(shè)有液體出入口，液體出入口與第二二位三通電磁閥（7 )的一個(gè)端口相連， 第二二位三通電磁閥（7)的第二個(gè)端口經(jīng)第一蠕動泵（8)與液體儲罐相連，第二二位三通 電磁閥（7)的第三個(gè)端口經(jīng)第二蠕動泵（9)與液體收集儲罐相連。
2. 按照權(quán)利要求1所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在 于： 于主體反應(yīng)器內(nèi)裝載微囊化肝細(xì)胞（5)和溶液，在攪拌槳的作用下，可以在連續(xù)灌流狀 態(tài)下實(shí)現(xiàn)微膠囊與溶液的均勻混合；反應(yīng)器兩端分別裝有第一、第二二位三通電磁閥（6)、 (7)和第一、第二蠕動泵（8)、（9)，可以實(shí)現(xiàn)流向變換，達(dá)到反沖的效果，避免管路堵塞，保持 反應(yīng)器內(nèi)固液混合均勻。
3. 按照權(quán)利要求1所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在 于： 液體進(jìn)出口和液體出入口一端處于主體反應(yīng)器內(nèi)，另一端分別與第一二位三通電磁閥 (6)和第二二位三通電磁閥（7)的一個(gè)端口相連； 位于主體反應(yīng)器內(nèi)的液體進(jìn)出口一端和液體出入口一端處于主體反應(yīng)器內(nèi)的溶液液 面之下；或，位于主體反應(yīng)器內(nèi)的液體進(jìn)出口一端和/或液體出入口一端經(jīng)管路連通至主 體反應(yīng)器內(nèi)的溶液液面之下。
4. 按照權(quán)利要求1所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在 于： 膜式氧合器（3)的進(jìn)口通過管路與主體反應(yīng)器（1)外部的氧氣氣源相連，膜式氧合器 (3)的出口通過管路伸出主體反應(yīng)器（1)外部放空。
5. 按照權(quán)利要求1所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在 于： 于主體反應(yīng)器的下部或底部設(shè)有液體出入口處設(shè)有濾網(wǎng)（4); 于主體反應(yīng)器的上部或頂部設(shè)有液體進(jìn)出口處設(shè)有濾網(wǎng)（4); 所述的濾網(wǎng)材質(zhì)為蠶絲、金屬絲或者合成纖維，其孔徑100?800目。
6. 按照權(quán)利要求1所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在 于：攪拌槳為電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械攪拌槳； 所述的攪拌槳材質(zhì)為聚四氟乙烯或不銹鋼材料，為單層或者多層攪拌槳，槳葉為雙槳 葉或者多槳葉。
7. 按照權(quán)利要求1或2所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征 在于：所述的反應(yīng)器液體進(jìn)出口端和液體出入口設(shè)有第一、第二二位三通電磁閥（6)、（7) 和第一、第二蠕動泵（8)、（9)，能實(shí)現(xiàn)手動或自動流向轉(zhuǎn)換。
8. 按照權(quán)利要求1或6所述應(yīng)用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征 在于：反應(yīng)器使用時(shí)，攪拌槳攪拌速率為lOrpm?lOOOrpm，其能在連續(xù)灌流操作下實(shí)現(xiàn)微 膠囊與液體均勻混合，其連續(xù)灌流流量50ml/min?1000ml/min。
【文檔編號】A61M1/14GK104415405SQ201310376469
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月26日
【發(fā)明者】馬小軍, 陳立, 張英, 于煒婷, 王雨, 李珅, 李娜 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所