專利名稱：集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于生物醫學技術領域，涉及一種醫療設備，是特定的生物人工肝或者混合型人工肝的核心裝置。
背景技術：
肝衰竭死亡率高極高，內科保守治療效果不佳，故人們正致力于各種類型人工肝尤其是生物型和混合型人工肝的研發工作，期待它們能夠替代病損的肝臟執行相關功能， 幫助病人自我康復或者等待肝移植。生物反應器是生物人工肝和混合型人工肝的核心裝置，它不僅要提供患者血漿和外源性肝細胞進行物質交換的場所，還需具備免疫隔離能力和一定的容量。中空纖維生物反應器是目前使用最廣泛的生物反應器，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，所以人們正在不斷研發各種新型生物反應器。近年來人們發現微囊化肝細胞有用于生物人工肝的潛在價值一一包裹細胞的微囊外殼類似于半透膜，可以進行物質交換和免疫隔離，微囊里的細胞可以三維生長，因而功能更強。此后人們發明了適用于微囊化肝細胞的固化床反應器，實驗證明了其在物質通透性方面獨特的優勢。然而后續的研究發現固化床反應器存在較大的缺陷一一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，現有技術以人工肝用微囊懸浮型流化床式生物反應器(中國專利號ZL200710070279.0)為核心構建了一套新型的生物人工肝系統，動物試驗表明該系統具有良好的療效。但也發現由該人工肝用微囊懸浮型流化床式生物反應器(中國專利號ZL200710070279.0)組成的新生物人工肝系統有一些需要改進和完善地方(1)患者血漿僅一次性通過反應器，物質交換是不夠的，需要有裝置使從治療對象體內引出的血漿循環灌流于反應器。(2)從治療對象體內引出的血漿的流速有限，而反應器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。(3)生物反應器中的肝細胞需要適當的氧氣供應，以持久的保持功能和活力，而僅憑未經氧合器補給氧氣的治療對象血漿所攜帶的氧氣是遠遠不夠的。(4)人工肝用微囊懸浮型流化床式生物反應器(中國專利號ZL200710070279. 0)中微囊化肝細胞的入口較小， 向反應器內腔加入微囊化肝細胞不太方便。外設的儲液池和氧合器可以解決上述(1)至項問題，但這將使裝置增多，也需要相對更大的恒溫箱來放置上述裝置，操作起來比較繁瑣，系統占用空間也太大，不利于臨床應用。
實用新型內容本實用新型的目的是針對現有技術的不足，提供一種自身可實現循環灌流的集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器。為實現上述目的，本實用新型所采取的技術方案是該集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器由端蓋部和主體部組成，所述端蓋部內設有第一腔體，所述主體部內設有第二腔體，所述第二腔體的上端與第一腔體的下端螺紋連接而共同形成漏斗型內容腔；在端蓋部的頂部中間區域設有內容腔第一液體出口，內容腔第一液體出口的內側固定有第一細胞濾器；在主體部的底部中間區域設有內容腔液體入口，所述內容腔液體入口的內側固定有第二細胞濾器；所述端蓋部的外殼的下端與所述主體部的外殼的上端螺紋連接而共同形成所述生物反應器的外殼，并在所述內容腔的側壁的外側與生物反應器的外殼的內側之間形成外容腔；所述外容腔由第一隔板和第二隔板由上至下依次分隔成上儲液池、氧合區和下儲液池；所述氧合區內固定安裝有由中空纖維圍繞內容腔組成的氧合器，所述上儲液池和下儲液池通過所述中空纖維連通；所述端蓋部的外殼的內部設有液體通道，所述內容腔與上儲液池通過該液體通道連通；在所述生物反應器的外殼上，分別于上儲液池的上端處設有上儲液池第一液體入口和上儲液池壓力平衡孔、于下儲液池的上端處設有下儲液池壓力平衡孔、于下儲液池的下端處設有下儲液池液體出口，所述上儲液池壓力平衡孔和下儲液池壓力平衡孔內均設有濾菌膜；所述第一腔體內固定安裝有第一細胞網篩，所述內容腔的頸部處固定安裝有第二細胞網篩，所述第一細胞網篩和第二細胞網篩之間的內容腔區域內容納有微囊化肝細胞。進一步地，本實用新型在端蓋部的頂部中間區域還設有內容腔第二液體出口，所述液體通道的上端延伸至所述內容腔第二液體出口處，液體通道的下端延伸至所述上儲液池。進一步地，本實用新型所述內容腔第一液體出口和內容腔第二液體出口由共同出口分叉形成。與現有技術相比，本實用新型的有益效果是針對原人工肝用微囊懸浮型流化床式生物反應器(中國專利號ZL200710070279. 0)漏斗型的空間特點，在不引入外設儲液池和氧合器、反應器的占用空間增大不明顯的前提下，把儲液池和氧合器設計整合在反應器當中。從而實現血漿(或液體)循環灌流于反應器，并且灌流速度不受從治療對象體內引出的血漿的流速限制，推動微囊充分懸浮流化、物質充分地交換，還可向反應器內微囊化肝細胞適度供氧。本實用新型生物反應器的應用可減少生物人工肝系統中設備的使用數量，減少系統占用的空間，便于臨床應用。此外，本實用新型生物反應器開放式的結構可以方便使用者向內容腔加入微囊化肝細胞。
圖1為本實用新型生物反應器的立體結構示意圖；圖2為本實用新型生物反應器端蓋部和主體部分解示意圖；圖3是圖1的A-A剖視圖；圖4為本實用新型生物反應器外接系統輔助裝置示意圖；圖中，1.內容腔第一液體出口，2.內容腔第一液體出口配屬閥門，3.內容腔第二液體出口，4.內容腔第二液體出口配屬閥門，5.第一腔體的側壁，6.端蓋部的外殼，7.第一細胞濾器，8.上儲液池第一液體入口配屬閥門，9.上儲液池第一液體入口，10.內容腔的側壁，11.上儲液池，12.氧合器，13.氧合器氣體入口，14.下儲液池，15.第二細胞網篩， 16.內容腔液體入口，17，內容腔液體入口配屬閥門，18.第二細胞濾器，19.下儲液池液體出口，20.下儲液池液體出口配屬閥門，21.下儲液池壓力平衡孔濾菌膜，22.下儲液池壓力平衡孔，23.下儲液池壓力平衡孔配屬閥門，24.微囊化肝細胞，25.第二腔體的側壁， 26.氧合器氣體出口，27.內容腔，28.內隔板銜接處，29.外殼銜接處，30.上儲液池壓力平衡孔濾菌膜，31.上儲液池壓力平衡孔，32.上儲液池壓力平衡孔配屬閥門，33.第一細胞網篩，34.液體通道，35.主體部的外殼，36.端蓋部，37.第一腔體，38.端蓋部外殼下端螺紋，39.端蓋部內隔板下端螺紋，40.主體部外殼上端螺紋，41.主體部內隔板上端螺紋， 42.主體部，43.第二腔體，44.治療對象，45.第一血液泵，46.第二血液泵，47.血漿分離器，48. —種集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器，49.延長管，50.液體出口，51.三通閥門，52.第三血液泵，53.氧氣罐，54.免疫分子吸附器，55.第四血液泵，56.生物反應器的外殼，57.第一隔板，58.第二隔板，59.上儲液池第二液體入口，60.中空纖維。
具體實施方式
如圖1和圖2所示，一般地，本實用新型的集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器 48的外觀為圓柱形，高20cm，外徑10cm，由端蓋部36和主體部42組合而成，具體地說，端蓋部36的外殼和主體部42的外殼通過端蓋部外殼下端螺紋38和主體部外殼上端螺紋40 在外殼銜接處四處進行螺紋連接而共同形成該反應器完整的外殼56。端蓋部36通過其內隔板分隔出第一腔體37，端蓋部36的內隔板即為第一腔體37的側壁5 ；主體部42則通過其內隔板分隔出第二腔體43，主體部42的內隔板即為第二腔體的側壁25 ；通過端蓋部內隔板下端螺紋39和主體部內隔板上端螺紋41在內隔板銜接處觀進行螺紋連接，第一腔體 37和第二腔體43共同形成漏斗型內容腔27，端蓋部36的內隔板和主體部42的內隔板共同構成內容腔27的側壁10，漏斗型內容腔27的頸部位于第二腔體43所在區段；而在內容腔27的側壁10的外側與反應器外殼56的內側之間形成外容腔。外容腔由第一隔板57和第二隔板58由上至下依次分隔成上儲液池11、氧合區和下儲液池14。其中，如圖3所示， 氧合區內固定安裝有由中空纖維60圍繞內容腔27組成的氧合器12，上儲液池11和下儲液池14通過所述中空纖維連通。端蓋部36的外殼的頂部中間區域設有內容腔第一液體出口 1，內容腔第一液體出口 1的內側固定有第一細胞濾器7。端蓋部36的外殼的內部設有液體通道34，內容腔27與上儲液池11通過該液體通道34連通。作為本實用新型的優先實施方式，端蓋部36的外殼的頂部中間區域還設有內容腔第二液體出口 3，液體通道34的上端延伸至端蓋部的外殼的頂部中間區域直至內容腔第二液體出口 3處，內容腔第二液體出口 3即為液體通道的上端開口 3。如圖1和圖2所示，內容腔第一液體出口 1和內容腔第二液體出口 3優選由共同出口分叉形成。液體通道34的下端延伸至上儲液池11，液體通道34 的下端開口即為上儲液池第二液體入口 59。在主體部42的外殼的底部中間區域設有內容腔液體入口 16，內容腔液體入口內側固定有第二細胞濾器18。在生物反應器的外殼上，分別于上儲液池11的上端處設有上儲液池第一液體入口 9和上儲液池壓力平衡孔31，于下儲液池的上端處設有下儲液池壓力平衡孔22，于下儲液池的下端處設有下儲液池液體出口 19。上儲液池壓力平衡孔31和下儲液池壓力平衡孔22內側均設有濾菌膜。第一腔體內安裝有第一細胞網篩33，第一細胞網篩33固定于第一腔體的側壁5的內側(即端蓋部的內隔板的內側)，內容腔27的頸部處(即“漏斗”的頸部處)安裝有第二細胞網篩15，第二細胞網篩15固定于第二腔體的頸部內側(即主體部的內隔板下端內側)。第一細胞網篩33和第二細胞網篩15之間的內容腔區域內容納微囊化肝細胞。本實用新型生物反應器的各液體出入口和壓力平衡孔均設有配屬閥門。本實用新型集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器分為端蓋部36和主體部42兩部分，兩部分通過螺紋緊密連接組合成反應器整體，這種開放式的結構可以更加方便地向反應器的內容腔內加入微囊化肝細胞。端蓋部36和主體部42之間的螺紋銜接要起到密封作用，并能承受較大壓力，防止液體從內容腔和/或外容腔滲出。本實用新型集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器在外容腔中間的氧合區內固定有氧合器12，它是由縱向排列的透氣不透水的中空纖維60環繞反應器內容腔27組成，一般高5cm，環形寬1.3cm。中空纖維的上端固定于第一隔板57，中空纖維的下端固定于第二隔板58，中空纖維的材料可為聚醚砜或聚砜。第一隔板57和第二隔板58開有通孔，使得液體可以經過中空纖維的內腔從上儲液池進入下儲液池。同時氧氣(或混合氣體)可以從氧合器氣體入口 13進入氧合器內，從氧合器氣體出口沈離開氧合器；氧氣通過由下朝斜向上的方向的運動，與從上往下流的中空纖維內腔的血漿發生對流而實現氧合。通過調節氧氣和血漿的流量比例，可為反應器的內容腔27中的微囊化肝細胞M提供適當的氧分壓。本實用新型集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器設有上儲液池11和下儲液池 14，其共同的功能等同于外設的儲液池。一般地，上儲液池高7cm，底部環形寬1.3cm，容積約IlOml ；下儲液池高3. km，容積約140ml。反應器內容腔中的部分血漿可依次通過反應器內容腔第二液體出口 3、液體通道34、上儲液池第二液體入口 59流入上儲液池11，治療對象44的血漿也可以通過上儲液池第一液體入口 9進入到上儲液池11。上儲液池11中的液體經過氧合器的中空纖維內腔可以流入到下儲液池14，下儲液池的中液體經過下儲液池液體出口 19，經過延長管49、第三血液泵52、內容腔液體入口 16可以泵回反應器內容腔，從而實現治療對象血漿的循環灌流。因為有一部分液體是循環灌流，所以內容腔液體入口 16的液體流速可以不受治療對象引出血漿的速度(即上儲液池第一液體入口 9的液體流速)的限制，從而可以加大流速實現微囊充分地懸浮流化和物質的充分交換。此外，上儲液池11設有上儲液池壓力平衡孔31及其內側的上儲液池壓力平衡孔配屬閥門32和上儲液池壓力平衡孔濾菌膜30 ；下儲液池14設有下儲液池壓力平衡孔22及其內側的下儲液池壓力平衡孔配屬閥門23和下儲液池壓力平衡孔濾菌膜21。各壓力平衡孔通向外界大氣，根據需要開放和關閉，可以方便液體的流入、流出和調節儲液池中液面的高度。上儲液池壓力平衡孔濾菌膜30和下儲液池壓力平衡孔濾菌膜21為孔徑0. 22微米的混合纖維素酯，可以阻止外界細菌進入儲液池內。根據流體動力學原理及結合本實用新型生物反應器的特點，本實用新型集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器的內容腔第一液體出口、內容腔第二液體出口和內容腔液體入口的優選位置是反應器頂部和底部外殼的中心。如圖1和圖2所示，作為本實用新型的優選實施方式，內容腔第一液體出口和內容腔第二液體出口由共同出口分叉形成。第一細胞篩網33和第二細胞篩網15的孔徑為200目，細胞濾器3和細胞濾器30 的孔徑為2. 5微米。這些裝置的目的是過濾細胞和可能的碎屑，防止其進入治療對象血液循環中，避免不良反應的發生。本實用新型集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器的內容腔保留了人工肝用微囊懸浮型流化床式生物反應器(中國專利號ZL200710070279. 0)漏斗型的大體特征并稍加修改。通常，內容腔的總高度為20cm、上頂徑為9cm、下底徑為km，總容積約為780cm。可以實現微囊的緩和拋物線樣的運動軌跡并反復流化于反應器內腔，有效地避免了灌流死腔和無效灌流。需要說明的是，本實用新型生物反應器的尺寸不限于上述大小，其大小可根據
6實際需要放大或者縮小。本實用新型集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器的外殼和各隔板的材料均為透明的聚碳酸酯，生物相容性好，并且可以方便的觀察儲液池和內腔液面的高度。以下進一步說明本實用新型生物反應器的使用方法(1)使用前對反應器滅菌。在無菌的超凈臺或者百級實驗室中擰開本生物反應器端蓋部，使第二腔體敞開。向第二腔體內加入微囊化肝細胞，通過第三血液泵52可將多于的液體經出口 50排出生物反應器的內容腔。微囊化肝細胞加入完畢后反應器的端蓋部與主體部部重新擰緊。(2)通過上儲液池第一液體入口 9用生理鹽水對上儲液池11、下儲液池14和生物反應器內容腔27進行液體預充，實施過程中要注意相關液體閥門的開閉和壓力平衡孔閥門的開閉。(3)按圖4所示，連接好各管道，用生理鹽水對管道進行液體預充。給予治療對象一定量的生理鹽水，以彌補治療時外流之血容量。(4)治療開始后，治療對象的動脈血經第一血液泵45泵入血漿分離器47，被分離出來的血漿經上儲液池第一液體入口 9進入到上儲液池11，同時內容腔中的部分液體可通過內容腔第二液體出口 5、液體通道34、上儲液池第二液體入口 59，流入上儲液池11 ；上儲液池11中的液體流經氧合器的中空纖維內腔補給氧氣，進入下儲液池14，后依次經過下儲液池液體出口 19、延長管49、反應器內容腔液體入口 16，由第三血液泵52泵入反應器內容腔內，推動反應器內容腔中的微囊化肝細胞懸浮流化，治療對象的血漿與微囊化肝細胞進行物質交換；然后部分血漿經內容腔第一液體出口 1流出，通過免疫分子吸附器M后與直接通過血漿分離器47的血液混合，由靜脈端輸回體內；另有部分血漿經內容腔第二液體出口 3流出，經液體通道34、上儲液池第二液體入口 59，再次流回上儲液池11，從而使得部分血漿循環灌流于反應器。為保正循環灌流的持續進行，需要通過調節血液泵的泵速對進出各液體出入口的流量加以控制，也需要對壓力平衡孔的開閉進行控制。一般來說，治療進行時，內容腔第一液體出口 1的流速等于上儲液池第一液體入口 9的流速，內容腔液體入口 16 的流速等于內容腔第一液體出口 1和內容第二液體出口 3流速之和；下儲液池壓力平衡孔配屬閥門22保持關閉狀態，上儲液池壓力平衡孔配屬閥門31處于開放狀態，以利于液體通過氧合器。同時氧氣罐53中的氧氣(或混合氣體)通過管路從氧合器氣體入口 13進入氧合器內，從氧合器氣體出口沈離開氧合器，從下斜向上運動，與從上往下流的中空纖維內的血漿發生對流而實現氧合，調節氣體和液體的流量比例，可為反應器內腔中的微囊化肝細胞提供適當的氧分壓。(5)治療即將結束，進入血漿反回到治療對象體內的階段時，停止從治療對象動脈端引血，關閉內容腔第二液體出口配屬閥門4和上儲液池第一液體入口 9的閥門，使上儲液池壓力平衡孔31保持開放，使下儲液池壓力平衡孔22保持關閉，降低第三血液泵52的泵速，使得上、下儲液池中的液體經過反應器內容腔、內容腔第一液體出口返回治療對象體內；上、下儲液池的液體排空后，可以調整管道結構、三通閥門51的開放方向、第三血液泵 52的蠕動方向，可以使得反應器內容腔中的液體經過內容腔液體入口 16及其延長管道返回治療對象體內。
權利要求1.一種集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器，其特征是它由端蓋部(36)和主體部(42)組成，所述端蓋部內設有第一腔體(37)，所述主體部內設有第二腔體(43)，所述第二腔體的上端與第一腔體的下端螺紋連接而共同形成漏斗型內容腔(27);在端蓋部的頂部中間區域設有內容腔第一液體出口(1)，內容腔第一液體出口的內側固定有第一細胞濾器 (7);在主體部的底部中間區域設有內容腔液體入口(16)，所述內容腔液體入口的內側固定有第二細胞濾器(18);所述端蓋部的外殼的下端與所述主體部的外殼的上端螺紋連接而共同形成所述生物反應器的外殼(56)，并在所述內容腔的側壁(10)的外側與生物反應器的外殼(56)的內側之間形成外容腔；所述外容腔由第一隔板(57)和第二隔板(58)由上至下依次分隔成上儲液池(11 )、氧合區和下儲液池(14)；所述氧合區內固定安裝有由中空纖維圍繞內容腔組成的氧合器(12)，所述上儲液池和下儲液池通過所述中空纖維連通；所述端蓋部的外殼的內部設有液體通道(34)，所述內容腔與上儲液池通過該液體通道連通；在所述生物反應器的外殼上，分別于上儲液池的上端處設有上儲液池第一液體入口(9)和上儲液池壓力平衡孔(31)、于下儲液池的上端處設有下儲液池壓力平衡孔(22)、于下儲液池的下端處設有下儲液池液體出口(19)，所述上儲液池壓力平衡孔和下儲液池壓力平衡孔內均設有濾菌膜；所述第一腔體內固定安裝有第一細胞網篩(33)，所述內容腔的頸部處固定安裝有第二細胞網篩(15)，所述第一細胞網篩和第二細胞網篩之間的內容腔區域內容納有微囊化肝細胞。
2.根據權利要求1所述的集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器，其特征是在端蓋部的頂部中間區域還設有內容腔第二液體出口(3)，所述液體通道的上端延伸至所述內容腔第二液體出口(3)處，液體通道的下端延伸至所述上儲液池。
3.根據權利要求2所述的集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器，其特征是所述內容腔第一液體出口和內容腔第二液體出口由共同出口分叉形成。
專利摘要本實用新型公開一種集成式微囊懸浮型流化床式生物反應器，它由端蓋部和主體部螺紋連接組成，端蓋部內的第一腔體和主體部內的第二腔體通過螺紋連接共同構成漏斗型的內容腔，內容腔的側壁與生物反應器的外殼之間形成外容腔，內容腔和外容腔通過設于端蓋部外殼內部的液體通道連通。外容腔由第一隔板和第二隔板由上至下依次分隔成上儲液池、氧合區和下儲液池。上儲液池中的液體經過氧合器的中空纖維內腔流入下儲液池，后由下儲液池液體出口經內容腔液體入口泵回反應器內容腔，從而實現治療對象血漿的循環灌流。
文檔編號A61M1/18GK202096521SQ201120139260
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月5日 優先權日2011年5月5日
發明者呂國良, 周鵬程, 喻成波, 張安業, 李蘭娟, 李建州, 潘小平, 章益民, 虞曉鵬, 趙立夫 申請人:浙江大學