一種應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，包含帶攪拌槳的生物反應器，反應器內裝載包埋有肝細胞的微膠囊。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，實現(xiàn)微膠囊與液體充分混合，同時促進固液傳質，保證微膠囊內肝細胞充足的營養(yǎng)物質供給與活性物質的高效釋放。此外，為了避免長時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，反應器進出口端分別設有電磁閥和蠕動泵，能實現(xiàn)流向轉換，達到反沖的效果，避免管路堵塞，保持反應器內固液混合均勻。本發(fā)明能在較大的固液比、較高的灌流流速及較高的細胞密度條件下實現(xiàn)良好的固液混合和物質交換，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】一種應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種醫(yī)療設備，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器。

【背景技術】
[0002] 急性肝衰竭是常見的危重疾病，死亡率高達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)，是體外的機械或者理化裝置，暫時輔助或完全 代替衰竭肝臟的功能，清除各種有害物質，代償肝臟的代謝功能。而裝載有高活性肝細胞的 生物型人工肝，理論上能執(zhí)行肝臟合成、轉化等全部功能，是人工肝未來發(fā)展的潮流與趨 勢。生物反應器是生物型人工肝的核心部件，作為肝細胞與血漿物質交換的場所，要求有高 通量的物質交換，同時要有足夠的肝細胞數(shù)量。
[0003] 目前應用最多的中空纖維生物反應器，其優(yōu)點是比表面積大，便于代謝物的轉運， 且反應器死腔較小，但由于肝細胞在反應器中分布不均，也易造成細胞活力下降、缺氧和物 質交換效率低的問題，并且反應器難以放大，較難滿足治療時所需的細胞量。近年來，基于 微囊化肝細胞的生物型人工肝裝置得到了廣泛關注。微膠囊技術通過將細胞包埋在具有半 滲透性的聚合物膜內，既能保護肝細胞免受免疫攻擊、減少剪切傷害，同時又能保證良好的 物質交換。此外，微膠囊具有更大的傳質比表面，還能給細胞提供三維類組織化的細胞內環(huán) 境?；谖⒛一渭毎麡嫿ǖ纳镄腿斯じ畏磻飨到y(tǒng)，裝載方便、易放大，并且在提高物 質交換和細胞活性方面具有獨特的優(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胞的生物型人工肝反應器主要有微囊-固定床反應器和微 囊-懸浮反應器兩種形式。微囊-固定床反應器具有較高的細胞裝載密度，并且能達到較 高的操作流速，能夠滿足細胞的氧供應，實現(xiàn)良好的物質交換，但是微膠囊壓力敏感，高流 速灌注產生的高柱壓易導致微膠囊形變而堵塞床層，同時高剪切力和持續(xù)的柱壓力易造成 微囊破碎。微囊-懸浮反應器主要形式是流化床反應器，其優(yōu)點是傳質均勻，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，流化時容 易被液體帶出，能達到的操作流速較低，限制了物質交換，同時也無法滿足肝細胞的氧需求 量。另外，流化操作時形成較大的空隙率，勢必會增加患者體外循環(huán)的血漿量，增加病人負 擔，同時降低了反應器內肝細胞的密度。
[0005] 因此需要開發(fā)新型適合微囊化肝細胞體系的生物反應器，具有高的細胞裝載密度 和較小的反應器設計體積；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 現(xiàn)微膠囊與血漿充分混合、細胞與血漿(血液）良好的物質交換、提供肝細胞充足的營養(yǎng)物 質(包含氧)，并且肝細胞分泌的功能分子能及時進入血漿(血液）發(fā)揮作用，并且能夠較長 時間保持細胞生長代謝活性和保護細胞免受剪切及免疫殺傷等。


【發(fā)明內容】

[0006] 因此，本發(fā)明設計的一種應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，利用 微膠囊比重與水接近，易形成混懸液這一特點，利用機械攪拌的混合作用，能夠在較高的灌 流流速和較大的固液比操作條件下，實現(xiàn)微膠囊與血漿的充分混合，同時采用可轉換流向 的設計，可對管路進行反沖，避免管路堵塞，能長時間維持微膠囊與血漿均勻混合狀態(tài)。
[0007] 本發(fā)明采用的技術方案為：
[0008] -種應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，包括主體反應器和攪拌 槳，主體反應器為一密閉容器，攪拌槳設置于主體反應器內，于主體反應器內設置有膜式氧 合器；膜式氧合器的進口與氧氣氣源相連，膜式氧合器的出口放空；于主體反應器的上部 或頂部設有液體進出口，液體進出口與第一二位三通電磁閥的一個端口相連，第一二位三 通電磁閥的第二個端口經(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端口 經(jīng)第二蠕動泵）與液體收集儲罐相連；于主體反應器的下部或底部設有液體出入口，液體出 入口與第二二位三通電磁閥的一個端口相連，第二二位三通電磁閥的第二個端口經(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端口經(jīng)第二蠕動泵與液體收集儲罐相 連。
[0009] 所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征在于：
[0010] 于主體反應器內裝載微囊化肝細胞和溶液，在攪拌槳的作用下，可以在連續(xù)灌流 狀態(tài)下實現(xiàn)微膠囊與溶液的均勻混合；反應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，可以實現(xiàn)流向變換，達到反沖的效果，避免管路堵塞，保持反應器內固液 混合均勻。
[0011] 所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征在于：
[0012] 液體進出口和液體出入口一端處于主體反應器內，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端口相連；
[0013] 位于主體反應器內的液體進出口一端和液體出入口一端處于主體反應器內的溶 液液面之下；或，位于主體反應器內的液體進出口一端和/或液體出入口一端經(jīng)管路連通 至主體反應器內的溶液液面之下。
[0014] 所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征在于：
[0015] 膜式氧合器的進口通過管路與主體反應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器外部放空。
[0016] 所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征在于：
[0017] 于主體反應器的下部或底部設有液體出入口處設有濾網(wǎng)；
[0018] 于主體反應器的上部或頂部設有液體進出口處設有濾網(wǎng)；
[0019] 所述的濾網(wǎng)材質為蠶絲、金屬絲或者合成纖維，其孔徑100?800目。
[0020] 所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征在于：攪拌槳為電 機驅動的機械攪拌槳；
[0021] 所述的攪拌槳材質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] 所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征在于：所述的反應 器液體進出口端和液體出入口設有第一、第二二位三通電磁閥和第一、第二蠕動泵，能實現(xiàn) 手動或自動流向轉換。
[0023] 反應器使用時，攪拌槳攪拌速率為IOrpm?IOOOrpm,其能在連續(xù)灌流操作下實現(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)明公開了一種應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，包含帶攪拌 槳的生物反應器，反應器內裝載包埋有肝細胞的微膠囊。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，實現(xiàn)微膠囊與液 體充分混合，同時促進固液傳質，保證微膠囊內肝細胞充足的營養(yǎng)物質供給與活性物質的 高效釋放。此外，為了避免長時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 器進出口端分別設有電磁閥和蠕動泵，能實現(xiàn)流向轉換，達到反沖的效果，避免管路堵塞， 保持反應器內固液混合均勻。本發(fā)明能在較大的固液比、較高的灌流流速及高肝細胞密度 條件下實現(xiàn)良好的固液混合和物質交換，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)明的結構示意圖，其中：1為主體反應器；2為帶驅動電機的攪拌槳；3 為膜式氧合器；4為濾網(wǎng)；5為包埋有肝細胞的微膠囊；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器連續(xù)運行10小時后微膠囊形態(tài)：其中左圖 為運行前的微膠囊形態(tài)；右圖為運行10小時后微膠囊的形態(tài)。

【具體實施方式】
[0027] 如圖1所示，一種應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，包括主體反 應器1和攪拌槳2,主體反應器1為一密閉容器，攪拌槳2設置于主體反應器內，于主體反 應器內設置有膜式氧合器3 ;膜式氧合器3的進口與氧氣氣源相連，膜式氧合器3的出口 放空；于主體反應器的上部或頂部設有液體進出口，液體進出口與第一二位三通電磁閥6 的一個端口相連，第一二位三通電磁閥6的第二個端口經(jīng)第一蠕動泵8與液體儲罐相連， 第一二位三通電磁閥6的第三個端口經(jīng)第二蠕動泵9與液體收集儲罐相連；于主體反應器 的下部或底部設有液體出入口，液體出入口與第二二位三通電磁閥7的一個端口相連，第 二二位三通電磁閥7的第二個端口經(jīng)第一蠕動泵8與液體儲罐相連，第二二位三通電磁閥 7的第三個端口經(jīng)第二蠕動泵9與液體收集儲罐相連。于主體反應器的下部或底部設有液 體出入口處設有濾網(wǎng)4 ;
[0028] 于主體反應器的上部或頂部設有液體進出口處設有濾網(wǎng)4 ;于主體反應器內裝載 微囊化肝細胞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，實現(xiàn)微膠囊與血漿的充分混合，同時采用可轉換流向的設計，可對管路進行反 沖，避免管路堵塞，能長時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驅動的機械攪拌槳，處于主體反應器內部，攪拌槳最底端靠 近主體反應器底端；其材質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] 實施例
[0031] 載肝細胞微膠囊制備：肝細胞和質量濃度1. 5%海藻酸鈉混懸，細胞密度I X IO7? I X IO8Cells/ml，應用高壓靜電制備儀滴入質量濃度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成膜。
[0032] 不含細胞微膠囊制備：方法如前，1. 5%海藻酸鈉，應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成膜。
[0033] 主體反應器：為柱形的玻璃反應器，反應器內腔為(p50mmx 150mm，反應器底端 為不銹鋼濾網(wǎng)，孔徑為200目。
[0034] 攪拌槳：為電機驅動的聚四氟乙烯材質的上攪拌，可在0?1200rpm轉速調節(jié)，雙 葉，槳寬40mm。
[0035] 可變換流向的攪拌式生物反應器運行：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，當攪拌速率達200rpm時，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，反應器進出口端和出入口端各設第一、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，當需要變換流向時，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，達到反沖的目的。
【權利要求】
1. 一種應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，包括主體反應器（1)和攪拌 槳（2 )，主體反應器（1)為一密閉容器，攪拌槳（2 )設置于主體反應器內，于主體反應器內設 置有膜式氧合器（3);膜式氧合器（3)的進口與氧氣氣源相連，膜式氧合器（3)的出口放空； 于主體反應器的上部或頂部設有液體進出口，液體進出口與第一二位三通電磁閥（6)的一 個端口相連，第一二位三通電磁閥（6)的第二個端口經(jīng)第一蠕動泵（8)與液體儲罐相連，第 一二位三通電磁閥（6)的第三個端口經(jīng)第二蠕動泵（9)與液體收集儲罐相連；于主體反應 器的下部或底部設有液體出入口，液體出入口與第二二位三通電磁閥（7 )的一個端口相連， 第二二位三通電磁閥（7)的第二個端口經(jīng)第一蠕動泵（8)與液體儲罐相連，第二二位三通 電磁閥（7)的第三個端口經(jīng)第二蠕動泵（9)與液體收集儲罐相連。
2. 按照權利要求1所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征在 于： 于主體反應器內裝載微囊化肝細胞（5)和溶液，在攪拌槳的作用下，可以在連續(xù)灌流狀 態(tài)下實現(xiàn)微膠囊與溶液的均勻混合；反應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)，可以實現(xiàn)流向變換，達到反沖的效果，避免管路堵塞，保持 反應器內固液混合均勻。
3. 按照權利要求1所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征在 于： 液體進出口和液體出入口一端處于主體反應器內，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)的一個端口相連； 位于主體反應器內的液體進出口一端和液體出入口一端處于主體反應器內的溶液液 面之下；或，位于主體反應器內的液體進出口一端和/或液體出入口一端經(jīng)管路連通至主 體反應器內的溶液液面之下。
4. 按照權利要求1所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征在 于： 膜式氧合器（3)的進口通過管路與主體反應器（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器（1)外部放空。
5. 按照權利要求1所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征在 于： 于主體反應器的下部或底部設有液體出入口處設有濾網(wǎng)（4); 于主體反應器的上部或頂部設有液體進出口處設有濾網(wǎng)（4); 所述的濾網(wǎng)材質為蠶絲、金屬絲或者合成纖維，其孔徑100?800目。
6. 按照權利要求1所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征在 于：攪拌槳為電機驅動的機械攪拌槳； 所述的攪拌槳材質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. 按照權利要求1或2所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征 在于：所述的反應器液體進出口端和液體出入口設有第一、第二二位三通電磁閥（6)、（7) 和第一、第二蠕動泵（8)、（9)，能實現(xiàn)手動或自動流向轉換。
8. 按照權利要求1或6所述應用于人工肝的可變換流向的攪拌式生物反應器，其特征 在于：反應器使用時，攪拌槳攪拌速率為lOrpm?lOOOrpm，其能在連續(xù)灌流操作下實現(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:中國科學院大連化學物理研究所