專利名稱：配備納米纖維網片疊加式反應器的混合型人工肝支持系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫療設備，具體地說，是一種配備納米纖維網片疊加式反應器的混合型 人工肝支持系統。
背景技術：
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、混合型人工肝三大類，其中后兩類是主要的國際發展方向。
混合型人工肝支持系統，依次通常包括血漿分離部分、非生物肝循環部分和生物肝循環 部分，三個部分通過管路接口相連。其中生物肝循環部分為主體，它以培養肝細胞為基礎， 生物反應器為核心載體，具備生物合成、轉化代謝、解毒排泄等功能。非生物肝循環部分為 輔助，對生物肝循環部分有互補性和協同性，它的優勢是解毒排泄、調節體液平衡，根據臨 床患者的實際情況，可以選擇血漿置換、血液濾過、血液透析、血液灌注，或者它們的組合。 血漿分離部分為補充，作用是把血液中的血細胞和血漿分離，使血漿單獨通過后續兩個循環 部分，再與血細胞匯合回輸人體，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。 其中血槳分離部分和非生物肝循環部分是目前成熟的技術。
生物肝循環部分是目前研究的熱點，雖然尚無統一的模式，但大都具有以下基本裝置-生物反應器、體外循環池、血漿泵、循環管路。同時具備以下功能血漿氧合的功能，往往 通過獨立的氧合器實現；血漿保溫的功能，往往通過可以放置生物反應器和體外循環池的恒 溫培養箱或者獨立的加熱器來實現。血液自體內引出后，通過血漿分離部分分離為血漿成分 和細胞成分，其中血漿成分通過非生物肝循環部分處理后，進入生物肝循環部分，經循環后 再與血漿分離部分分離出的細胞成分混合， 一起回輸患者或實驗動物體內。
生物反應器(即反應器)是人工肝治療的核心裝置，既為外源性肝細胞和患者血液或血 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。理想的人工肝用 生物反應器，應當符合以下基本要求1、充足的肝細胞生長空間，支持一名肝衰竭患者約 需10%的正常肝臟質量，折合肝細胞數約150億。2、良好的生物相容性，能保證肝細胞的 活性和功能。3、中小物質雙向傳輸，大分子物質免疫阻隔。
迄今生物反應器主要有四種類型:中空纖維型、平板單層培養型、灌流床式/支架型和細胞包裹/懸浮型。目前，臨床應用最多的是中空纖維型反應器，它具有氧合和免疫阻隔作用， 細胞受剪切力小等優點。但存在以下缺點1、傳統的中空纖維反應器內，纖維平行緊密排
列，肝細胞生長空間不足；2、只能為肝細胞提供二維培養，不能提供三維立體培養環境， 細胞活性及功能不佳，難以組織化；3、細胞易堆積在反應器底部，分布不均勻；4、細胞易 堵塞半透膜，影響物質交換。在動物實驗和細胞培養方面應用也較多的另一類反應器是灌流 床式/支架型反應器，它具有能為肝細胞提供三維培養環境，容易放大，物質交換良好的優 點。但存在以下問題1、缺乏免疫隔離的安全隱患；2、支架內部孔隙多是不規則不均勻的， 易產生灌流不均，支架整體的中心及邊緣地帶易產生無效腔、死腔；3、通過大量支架的阻 力大，所需的灌流強度大，致細胞受剪切力大，難以放大。如何綜合不同種類反應器的優勢， 揚長避短，克服缺陷，成為新近國內外研究的熱點。
近年來，生物支架材料的研究有了長足進展，新興的納米纖維材料、海藻酸-殼聚糖等 天然材料以及半乳糖、肝素等修飾的高分子聚合物材料大量涌現并廣泛應用于細胞培養。尤 其是新興的納米纖維材料，被證實更能促進肝細胞的生長和繁殖，有利于肝細胞球形體的生 成，以及細胞功能活性的發揮和長久維持，并有促進干細胞誘導分化的功能。納米纖維還可 以按照一定規則編織成微米級或毫米級的纖維束，編織后的纖維束具有良好的強度。生物材 料，尤其是納米纖維材料的迅猛發展為新型生物反應器的研制，創造了巨大的契機。
發明內容
本發明的目的在于為了克服現有技術中的不足，提供一種配備納米纖維網片疊加式反應 器的混合型人工肝支持系統。
本發明的配備納米纖維網片疊加式反應器的混合型人工肝支持系統，包括血漿分離部 分、非生物肝循環部分和生物肝循環部分，血槳分離部分和非生物肝循環部分通過循環管路 相互連接，非生物肝循環部分和生物肝循環部分通過循環管路相互連接；所述生物肝循環部 分包括包括起到保溫作用的恒溫氣浴培養箱，以及依次連接成為循環系統的體外循環池、血 漿泵、溶解氧及溫度測試瓶和納米纖維網片疊加式反應器；
所述納米纖維網片疊加式反應器的外殼內布置若干縱向疊加的納米纖維網片，納米纖維 網片由納米纖維混合中空纖維編織而成；若干豎向布置的中空纖維穿過前述納米纖維網片的 網格的中心，所述中空纖維是聚醚砜中空纖維或聚砜中空纖維；反應器外殼的底端設細胞懸 液入口和液體入口，頂端設細胞懸液出口和液體出口，側壁對向設置氣體入口和氣體出口；
所述用于混合編織納米纖維網片的中空纖維的內部是氣體通道，其一端連接氣體入口， 另一端連接氣體出口；所述豎向布置的中空纖維的內部是液體通道，其一端連接液體入口，另一端連接液體出口；所有中空纖維的外壁與反應器外殼的內壁共同構成肝細胞的三維生長 空間，與細胞懸液入口和細胞懸液出口連通。
作為一種改進，所述細胞懸液入口和細胞懸液出口處分別裝有濾菌器，以旋蓋固定于反 應器外殼上。
作為一種改進，所述納米纖維網片由兩個方向的納米纖維混合中空纖維上下交叉編織而 成，在一個方向上為納米纖維編織成的微米級纖維束平行排列，在另一個方向上為納米纖維 編織成的微米級纖維束與中空纖維平行間隔排列。
作為一種改進，所述用于編織納米纖維網片的納米纖維是下述納米纖維中的至少一種
殼聚糖納米纖維、聚己內酯納米纖維或聚乙烯醇納米纖維。
作為一種改進，所述用于混合編織纖維網片的中空纖維是透氣不透水的纖維連接蛋白修 飾的聚醚砜中空纖維或聚砜中空纖維。
作為一種改進，所述豎向布置的中空纖維是孔徑0.2um、分子截留量50 100kD，且未
經修飾的聚醚砜中空纖維或聚砜中空纖維。
作為一種改進，所述納米纖維網片的網格邊長為lmrn。
作為一種改進，納米纖維網片按照300um的間距縱向粘合疊加。
作為一種改進，所述納米纖維網片疊加式反應器的外殼是長方體或圓柱體透明有機玻璃外殼。
本發明的有益效果是
本發明中的納米纖維網片疊加式反應器利用納米纖維編織成的微米級纖維束與中空纖 維的空間組合，不引入三維生物支架，卻實現了三維立體培養，肝細胞的活性和功能均優于 傳統的二維培養，且易于組織化；纖維束中的納米有序結構，更能促進肝細胞的生長和繁殖， 促進肝細胞球形體的生成，更有利于高密度、高活性肝細胞的獲得和長久培養，并有促進干 細胞誘導分化的功能；纖維組合構成的立體孔隙微小，有利于固定細胞，使細胞分布均勻； 纖維組合構成的立體孔隙規則均勻，液流阻力小，使細胞所受剪切力小，易于放大；利用不 同特性纖維(能促進肝細胞生長繁殖的納米纖維、經修飾易于肝細胞生長且能供氧的中空纖 維，以及具有免疫阻隔作用的中空纖維)的組合，改善了細胞易堵塞半透膜的缺陷，物質交 換效率高，并兼具氧合和免疫阻隔功能。該反應器功能強大，能用于生物型或混合型人工肝， 亦能用于干細胞的培養和誘導分化。本發明的配備納米纖維網片疊加式反應器的混合型人工 肝支持系統因其反應器兼具氧合功能，故省去了一般系統中需獨立配備的氧合器。
圖1為納米纖維網片疊加式生物反應器縱向剖面結構示意圖2為納米纖維網片疊加式生物反應器橫向剖面結構示意圖3為配備納米纖維網片疊加式生物反應器的混合型人工肝支持系統示意圖。
附圖標記
血漿分離部分A、非生物肝循環部分B、生物肝循環部分C
納米纖維網片1、豎向布置的中空纖維2、肝細胞的三維生長空間3、納米纖維編織成 的微米級纖維束4、納米纖維網片中的中空纖維5、反應器外殼6、液體入口 7、液體出口 8、 氣體入口9、氣體出口 10、細胞懸液入口 11、細胞懸液出口 12、濾菌器13、旋蓋14、體外 循環池15、溶解氧及溫度測試瓶16、納米纖維網片疊加式反應器17、恒溫氣浴培養箱18、 肝素泵19、血液壺20、血漿分離器21、管路加熱器22、溫度測試瓶23、血液壺24、氣泡 探測器25、血液泵26、血漿泵27、血漿泵28、血漿泵29、動脈壓測試端口 30、靜脈壓測 試端口 31、 A的血漿輸出端口 32、 B的血漿輸入端口 33、 B的血漿輸出端口 34、 C的血漿輸 入端口 35、 C的血漿輸出端口 36、 B的血漿輸入端口 37、 B的血漿輸出端口 38、 A的血漿輸 入端口 39。
具體實施例方式
本發明中的納米纖維網片疊加式生物反應器，納米纖維網片的間距、網格大小以及反應 器規模可根據實際應用放大或縮小。
本實施例中的配備納米纖維網片疊加式反應器的混合型人工肝支持系統，包括血漿分離 部分A、非生物肝循環部分B和生物肝循環部分C，血漿分離部分A和非生物肝循環部分B 通過管路端口32、 33、 38、 39相互連接，非生物肝循環部分B和生物肝循環部分C通過管 路端口34、 35、 36、 37相互連接。
生物肝循環部分C包括依次連接成為循環系統的體外循環池15、血漿泵28、溶解氧及 溫度測試瓶16、納米纖維網片疊加式反應器17和血漿泵29，除血漿泵29外，生物肝循環 部分C的其他裝置均放置在37攝氏度恒溫氣浴培養箱18中。
本實施例中的納米纖維網片疊加式生物反應器17，包括一個長方體透明有機玻璃反應 器外殼6。反應器外殼6的底端設細胞懸液入口 11和液體入口 7，頂端設細胞懸液出口 12 和液體出口8，側壁對向設置氣體入口 9和氣體出口 10。細胞懸液入口 ll和細胞懸液出口 12處均裝有濾菌器13，并以旋蓋14固定于反應器外殼6上。
反應器外殼6內布置若干縱向疊加的納米纖維網片1,納米纖維網片1由納米纖維按照 一定規則編織成的微米級纖維束4,混合表面適合肝細胞生長的、透氣不透水的纖維連接蛋 白修飾的聚醚砜中空纖維5編織而成。納米纖維網片1 一個方向上為微米級纖維束4平行排列，另一個方向上為微米級纖維束4與中空纖維5平行間隔排列。納米纖維網片1上密布著 邊長為lmm的網格，各層納米纖維網片按照300um的間距粘合疊加。網片中的納米纖維的 材質，可以是天然材料，如殼聚糖等，或者生物相容性優的高分子化合物，如聚己內酯、聚 乙烯醇等中的一種或幾種。網片中的中空纖維5的內部是氧氣和二氧化碳混合氣體的通道， 其一端連接氣體入口9，另一端連接氣體出口IO。
若干豎向布置的中空纖維2穿過納米纖維網片1的網格的中心，豎向布置的中空纖維2 是孔徑0.2um、分子截留量50 100kD且未經修飾的聚醚砜中空纖維，具備良好生物相容 性和免疫隔離效果，豎向的中空纖維2表面未經修飾可減小肝細胞在其表面快速生長堵塞纖 維孔的風險。豎向布置的中空纖維2的內部是血漿或培養液的通道，其一端連接液體入口， 另一端連接液體出口。
納米纖維網片1中的中空纖維5的特點是透氣不透水，且表面易于肝細胞生長；豎向 布置的中空纖維2的特點是透氣透水、具有免疫阻隔作用，具有良好生物相容性，表面不 必很易于肝細胞生長，以減少細胞在其表面生長過快而堵塞纖維孔的風險。按照這個標準， 還可選用聚砜等具備同樣特性的材質作為中空纖維。
反應器17內所有的纖維的外壁與反應器外殼6的內壁共同構成肝細胞的三維生長空間 3,該空間與細胞懸液入口 11和細胞懸液出口 12連通。肝細胞主要黏附于納米纖維網片1 的表面，部分黏附于豎向布置的中空纖維2的表面，呈三維立體生長，易于組織化。
反應器17內與細胞懸液入口 11和細胞懸液出口 12交織的部分纖維可以撤去，以便于 肝細胞懸液的流入和流出。
使用方式如下
患者或實驗動物的血液引出體外后，首先經血漿分離部分A分離為細胞成份和血漿成 份。其中血漿成份經非生物肝循環部分B處理后，進入生物肝循環部分C，依次經過生物肝 循環部分C內的體外循環池15，血漿泵28、溶解氧及溫度測試瓶16，從納米纖維網片疊加 式生物反應器17的液體入口7進入反應器內，由豎向的中空纖維2的內腔流出，與肝細胞 的三維生長空間3中的肝細胞(肝細胞為預先接種和培養)充分接觸后，流回豎向的中空纖 維2的內腔，自下而上至反應器頂部的液體出口 8流出，返回體外循環池15。血漿經過多 次循環后，經血漿泵29泵回，最后與血液中的細胞成份一起回輸體內。
肝細胞可選用原代人、豬肝細胞或肝細胞系等，簡述接種和培養步驟如下
1、 用培養液配制成合適濃度的肝細胞懸液。
2、 打開反應器17的細胞懸液入口11的旋蓋14，將肝細胞懸液注入反應器內，至細胞 懸液充滿反應器17從頂部的細胞懸液出口 12溢出為止。肝細胞黏附于纖維外壁，約24小 時后貼附牢固。
83、 從反應器17的細胞懸液入口 11灌入新鮮培養基，經過反應器自細胞懸液出口 12流 出，沖去未貼壁的肝細胞。
4、 將體外循環池15、血漿泵28、溶解氧及溫度測試瓶16、納米纖維網片疊加式反應 器17、恒溫氣浴培養箱18，按圖3中生物肝循環部分C所示，連成肝細胞培養循環通路， 新鮮的培養基分別從反應器17的液體入口 7和液體出口 8流入和流出反應器，為肝細胞提 供養分并帶走代謝產物，氧氣和二氧化碳的混合氣體分別從反應器17的氣體入口 9和氣體 出口10流入和流出，為肝細胞供氧。
5、 培養合適時間后，可以按圖3連接組合成混合型人工肝支持系統。
最后，還需要注意的是，以上公布的僅是本發明的具體實施例。本領域的普通技術人員 能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍。
權利要求
1、一種配備納米纖維網片疊加式反應器的混合型人工肝支持系統，包括血漿分離部分、非生物肝循環部分和生物肝循環部分，血漿分離部分和非生物肝循環部分通過循環管路相互連接，非生物肝循環部分和生物肝循環部分通過循環管路相互連接；其特征在于所述生物肝循環部分包括起到保溫作用的恒溫氣浴培養箱，以及依次連接成為循環系統的體外循環池、血漿泵、溶解氧及溫度測試瓶和納米纖維網片疊加式反應器；所述納米纖維網片疊加式反應器的外殼內布置若干縱向疊加的納米纖維網片，納米纖維網片由納米纖維混合中空纖維編織而成；若干豎向布置的中空纖維穿過前述納米纖維網片的網格的中心，所述中空纖維是聚醚砜中空纖維或聚砜中空纖維；反應器外殼的底端設細胞懸液入口和液體入口，頂端設細胞懸液出口和液體出口，側壁對向設置氣體入口和氣體出口；所述用于混合編織納米纖維網片的中空纖維的內部是氣體通道，其一端連接氣體入口，另一端連接氣體出口；所述豎向布置的中空纖維的內部是液體通道，其一端連接液體入口，另一端連接液體出口；所有纖維的外壁與反應器外殼的內壁共同構成肝細胞的三維生長空間，與細胞懸液入口和細胞懸液出口連通。
2、 根據權利要求1所述的混合型人工肝支持系統，其特征在于，所述細胞懸液入口和細 胞懸液出口處分別裝有濾菌器，以旋蓋固定于反應器外殼上。
3、 根據權利要求1所述的混合型人工肝支持系統，其特征在于，所述納米纖維網片由兩 個方向的納米纖維混合中空纖維上下交叉編織而成，在一個方向上為納米纖維編織成的微米級 纖維束平行排列，在另一個方向上為納米纖維編織成的微米級纖維束與中空纖維平行間隔排 列。
4、 根據權利要求1所述的混合型人工肝支持系統，其特征在于，所述用于編織納米纖維 網片的納米纖維是下述納米纖維中的至少一種殼聚糖納米纖維、聚己內酯納米纖維或聚乙烯 醇納米纖維。
5、 根據權利要求1所述的混合型人工肝支持系統，其特征在于，所述用于混合編織纖維 網片的中空纖維是透氣不透水的纖維連接蛋白修飾的聚醚砜中空纖維或聚砜中空纖維。
6、 根據權利要求1所述的生物型人工肝支持系統，其特征在于，所述豎向布置的中空纖 維是孔徑0.2nm、分子截留量50 100kD，且未經修飾的聚醚砜中空纖維或聚砜中空纖維。
7、 根據權利要求1所述的混合型人工肝支持系統，其特征在于，所述納米纖維網片的網 格邊長為lmm。
8、 根據權利要求1所述的混合型人工肝支持系統，其特征在于，納米纖維網片按照300 ym的間距縱向粘合疊加。
9、根據權利要求1所述的混合型人工肝支持系統，其特征在于，所述納米纖維網片疊加 式反應器的外殼是長方體或圓柱體透明有機玻璃外殼。
全文摘要
本發明涉及醫療設備，旨在提供一種配備納米纖維網片疊加式反應器的混合型人工肝支持系統。該系統包括血漿分離部分、非生物肝循環部分和生物肝循環部分，生物肝循環部分包括包括起到保溫作用的恒溫氣浴培養箱，以及依次連接成為循環系統的體外循環池、血漿泵、溶解氧及溫度測試瓶和納米纖維網片疊加式反應器。本發明易于放大，改善了細胞易堵塞半透膜的缺陷，物質交換效率高，并兼具氧合和免疫阻隔功能。反應器功能強大，能用于生物型或混合型人工肝，亦能用于干細胞的培養和誘導分化。本系統因其反應器兼具氧合功能，故省去了一般系統中需獨立配備的氧合器。
文檔編號A61M1/34GK101559246SQ200910098990
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月26日 優先權日2009年5月26日
發明者喻成波, 曹紅翠, 朱春俠, 李蘭娟, 杜維波, 潘小平 申請人:浙江大學