生物人工肝系統的制作方法
【專利摘要】本發明屬于生物醫學【技術領域】，旨在提供一種生物人工肝系統。該系統包括血漿分離/回輸循環部分和生物肝循環部分。兩部分通過循環管路相互連接。生物肝循環部分包括具有保溫作用的恒溫箱，以及依次連接成為循環系統的雙腔儲液袋、氧合柱、血漿循環泵、溶氧監測及溫度儀和導流式微囊懸浮流化床生物反應器。該發明配備的生物反應器利用渦輪導流式進口分流進口局部的高速流體，有效減小流體力場中微囊所受的側向剪切力，減少微囊破壞，提高生物反應器中所培養細胞與灌流液的接觸效率。該生物反應器用于生物型人工肝支持治療系統，以求在治療重癥肝炎、肝衰竭等疾病方面取得更加理想的效果。
【專利說明】生物人工肝系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于生物醫學【技術領域】，涉及一種人工肝醫療系統。
【背景技術】
[0002]人工肝支持治療作為重癥肝炎、肝衰竭患者的有效治療手段之一已被世界公認。它包括非生物型、生物型、混合型三大類。目前生物型和混合型人工肝支持治療已經成為人工肝的研究熱點。其中生物型人工肝主要包括血漿分離/回輸循環部分和生物肝循環部分。其中生物肝循環部分是主體，它以培養肝細胞為基礎，以生物反應器為核心載體，提供分泌、代謝、生物轉化和解毒等功能。血漿分離部分的作用是將血液中的血細胞和血漿分離，使血漿單獨通過生物肝循環部分，從而減少整個循環中血細胞的破壞和凝血異常事件的發生。血漿分離技術目前較為成熟。
[0003]生物肝部分是目前研究特點，基本包括以下部分:生物反應器、體外循環池、血漿泵、循環管路。其基本功能為:血漿氧合，主要通過獨立的氧合器完成；血漿保溫，通過放置生物反應器和體外循環池的恒溫箱或生物箱來實現。血液自機體內引出，通過血漿分離為血細胞和血漿，其中血漿部分通過生物肝循環后再與分離出的血細胞混合，一起回輸到體內。
[0004]肝細胞是生物型人工肝的生物活性部分，生物反應器是生物型人工肝的核心裝置，為外源性肝細胞和血液或血漿提供物質交換的場所，又為肝細胞提供適宜的生長環境，應用前景廣闊。既往研究熱點以及目前已經進入臨床試驗的生物反應器類型主要是中空纖維反應器，但其存在細胞分布不均勻，細胞粘附率低及活性差，半透膜阻塞等缺點。與之相匹配的固化床反應器同樣存在較大的缺陷一運轉過程中許多微囊化肝細胞處于低灌流狀態，微囊化肝細胞所受剪切力較大。針對這些缺點，李蘭娟實驗室研發了人工肝用微囊懸浮型流化床式生物反應器(專利號:ZL 200820167026.5)，并以其為核心構建了一套的生物人工肝系統，動物試驗表明該系統具有良好的`療效，同時也發現其仍有一些需要完善和改進的地方:1.反應器內需要較高的液體流速才能使得微囊化肝細胞充分地懸浮和流化，但包裹細胞的微囊所能承受的流體剪切力有限；2.流體力學試驗證實漏斗形流化床式生物反應器存在流動死腔，部分微囊化肝細胞不能充分接觸流化液體；3.人工肝用微囊懸浮型流化床式生物反應器液體進口較小，提高流速可導致進口局部液體流速過快，局部微囊所受流體剪切力過大，進而導致微囊破碎率增加。4.反應器進出口須檢測溶解氧含量，既往接觸式檢測方法無法保證治療過程中的生物安全性。CN103170021 (人工肝用導流式微囊懸浮型流化床式生物反應器)公開了導流式微囊懸浮流化床生物反應器，但是當時公開的人工肝系統尚需進一步改進。

【發明內容】

[0005]本發明目的是針對現有技術不足，提供了一種配備導流式微囊懸浮型流化床式生物反應器的人工肝支持治療系統。[0006]一種生物人工肝系統，它包括血漿分離/回輸循環部分和生物肝循環部分，通過循環管路相互連接，所述的血漿分離/回輸循環部分包括血漿分離器、血漿分離泵、回輸用血漿泵及連接管路；生物肝循環部分包括恒溫箱，以及依次連接成為循環系統的雙腔儲液袋、氧合柱、血漿循環泵、導流式微囊懸浮流化床生物反應器和溶氧監測及溫度儀。
[0007]所述的連接管路采用醫用PVC制成，普通連接管外徑5.7*3.2mm。
[0008]所述的導流式微囊懸浮流化床生物反應器，它整體呈圓柱體形，包括頂蓋部，主體部以及底座部；所述的頂蓋部包括出口篩網、出口緩沖池，所述的出口篩網位于主體部與頂蓋部銜接面，頂蓋部頂部設有液體出口，液體出口的底端設有出口細胞濾網；主體部包括圓柱形內容腔，主體部的外殼設有采樣及微囊灌注口，采樣及微囊灌注口設有閥門；底座部包括入口緩沖池、渦輪式導流葉片、入口濾網、入口細胞濾網，底座部底部設有液體進口，所述的入口濾網位于底座部與主體部銜接面，所述的入口細胞濾網位于液體進口及入口緩沖池銜接面。
[0009]所述液體進口及液體出口直徑為4-8_，液體進口設有第一單向引流式閥門，液體出口設有第二單向引流式閥門可單向引出灌流液體用于采樣。
[0010]所述入口細胞濾網、出口細胞濾網的孔徑為1-5μπι，所述入口濾網直徑為10-30cm，濾網孔徑為100-500 μ m，所述出口篩網直徑為10_30cm，篩網孔徑為500-800目。
[0011]所述渦輪式導流葉片固定于底座部，導流葉片為8-32片，每個導流通道的扇形進口與扇形出口在橫斷面的射影無重疊面積。
[0012]所述圓柱形內容腔體積為500_1500mL。
[0013]所述出口緩沖池空間高度為10-30mm，所述入口緩沖池空間高度為10_20mm。
[0014]本發明的有益效果:本發明配備的導流式微囊懸浮流化床生物反應器和人工肝系統用雙腔儲液袋組成高效生物循環通路，通過渦輪式導流葉片使得生物循環通路流速提高至300-500ml/min,且微囊側向剪切力均小于破碎臨界值。三維流體力學模型及實體試驗均證實，反應器在特定流速/強體直徑比內可形成穩定的四周螺旋向上，中間向下的流化效果，可避免出現循環死腔，使微囊與流化液體能夠充分接觸，在保證微囊完整性的前提下，提高凈化效能。進出口單向導流閥在保證生物安全性前提下為PH監測、溶解氧檢測提供采樣途徑。本發明進一步優化了生物型人工肝治療系統。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是生物人工肝系統的結構示意圖；
圖2是圖1中的導流式微囊懸浮流化床生物反應器示意圖；
圖中:1.血泵；2.肝素泵；3.血漿分離柱；4.血漿分離泵；5.雙腔儲液袋；6.氧和柱、
7.血漿循環泵；8.導流式微囊懸浮流化床生物反應器；9.溶氧監測及溫度儀；10.生物箱；
11.血漿返液泵；12.液體出口、13.第二單向引流式閥門、14.出口細胞濾網、15.出口篩網、16.閥門、17.采樣及微囊灌注口、18.入口濾網、19.渦輪式導流葉片、20.入口細胞濾網、21.第一單向引流式閥門；22.液體進口 ；23.出口緩沖池；24.圓柱形內容腔；28.入口緩沖池；25.頂蓋部；26.主體部；27.底座部。
【具體實施方式】[0016]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0017]如圖1，本實施例的配備導流式微囊懸浮流化床生物反應器的生物人工肝系統，包括血漿分離/回輸循環部分和生物肝循環部分。兩部分通過循環管路相互連接。其中血漿分離/回輸循環包括成分血漿分離器3、血漿分離4、回輸用血漿泵11、血漿收集及回輸管路；生物肝循環部分包括恒溫箱10，以及依次連接成為循環系統的雙腔儲液袋5 (比如采用在CN 103263706，申請日:2013-05-09 ;發明名稱:血漿置換吸附濾過治療專用血漿儲存袋，公開的血漿儲存袋)、氧合柱6、血漿循環泵7、導流式微囊懸浮流化床生物反應器8和溶氧監測及溫度儀9。血泵I將人體中的血液引出，并以肝素泵2封管。
[0018]如圖2，生物人工肝系統配備的導流式微囊懸浮流化床生物反應器外觀呈圓柱形(圓柱體形包括了符合要求的圓柱體的變形)，包括頂蓋部25，主體部26以及底座部27 ;頂蓋部25包括出口緩沖池23、位于主體部26與頂蓋部25銜接面的出口篩網15，端蓋部25頂部設有液體出口 12，液體出口 12的底端設有出口細胞濾網14 ;主體部26包括圓柱形內容腔24，主體部26側壁設有采樣及微囊灌注口 17，采樣及微囊灌注口 17設有閥門16 ;底座部27包括入口緩沖池28、渦輪式導流葉片19、位于底座部27與主體部26銜接面的入口濾網18、位于液體進口 22及入口緩沖池銜接面的入口細胞濾網20，底座部27底部設有液體進口 22。該反應器呈封閉式結構，多開口設計，可方便采樣及加入微囊化肝細胞，同時減少操作過程中的污染可能。其中:液體進口 22及液體出口 12直徑為4-8mm ;出口細胞濾網14、入口細胞濾網20的孔徑為1-5 μ m ;入口濾網18直徑為10_30cm，濾網孔徑為100-500 μ m ;出口篩網15直徑為10-30cm，篩網孔徑為500-800目；渦輪式導流葉片19導流葉片為8_32片，每個導流通道的扇形進口與扇形出口在橫斷面的射影無重疊面積；圓柱形內容腔24體積為500-1500mL ；出口緩沖池23空間高度為10_30mm ;入口緩沖池28空間高度為10_20mm。該反應器液體進口 22及液體出口 12均配備有單向引流式閥門21、13，可單向少量引出循環中的液體，以提供PH及溶解氧檢測。該反應器的主體部各個側壁的材料均為醫用塑料或有機玻璃，可以方便的觀察儲液袋和內腔液面的高度。
[0019]本系統配備的導流式微囊懸浮流化床生物反應器的規模可根據實際應用放大或縮小。
`[0020]使用方法如下:
如圖1。治療準備，打開閥門16，將微囊包被的肝細胞經采樣及微囊灌注口 17灌入反應器主體部26圓柱形內容腔內，微囊灌注完畢后關閉灌注口閥門，自液體進口 22緩慢預沖配制好的循環緩沖液。排出循環管路中所有氣泡并檢查系統密閉性。此時由于入口濾網的孔徑小于微囊直徑，微囊積存于反應器主體部底部。
[0021]治療開始，患者或實驗動物的血液引出體外后，自血泵I進入血漿分離部分，經血漿分離柱將全血分離為血漿及血細胞，其中血漿進入生物肝循環部分，分離的血細胞與完成生物肝循環的血漿重新匯合經返液泵11回輸至患者或實驗動物體內。
[0022]經血漿分離柱分離的血漿進入生物肝循環部分，首先進入雙腔儲液袋的外循環部分，開始生物肝循環，進入生物肝循環的血漿首先經過氧合柱6，使得循環血漿溶解氧濃度升高以供應反應器中的肝細胞生理活動需要，隨后經血漿循環泵7進入導流式微囊懸浮型流化床式生物反應器8，進入反應器的高流速血漿經入口緩沖池28緩沖，并經由固定于底座部27的渦輪式導流葉片19導流，分流形成流速較緩且螺旋上升的血漿流，同時帶動反應器中的微囊形成外部旋轉向上，中部向下的穩定流化狀態，出口處血漿經由出口篩網15、出口緩沖池23自反應器液體出口 12均勻流出。反應器回流血漿經儲液袋內循環回到循環儲液袋中，其中絕大部分再次進入生物循環，以保證回輸體循環的血漿盡可能多的經歷生物循環、獲得充分的解毒及代謝作用，少部分多次循環后的血漿經出儲液袋外循環與血漿分離器3分離的血細胞成分回輸患者或者實驗動物體內。
[0023]本系統配備的導流式微囊懸浮流化床生物反應器在保證微囊完整性的前提下顯著提高了生物循環的流速，使得生物循環的效率得以充分體現；同時內、外循環的高差速比使得患者能夠以較小的全血引出流速達到相同的血液凈化效果，避免了中心靜脈置管、動靜脈造簍等復雜操作，在減少患者痛苦以及簡便臨床操作方面提供了更好的治療方案。
[0024]以上所述僅為本發明的一個【具體實施方式】，不構成對本發明的任何限制。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍 之內。
【權利要求】
1.一種生物人工肝系統，其特征在于，它包括血漿分離/回輸循環部分和生物肝循環部分，通過循環管路相互連接，所述的血漿分離/回輸循環部分包括血漿分離器(3)、血漿分離泵(4)、回輸用血漿泵(11)及連接管路；生物肝循環部分包括恒溫箱(10)，以及依次連接成為循環系統的雙腔儲液袋(5)、氧合柱(6)、血漿循環泵(7)、導流式微囊懸浮流化床生物反應器(8)和溶氧監測及溫度儀(9)。
2.如權利要求1所述的生物人工肝系統，其特征在于:所述的連接管路采用醫用PVC制成，普通連接管外徑5.7*3.2mm。
3.如權利要求1所述的生物人工肝系統，其特征在于:所述的導流式微囊懸浮流化床生物反應器(8)，它整體呈圓柱體形，包括頂蓋部(25)，主體部(26)以及底座部(27);所述的頂蓋部(25)包括出口篩網(15)、出口緩沖池(23 )，所述的出口篩網(15 )位于主體部(26 )與頂蓋部(25)銜接面，頂蓋部(25)頂部設有液體出口( 12)，液體出口( 12)的底端設有出口細胞濾網(14 );主體部(26 )包括圓柱形內容腔(24 )，主體部(26 )的外殼設有采樣及微囊灌注口( 17 )，采樣及微囊灌注口( 17 )設有閥門(16 );底座部(27 )包括入口緩沖池(28 )、渦輪式導流葉片(19)、入口濾網(18)、入口細胞濾網(20)，底座部(27)底部設有液體進口(22)，所述的入口濾網(18 )位于底座部(27 )與主體部(26 )銜接面，所述的入口細胞濾網(20 )位于液體進口(22)及入口緩沖池銜接面。
4.如權利要求3所述的生物人工肝系統，其特征在于:所述液體進口(22)及液體出口(12 )直徑為4-8mm，液體進口( 22 )設有第一單向引流式閥門(21)，液體出口( 12 )設有第二單向引流式閥門(13 )可單向引出灌流液體用于采樣。
5.如權利要求3所述的生物人工肝系統，其特征在于:所述入口細胞濾網(20)、出口細胞濾網(14)的孔徑為1-5 μ m，所述入口濾網(18)直徑為10_30cm，濾網孔徑為100-500 μ m，所述出口篩網(15)直徑為10-30cm，篩網孔徑為500-800目。
6.如權利要求3所述的生物人工肝系統，其特征在于:所述渦輪式導流葉片(19)固定于底座部(27)，導流葉片為8-32片，每個導流通道的扇形進口與扇形出口在橫斷面的射影無重疊面積。
7.如權利要求3所述的生物人工肝系統，其特征在于，所述圓柱形內容腔(24)體積為500_1500mLo
8.如權利要求3所述的生 物人工肝系統，其特征在于:所述出口緩沖池(23)空間高度為10-30mm，所述入口緩沖池(28)空間高度為10_20mm。
【文檔編號】A61M1/38GK103877631SQ201410079298
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月6日 優先權日:2014年3月6日
【發明者】李蘭娟, 鹿娟, 俞亮 申請人:浙江大學