CN101087873A - 反应器单元和具有这种反应器单元的反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有第一腔室和第二腔室的反应器单元，其中，第一腔室由外壳的内部形成且第二腔室由布置在外壳中的多个中空纤维的内部形成。将中空纤维布置在外壳中，以在第一腔室的截面积的基础上使在第一腔室的至少一个区域中的中空纤维的密度不超过10根纤维/mm²。根据本发明的另一个方面，规定将两种铸塑混合物布置在反应器单元中，中空纤维的一部分嵌入铸塑混合物中，且中空纤维的另一个部分在铸塑混合物之间延伸，其中，至少一些或全部中空纤维的长度比铸塑混合物的距离至少大0.5％。

Description

反应器单元和具有这种反应器单元的反应器

本发明涉及具有第一腔室和第二腔室的反应器，其中，第一腔室由外壳的内部形成，且第二腔室由布置在外壳中的多个中空纤维的内部形成。

不同类型的反应器是公知的并用于如培养不同起源的人或动物细胞，或者用于如人造肝脏或胰脏移植治疗。

可从US 5,437,998获知一种反应器，这种反应器包括可旋转安装的反应器单元，这种可旋转的反应器单元含有培养基(medium)，这种培养基具有进行培养的细胞。通过反应器单元的可渗透壁实现向培养基提供氧并排出所形成的CO₂。

可从WO 03/105663 A2获知一种肝脏支持***，这种***包括反应器单元，这种反应器单元具有第一腔室和第二腔室，其中，第一腔室由外壳的内部形成，且第二腔室由容纳在外壳中的中空纤维束的中空纤维的内部形成。肝细胞容纳在第一腔室中。在所描述的反应器的一个实施例中，将血浆穿过中空纤维的内部，即穿过第二腔室。质量传递由中空纤维膜完成。将中空纤维设计成直的并以外壳的纵向方向延伸。可从WO 04/050864 A1获知一种生物反应器，在这种生物反应器中设有腔室，这种腔室含有进行培养的细胞，通过膜将这种腔室与载有营养培养基的供应和排出管分离。

正如前面所说明的那样，前面所提及的反应器单元可用于如培养细胞。另一种使用领域是治疗，如肝脏和胰脏移植治疗。因此，例如，现有技术中的反应器单元具有用于培养细胞的第一腔室，由第二腔室形成的供应管穿过第一腔室延伸，营养培养基或血液或血液成分流过该第二腔室。第二腔室通常由中空纤维膜束形成，其中，将物质与培养基在第一腔室中通过中空纤维的膜进行交换。一般规定较大的单位如细胞不能够经过中空纤维的膜。可通过这种反应器单元向第一腔室中的细胞提供营养并可将代谢产物排出。在前面提及的将反应器单元用作人工肝脏的情形中，将来自血液的物质与腔室进行交换，然后，这些物质由肝细胞代谢。

前面所提及的过程要求反应器单元的第一腔室与第二腔室之间的良好的质量传递。本发明的目的在于形成如前面所提及的那样的一种反应器单元，以使这种反应器单元与公知的反应器单元相比具有改进的质量传递特性。

这种目的由具有权利要求1和14所述的特征的反应器单元来实现。因此，规定将中空纤维布置在外壳中，以在第一腔室的截面积的基础上使在第一腔室的至少一个区域中的中空纤维的密度不超过10根纤维/mm²。现已发现，当中空纤维的密度在第一腔室的截面积的基础上不超过某个密度时可理想地实现第一腔室与第二腔室之间的质量传递。现已注意到，当纤维的密度并不具有可能的最大值但小于该值时可实现良好的交换。人造肾脏中所优先选择的纤维的最密填充在本发明中并没有好处。在确保供应容量时实现最低密度，同时也取决于总的交换表面。

在具有约250μm的外径的中空纤维中，最大纤维密度为12根纤维/mm²。现已发现，当中空纤维的密度在第一腔室的截面积的基础上不超过10根纤维/mm²的值时可实现特别理想的质量传递。

特别有利的是，第一腔室的至少一个区域中每单位面积的中空纤维的密度在0.2至10根纤维/mm²的范围内，优选在0.5至6根纤维/mm²的范围内，特别优选在1至4根纤维/mm²的范围内。这些密度可在第一腔室的至少一个点实现。

此处以及下文中所说明的密度是指在1cm²基础上的均匀纤维密度。

一方面可以实现每单位面积反应器单元的中空纤维的创造性密度，因为已将纤维植入对应的密度之中，即已将纤维嵌入它们的终端区域中的铸塑混合物中。而且，可以用纤维可能的最密填充将纤维植入，然后减小腔室中两种混合物之间的距离，以使植入表面的距离小于位于这些铸塑混合物之间的纤维部分的长度。在此情形中，纤维并不在植入表面之间直线延伸，而是呈曲线，例如呈纺锤形。

因此可构思出在第一腔室的截面积的基础上的纤维密度在以纤维的纵向方向改变。例如，在将纤维植入其最密填充时情况就是如此，但相互朝向的铸塑混合物的表面之间的距离小于位于这些铸塑混合物之间的纤维部分的长度。或者，还可规定在第一腔室的截面积的基础上的纤维密度在纤维的纵向方向上是恒定的。在将这些纤维植入所希望的密度时，可构思出这种实施例是，所希望的密度小于可能的最大密度。

从原则上来讲，可将一种或多于一种的铸塑混合物布置在反应器单元中，中空纤维的部分通常是端部部分嵌入该铸塑混合物中。可在纤维如具有U形流时提供铸塑混合物。

当然，反应器单元还可包括两种铸塑混合物，这两种铸塑混合物相互朝向，中空纤维的部分优选是端部部分嵌入铸塑混合物中，且中空纤维的另一个部分在这两种铸塑混合物之间延伸。

正如前面所描述的那样，可规定中空纤维在铸塑混合物之间直线延伸也可以以曲线延伸，这样就得到如凸出的或纺锤形中空纤维束。这些纤维比在伸长的直线纤维流的情形中在更大程度上填充第一腔室的容积。

正如前面所描述的那样，本发明的有利方面包括位于铸塑混合物之间的至少一些或全部中空纤维的部分的长度比相互朝向的铸塑混合物的表面之间的距离至少大0.5％。特别优选一些或全部中空纤维的该部分的长度比植入表面之间的该距离至少大1％，优选至少大3％。

可用适当的装置限制中空纤维，以增加在第一腔室的截面积的基础上的纤维密度。从原则上来讲，例如，可用O形环来中空纤维或由中空纤维所形成的纺锤，以将密度再次向上调整。

在本发明的又一方面，规定反应器单元包括第三腔室，第三腔室由中空纤维形成，这些中空纤维用于通过中空纤维膜传递至少一种气态培养基。可实现一种用于气体传递的电路。除了形成第二腔室的中空纤维之外，还可因此而规定另外的中空纤维延伸穿过外壳的内部或第一腔室的内部，优选液体穿过中空纤维。优选提供形成第三腔室的多个这种空心气体传递纤维。

可在很大程度上如所希望的那样来实现空心气体传递纤维的布置。例如，可构思出将形成第二腔室的中空纤维布置在反应器单元的中心部分中，并且将空心气体传递纤维布置在反应器单元的***区域中，在运行时，优选液体培养基穿过该中空纤维，且优选气态培养基穿过空心气体传递纤维。

在本发明的另一方面，规定空心气体传递纤维具有大于形成第二腔室的中空纤维的内径和、或外径。

在本发明的优选实施例中，规定将形成第三腔室的空心气体传递纤维设计成可通过膜进行氧的传递。在此情形中，形成第三腔室的空心气体传递纤维可用于氧化容纳在第一腔室中的培养基或容纳在第一腔室中的细胞。

可用如PTFE制成形成第三腔室的空心气体传递纤维，例如，可构思出将疏水气体传递膜用于空心气体传递纤维。

本发明还涉及具有第一腔室和第二腔室的反应器单元，其中，第一腔室由外壳的内部形成，且第二腔室由布置在外壳中的多个中空纤维的内部形成。规定将至少两种铸塑混合物布置在反应器单元中，中空纤维的部分优选是端部部分嵌入该铸塑混合物中且中空纤维的另一个部分在反应器单元之间延伸，其中，位于铸塑混合物之间的至少一些或全部中空纤维的部分的长度比相互朝向的铸塑混合物的植入表面之间的距离至少大0.5％。这样，就获得小于在相互朝向的植入表面的距离对应于在相互朝向的植入表面之间延伸的中空纤维的部分的长度的情形中的每单位面积的纤维密度。特别优选的是，根据权利要求1至13中的任何一项的特征部分设计这种反应器单元。外壳中的中空纤维流在很大程度上可以如所希望的那样。可构思出将中空纤维布置成将流过中空纤维的培养基以一个方向引导或以至少两个不同的方向引导。这样，在后一种情形中，流过中空纤维的培养基经受至少一个方向上的变化。例如，可构思出流过中空纤维的培养基的流程基本上呈U形或使用U形中空纤维。

若有至少一种方向上的变化，就获得本发明的有利方面，尤其是在两个腔室之间的质量传递至少也通过对流实现时。对流质量传递与穿过中空纤维膜的压差成正比。中空纤维中的压降与纤维长度成正比并与纤维直径的四次方成反比。因此，若流过中空纤维的培养基的流程至少经受一次方向上的变化，如将培养基来回引导如至少一次的反方向，那么，就相应地增加穿过外壳的总路径。这就导致中空纤维膜中相应的较高压力并导致穿过中空纤维膜的压差的增加，从而导致对流交换的增加。

特别有利的是，中空纤维的入口和出口均布置在外壳的同一侧。穿过中空纤维引导的培养基的流程可以是U形或者也具有方向上的几种变化。可对第一腔室与第二腔室之间的压差或第一腔室与第二腔室中所含的培养基之间的压差进行调节，以使在中空纤维的反向点的这种压差为零。在此反向点之前，压差导致从中空纤维到第一腔室中的对流，并且在邻接反向点的流程中导致从第一腔室到第二腔室的对流，即从容纳在外壳中的培养基到中空纤维的对流。

正如前面所描述的那样，可将中空纤维布置在外壳中，以使流动穿过中空纤维的培养基沿着基本上呈U形的流程行进。

中空纤维可基本上呈U形。同样可构思出将中空纤维设计成直的并且在其两个终端区域嵌入铸塑混合物之中，将流程设计成使培养基首先穿过一个或多个中空纤维，在该中空纤维的终端区域中实现方向的改变，然后，培养基穿过其它中空纤维流回。

外壳可具有旋转对称优选圆柱形设计。

在本发明的另一个方面，规定中空纤维从入口开始到中空纤维流的方向在其中改变的区域以第一方向延伸，并且从方向在其中改变的区域以不同于第一方向的第二方向延伸，其中，以第一方向延伸的中空纤维的部分在内部上径向延伸，且以第二方向延伸的中空纤维的部分在相对于内部的外部上径向延伸。例如，在中空纤维以相对较小的密度已嵌入铸塑混合物中时考虑这种实施例。例如，可构思出选择第一与第二腔室之间的压差，以在供应与抽出中空纤维之间有空间上的分隔。这可以为完全混合做准备。例如，可构思出将供应纤维径向布置在内部上并将抽出纤维径向布置在与内部平行的外部上。从原则上来讲，可构思出不同的方面，如将供应纤维布置在外部上并将抽出纤维布置在内部上的反向布置。

正如前面所描述的那样，中空纤维中的压降与纤维直径的四次方成反比。出于这种原因，选择非常小的纤维直径是有利的。优选规定中空纤维的内径不大于300μm，优选不大于200μm，特别优选约100μm。

中空纤维膜的高孔隙度同样也为良好的质量传递做准备。膜的液体渗透率至少应为200ml/mmHg×h×m²，优选至少为500ml/mmHg×h×m²。

在本发明的另一个方面，规定形成中空纤维的膜的截留率在10⁴Da至10⁷Da之间的范围内，优选在10⁵Da至10⁶Da之间的范围内。特别优选的是，截留率在700,000至900,000Da的范围内。当然，可以有不同的孔隙度或截留率。根据所设计的用途，还可构思出具有小的孔隙度的中空纤维膜的使用。

特别有利的是，将反应器单元设计成一次性使用的单元。

进一步来讲，有利的是，用可以用蒸汽消毒的材料构成反应器单元。优选所使用的材料对应于也使用在透析过滤器中的材料。因此可构思出用PP制造外壳和、或用聚氨酯制造铸塑混合物和、或用聚芳醚砜优选用聚砜且特别优选用利用PVP亲水化处理过的聚砜制造中空纤维。在本发明的另一方面，在用121℃的蒸汽进行消毒时，所有的这些材料在尺寸上是稳定的。

本发明还涉及具有至少一个创造性反应器单元的反应器，其中，将反应器单元可旋转地安装。当反应器单元不是保持不动而是旋转时，在第一和第二腔室之间获得特别良好的质量传递。因此，本发明的有利方面涉及具有可旋转地安装的反应器单元的反应器。可设有对应的驱动装置，通过驱动装置使反应器单元进行旋转运动。

在本发明的另一个方面，规定反应器不仅包括一个而是包括多个反应器单元。可将这些反应器单元根据需要相互连接。例如，可构思出将这些反应器单元串行步骤，以使一个反应器单元的出口形成另一个反应器单元的入口。同样可构思出将反应器单元并行布置并且向反应器单元提供如相同的装载物，如精确相同的营养溶液。

可将前面所描述的串行连接设计成使反应器单元之间的流程以一个方向延伸，即一个反应器单元的出口形成另一个随后的反应器单元的入口。还可构思出该第二个反应器单元的敞开反过来形成该第一个反应器单元的入口，这样，质量传递以两个方向发生。

通过将反应器单元以串行和并行布置结合，可以实现高度重新的用途。特别有利的是，具有多个反应器单元的反应器可用于模拟“体内代谢过程”。

在本发明的另一个方面，规定在构成反应器时无浮环密封。在将穿过中空纤维的流向至少颠倒一次时，中空纤维的入口和出口可位于外壳的同一侧。尤其是在这种情况下，可将反应器单元设计成没有浮环密封，如EP 1 270 079 A2和DE 198 03 534 C2中就细胞分离器的示例所进行的描述那样。在此范围内参考这些文件。在不使用浮环密封时，可在消毒方面以及污染安全方面得到实质上的好处。另外还降低反应器单元的制造成本。

本发明还涉及利用根据权利要求1至29中的任何一项的反应器单元或根据权利要求30至34中的任何一项的反应器通过一个或多个中空纤维实现质量传递的方法，其中，对由这些中空纤维的内部形成的第二腔室中的压力和由外壳形成的第一腔室中的压力进行调节，以使穿过这些中空纤维的质量传递至少部分地通过对流实现。可将通过扩散进行的质量传递叠加在这种对流质量传递上。优选通过对流进行的质量传递是双向的，并且特别考虑用于培养基分子和较高分子合成制品或者具有低扩散率的营养物。

在另一方面，规定对第一和第二腔室之间的压力比进行选择，以使中空纤维的一部分中的对流质量传递从容纳在中空纤维中的培养基到容纳在外壳中的培养基内实现，并且在中空纤维的另一部分中以相反方向实现。在本发明的此方面，有供应和抽出中空纤维的区分或中空纤维部分的区分。例如，在采用培养细胞的方法时，可构思出提供中空纤维或中空纤维部分，通过这些中空纤维或中空纤维部分将营养物提供给容纳在第一腔室中的培养基。而且，提供中空纤维或中空纤维部分，通过这些中空纤维或中空纤维部分将代谢产物从容纳在第一腔室中的培养基传递到中空纤维，然后将这些代谢产物排出。

本发明还涉及具有根据权利要求1至29中的任何一项的反应器单元或根据权利要求30至34中的任何一项的反应器的***，这种***包括储存器，该储存器与反应器单元连接，以使可将培养基从储存器引入由中空纤维形成的反应器单元的第二腔室或者从第二腔室排出，储存器包括输送泵，优选将这种输送泵设计成用于输送培养基的蠕动泵，这种蠕动泵包括充氧器，通过这种充氧器可为所输送的培养基添加氧。例如，充氧在外部实现并可根据氧的消耗进行可变调节。在此情形中，通过血浆或所提供的营养培养基来实现氧的供应。优选将充氧器设在以培养基的流动方向的反应器的上游。而且，可设有加热装置，以将所输送的培养基加热。从原则上来讲，还可通过布置在反应器单元中的气体传递中空纤维膜来实现充氧。

可从示于附图中的实施例来获知本发明的进一步的细节和优点，在附图中：

图1示出了本发明中的反应器单元的透视图；

图2示出了具有外壳的创造性反应器的透视图；

图3示出了本发明中的反应器单元的示意图；

图4示出了另一个实施例中的本发明中的反应器单元的另一个示意图；

图5示出了具有反应器的创造性质量传递***的示意图；

图6示出了现有技术中的反应器单元和创造性反应器单元的不同几何形状的示意图；

图7示出了使用根据本发明的反应器单元时尿素、蛋白质和各种离子的时基(time-based)浓度曲线；

图8示出了使用根据现有技术的反应器单元时尿素、蛋白质和各种离子的时基浓度曲线；

图9示出了创造性反应器单元的示意图，这种创造性反应器单元具有形成第二腔室的中空纤维，液体培养基穿过这些中空纤维，且这些中空纤维具有用于充氧的中空气体传递纤维，这些中空气体传递纤维形成第三腔室；以及

图10示出了串行或并行连接的几个反应器单元的不同布置的示意图。

图1示出了设计成一次性使用的单元的创造性反应器单元12的透视图。反应器单元12包括外壳20，中空纤维以中空纤维束的形式布置在外壳20中。而且，设有入口40和出口50，穿过中空纤维的培养基通过入口和出口提供或抽出。

图2示出了无反应器单元的反应器10。图中示出了用于固定示于图1中的反应器单元的可旋转基座，电动机使基座处于旋转运动。基座或具有反应器单元的反应器容纳在已加热外壳中。

图3示出了可旋转安装的反应器单元12的示意图。可构思出的使用领域如下：

·用于不同用途的肝细胞培养

·人工肝脏和胰腺移植治疗

·培养不同起源的人类和动物细胞

·抗体的生产

·从转染酵母和细菌回收物质

示于图3中的点表示容纳在反应器单元12的第一腔室中的细胞，第一腔室由外壳20限定。中空纤维30布置在第一腔室中，第一腔室具有入口40和出口50。若是细胞培养，通过入口40提供营养培养基。对于肝脏或胰脏移植治疗来讲，通过入口40提供血浆。通过出口50抽出所消耗的营养培养基或经过处理的血浆。

如图3所进一步示出的那样，外壳20包括两个端口22，这些端口22用于填充第一腔室、抽空第一腔室或从第一腔室取样。可构思出在填充或取样时关闭这些端口22。从原则上来讲，同样也可以构思出允许连续操作，以达到将培养基通过端口22连续引入第一腔室或从第一腔室排出的效果。正如还可从图3中看出的那样，将中空纤维30设在中心并在反应器单元12的旋转轴附近，这些中空纤维30形成中空纤维部分32c，在中空纤维部分32c中有相当高的压力存在，这样就从中空纤维30的部分32c到反应器单元12的由外壳20所限定的第一腔室中实现对流质量传递，如箭头所示。方向的改变在部分32c的终端区域中实现，首先以平行于外壳20的端面的方向改变，然后与部分32c中的流动方向相对。由于压力损失所导致的中空纤维30中的较低压力的原因，所以从容纳细胞的第一腔室到中空纤维30中的对流质量传递现在在中空纤维部分32d中实现，如中空纤维部分32d附近的箭头所示。这样就实现供应中空纤维或中空纤维部分32c与抽出中空纤维或中空纤维部分32d的分隔。

最后，正如还可从图3中看出的那样，将中空纤维的入口40和出口设置在外壳20的同一侧，在示于图3的实施例中，在圆柱形外壳20的右侧端面上。这种设计允许提供无浮环密封的反应器。可通过从EP 1 270 079 A2和DE 198 03 534 C2中获知的***来实现静止与移动部件之间的相对运动。

优选将反应器单元12设计成一次性使用的单元。这种单元可以是注模结构，这种结构包括与常规方式制成的人造肾脏的制造类似的基本方法步骤，如用PUR植入、切割和消毒。

图4示出了另一类型的反应器单元12。在由圆柱形旋转对称的外壳20限定的第一腔室中，人类肝细胞含在适当的培养基中。中空纤维束设置在径向中心部分中，该中空纤维束包括单独的中空纤维。中空纤维束包括设置在旋转轴附近的多根中空纤维30a，作为示例，仅在图中示出其中的一些。而且，还设有径向偏置到外部的多根中空纤维30b，这些中空纤维30b布置在中空纤维束的外周区域中，同样，在图中仅示出中空纤维30b中的一根。例如，在中空纤维以相对较小的密度已嵌入铸塑混合物中时考虑这种实施例。中空纤维30a和30b平行布置，且在它们的两个终端其区域中固定在铸塑混合物32中，这些铸塑混合物32以适当的方式固定在外壳20中。培养基通过入口40流入中空纤维30a、穿过中空纤维30a并在中空纤维30a的终端区域离开中空纤维30a，终端区域在左侧示出。培养基在此处进入流动空间，该流动空间将中空纤维30a的终端区域与中空纤维30b的初始区域连接。如中空纤维30a的终端区域中的箭头所指明的那样，培养基的流动方向在中空纤维30a的终端区域中改变。在穿过流动空间时，培养基流入中空纤维30b并以与穿过中空纤维30a的方向相反的方向穿过中空纤维30b。中空纤维30b在它们的示于右侧的终端区域中与出口50连接，将相应的经过处理的培养基通过出口50从反应器单元12抽出。例如，培养基可以是营养培养基或体液，如血液，特别优选的是血浆。

当然，示于图4中的反应器单元还可用于其它目的，如用于细胞培养。

由外壳20所限定的第一腔室包括两个端口22，这些端口可用于向第一腔室提供培养基或从第一腔室抽出培养基或从第一腔室取样。

正如图4进一步示出并由箭头指明的那样，在操作时，将反应器单元12旋转，且旋转轴平行于中空纤维延伸。优选将中空纤维30a布置成使它们位于旋转轴附近，且中空纤维30b从中空纤维30a径向偏置到外部。可选择压力比，以使中空纤维30a中的压力高于由外壳20所限定的第一腔室的压力，且在中空纤维30b中的压力低于第一腔室中存在的压力。在由弯箭头所指明的换向点，可固定在第一腔室与第二腔室之间无压差。当然，也可构思出压力比的不同布局。

本发明不同于根据现有技术的实施例，因为将反应器单元设计成并不将设置在中空纤维束中的中空纤维以可能的最大密度布置，但以第一腔室的截面积为基础的纤维密度不超过10根纤维/mm²，或者容纳在铸塑混合物之间的中空纤维部分的长度不超过相互朝向的铸塑混合物的表面距离至少0.5％。

图6a示出了根据现有技术设计的反应器单元12的示意图。中空纤维膜封闭在塑料网中并形成刚性圆柱形结构。中空纤维束的直径为D＝34mm。在示于图6a的反应器单元中，铸塑混合物32的两个截面之间的长度为L＝257mm。因此，当中空纤维的数量为11,000时，以第一腔室的截面积为基础的纤维密度约为12根纤维/mm²。

图6b示出了示意性地示出的根据本发明的反应器单元12的实施例。如图6b示意性地示出的那样，与示于图6a中的根据现有技术的实施例相比，铸塑混合物32的截面的距离L减少10mm。在此情形中，将中空纤维在铸塑混合物之间颠倒并形成纺锤。根据植入表 面即相互朝向的铸塑混合物的表面的距离，得到比示于图6a中的实施例小的纤维密度。在示于图6b的实施例中，纤维束的最大直径为95mm。纤维密度恰好在铸塑混合物32对应于结合图6a所描述的纤维密度。出于这些尺寸的原因，示于图6b中的反应器单元12中的纤维密度在1.5根纤维/mm²与12根纤维/mm²之间的范围内。

图6c示出了一种实施例，在这种实施例中，铸塑混合物32的截面距离L对应于示于图6a中的距离。不过，纤维束受到O形环的压缩，这样，与示于图6b中的实施例相比，又将纤维密度向上调节。在压缩部分附近，纤维束的直径为34mm。纤维束的最大直径为60mm，这样就得到每单位面积3.9根纤维/mm²与12根纤维/mm²之间的总纤维密度。

图7与图8的对比示出了与现有技术中的反应器单元相比与本创造性反应器单元有关的优点。

通过下列试验设置或者下列实验过程获得如图7和8所示浓度曲线：

在将腔室组合时，通过施加压力(压缩空气)对这些腔室进行密封性和气泡点检查。

为了进行试验，制备400ml的交换培养基：

1血浆袋+0.5ml EDTA 100mM(图7中的试验没有)+50ml的缓冲液B ad 400ml，具有A.d.缓冲液B：尿素7.5mg/ml，NaCl22.5mg/ml(385mmol)，KCl 1.25mg/ml(16.7mmol)。

在所有的试验中，中空纤维充有交换培养基，并且在从“0”时间减少时连接到反应器单元或反应器单元的第一腔室。

在交换试验期间，在25℃时以200ml/min的流速向反应器单元供料，并使其以15rpm旋转，以检查通过对流和扩散的试样的交换。

通过以下方式进行采样：

对于每次测定来讲，在进入腔室之前的点和在腔室中的采样端口1通过Monovette(Sarstedt 2ml LH；CE 0197)抽取2ml的试样。在每次采样之前，将约2至3ml的液体从收集端口冲去，并且在此时抽取测量试样。所抽取的试样在腔室通过试样端口2由水替代。所抽取的试样在由中空纤维形成的供应环线中由缓冲液储存器替代。

在根据图7的试验的测试布置中，腔室的体积约为1.71。中空纤维膜由2根塑料纤维稳定。由于铸塑混合物的距离减小，所以腔室比在获得图8中的测试结果的测试布置中所使用的腔室短约1cm。因此，这些膜颠倒并形成填充腔室容积的纺锤形结构。

在产生示于图8中的测试结果的测试布置中，腔室体积约为1.81。这些膜封闭在塑料网中并形成刚性圆柱形结构。

正如可从图7与图8的比较中看出的那样，根据膜的集束或中空纤维束，在穿过具有60kd微孔尺寸的膜的离子和有机分子的分布速度中有明显的差异。

颠倒开放膜(纺锤形)(纤维密度：1.5根纤维/mm²)在很大程度上填充第一腔室的管腔并因此而实现很好的质量传递。正如可从图7a和7b看出的那样，中空纤维与第一腔室之间的材料传递在启动环路后在前几分钟内实现。在离子和尿素的情况下，浓度的完全传递可在约30至60分钟之后检测。由于蛋白质的分子量高，所以蛋白质在交换时较慢且并不完全。在图7和图8中，缩略词“SC”和“腔室”分别表示供应环线(SC)即穿过中空纤维的培养基中的浓度以及反应器单元的第一腔室中的浓度。

利用普通的集束膜(圆柱形)(最大纤维密度)得到示于图8中的测试结果，这种普通的集束膜形成具有相对较小传递效率的环线的紧密圆柱形股。正如可从图8a和8b看出的那样，中空纤维与第一腔室之间的材料传递以明显慢于示于图7中的速度进行。在离子和尿素的情况下，浓度的完全平滑可在约120至180分钟之后测量，并且比在根据本发明的纺锤形膜中慢3至4倍。同样，蛋白质在交换时较慢且并不完全。

正如前面所描述的那样，本发明中的反应器单元可用于治疗，如用于肝脏移植或肝脏支持治疗。

图5示出了用于肝脏支持治疗的总***的示意图。这种总***包括血浆储存器60，血浆储存器60容纳取自进行治疗的患者的血浆。通过蠕动泵70将血浆从血浆储存器60抽出并提供给气体交换器80。在气体交换器80中，通过氧源和无菌过滤器实现氧的供应，这样就为血浆添加氧。气体交换器同样也包括两个腔室，且氧在一个腔室流动，血浆在另一个腔室流动。通过渗透膜将这些腔室分离，这些渗透膜允许气体如氧气传递到血浆中。通过气体交换器，不但能够供应氧气，而且也可供应或交换其它气体，如CO₂或N₂。在本发明的特别优选方面，将气体交换器设计成用于交换氧气的充氧器。

当在充氧器80中为血浆充氧时，血浆穿过加热装置90，然后流入反应器10。反应器10包括本发明中的旋转安装的反应器单元12，这种反应器单元12设计成一次性使用的单元。反应器单元12设置在反应器10的可旋转基座中，并在***的运行期间使反应器单元12进行旋转运动。旋转轴与反应器单元12的纵轴重合。反应器容纳在加热后的外壳中，如可从图2和图5中看出的那样。将这种***设计成无浮环密封。

与示于图5中的结构相比，还可将蠕动泵70设置在环路的另一个点。例如，还可构思出反应器10之后即反应器10的下游的布置。

作为另一个器件，优选示于图5中的布置还可包括以反应器10之前的流动方向的加热装置，通过这种加热装置将提供给反应器10的培养基加热。

本发明的几个有利方面在下面进行描述：

对于中空纤维来讲，优选可使用具有大的可供使用的交换表面的聚砜等离子纤维，优选这种交换表面在0至2m²的范围，并优选具有可达900,000MG的可变调节孔隙度。正如前面所描述的那样，优选主要通过对流实现质量传递，以增加穿过中空纤维膜的双向交换。

根据进行交换的细胞或物质的特性，可将亲水和、或疏水膜用于中空纤维。

正如前面所描述的那样，可实现供应纤维与抽出纤维的分离。因此，可在反应器内部对纤维束进行可变分配。作为示例，可将供应和抽出纤维布置在中心。还可构思出将供应纤维布置在中心并将抽出纤维布置在周围。这样就可实现穿过细胞培养的逆流流动。

优选利用前面所提及的从静止部分到旋转部分的“管供料原则”来避免浮环密封。

反应器单元可以是消毒的一次性使用的物件，并且与没有消毒的旋转单元分离。优选可用蒸汽将消毒的一次性使用的物件消毒。

优选在外部实现充氧，且将充氧可变地调节大氧消耗。因此，优选氧的供应通过血浆或通过营养培养基实现。不过，也可构思出示于图9中的内部充氧并且也包括在本发明之中。在此实施例中，反应器单元12包括外壳20，外壳20形成第一腔室。中空纤维30设置在第一腔室中，液体培养基穿过这些中空纤维30。此外，设有气体传递纤维130，通过这种气体传递纤维130实现容纳在外壳20的第一腔室中的培养基的充氧。从原则上来讲，可构思出还将中空气体传递纤维用于去除气态物质或者还用于提供和、或抽出氧气之外的其它气体。

因此，本发明不仅包括外部气体传递或外部气源，而且还包括反应器单元中的气源或气体传递。

优选通过血浆或营养培养基实现向细胞提供营养。

在本发明的另一个方面，可简单地进行填充、添加和取样。这样就可实现功能性的永久性控制。此外，还可进行校正或调节。

在相同的反应器中的多个反应器单元1-n的系列布置在图10的顶部示出。正如箭头所指的那样，将反应器单元可旋转地安装。这样所产生的优点如下：

·在相同的反应器的各种反应器单元中培养各种种类的细胞；

·由相同的环路均匀地供应各种种类的细胞；

·可明确地将中间代谢产物从反应器单元1中的细胞种类1输送到反应器单元2中的细胞种类2。例如，人类肝脏细胞容纳在反应器单元1中，且人类肾脏细胞容纳在反应器单元2中；若将药物加到反应器单元1的环线，由反应器单元1中的肝脏细胞形成的代谢物直接提供给容纳在反应器单元2中的肾脏细胞，这样就可辨别进一步的代谢。

·可在任何时间在任何阶段加入物质或抽出中间代谢产物；

·可在任何时间从细胞腔室抽出带有细胞材料的试样，以辨别细胞条件；

·可确定化学、药物和化妆物质对不同种类的细胞的影响，也可在长期的试验中进行。

在图10中间的布置示出了可旋转安装的反应器单元的平行布置，因此并不被连续穿过，但相互平行。这样所产生的优点如下：

·在相同的反应器的不同反应器单元中培养不同种类的细胞，

·向每个单个的反应器单元精确地提供相同的化学成分、氧含量等营养溶液，

·适于辨别如相同细胞的批次之间的差异；示例：将三个反应器单元并行连接在相同的反应器中。反应器单元1含有供体1的人类肝细胞，反应器单元2含有供体2的人类肝细胞，反应器单元3含有供体3的人类肝细胞。由于是并行布置并具有相同的供应，所以可辨别各自细胞培养的进展。通过从细胞腔室的对应取样，可从质量上和数量上辨别每个批次的进展行为。若在进入反应器单元之前将药物加到如营养培养基中且若不再使从反应器单元中抽出的营养溶液再次循环，但在各自批次的肝细胞对来自各自批次的肝细胞的药物所产生的代谢物进行检测，那么就可以用这种***从质量上和数量上确定具有不同细胞源(批次)的相同细胞的代谢活动方面的个体差异。

在同样可旋转地安装的反应器单元1-n之间的返回流和横流分别在图10的底部示出。正如可从图中看出的那样，这些反应器单元包括两个入口和两个出口，并且相互连接，以使前一个反应器单元的出口形成下一个反应器单元的入口，且第二个反应器单元的出口形成第一个反应器单元的入口。这种***还在其它的反应器单元之间延续。

在图10的底部示出的布置的优点如下：

·在相同的反应器的不同反应器单元中培养不同种类的细胞，

·通过布置具有不同细胞批次(在细胞种类和、或细胞源/细胞批次)的反应器单元，可在体外条件下模拟体内代谢过程，

·与示于图10顶部的布置相反，不将从最后的反应器单元抽取的营养溶液再次循环到反应器单元1，而是再次循环到上游反应器单元；示例：反应器单元1含有皮肤细胞，反应器单元2含有肝细胞，反应器单元3含有病毒细胞。在将某种化学药品用在皮肤细胞上时，代谢物由反应器单元2中的肝细胞形成，这种代谢物可由肾脏物质代谢，但不能够分泌。通过再循环到肝细胞反应器单元，可确定对肝细胞活动的直接影响。

从原则上来讲，也可构思出这些布置即串行连接和并行连接的组合。这种组合的优点如下：

·通过将细胞腔室与不同的中间步骤结合起来，可实现高度创新的应用。

·例如，在将药物用在营养培养基中时，可使营养培养基经过第一反应器单元中的肝细胞培养的上方，多种代谢物在第一反应器单元中产生。代谢物的产生之后是代谢物的分离，如以色谱方法的形式。接着将不同的代谢物输送到不同的细胞，如以并行布置的形式，以辨别不同的代谢物对不同的细胞的影响。

·这就意味着根据具体的测试布置，示于图10的三种布置之间的各种可能的组合是可以构思出的，也是可能的。

正如可从图10中看出的那样，所示出的反应器单元布置在一个反应器中。从原则上来讲，同样也可以构思出使用多个反应器，即并不将所有的反应器单元设置在一个反应器中。

通过示于图2中的***，可实现反应器单元的集成恒温平衡。

就治疗或培养而言，可使用以下不同起源的细胞，例如：

原细胞、从干细胞分化的细胞和永生化细胞，将每种细胞进行新近隔离/培养并低温贮藏。

在本发明的另一方面，可培养数量从微量至1kg以上的细胞。

利用相应的设计，本发明提供以下优点：

·利用具有大的交换表面和可变调节孔隙度的聚砜中空纤维-在使用惰性材料时具有较好的质量传递

·通过对流的明确地更加有效的双向质量传递，对于具有低扩散率的培养基分子和较高分子合成制品来讲更是如此

·由于亲水和、或疏水膜的使用，可更好地控制/调节质量传递

·由于供应纤维与抽出纤维的分离以及纤维的可自由变化布置，细胞的供应得到改进并因此而导致细胞性能的改进

·由于逆流和旋转，混合与质量传递也得到了改进

·利用从静止部分到旋转部分的“管供料原则”避免了浮环密封-没有管的扭转(在临床使用时的无问题操作)且在反应器单元中无磨损

·由于可以使用人类的体液，避免了商业上的营养溶液(如RPMI)的使用，并因此而避免了使用时的非生理物质的接触

·消毒的一次性使用的物件与没有消毒的旋转单元的分离-对于使用者来讲，操作简单且安全性高

·一次性使用的物件用蒸汽消毒-对于使用者来讲，在微生物污染方面，没有有毒分解产物(ETO)且可能的安全性最高

·通过血浆/培养基在旋转单元内部或外部为肝细胞/胰细胞充氧和提供营养。在外部充氧(在旋转部分中仅有一个环线)的情况下，在细胞模组中没有其它的膜，这对使用者来讲具有较高的安全性

·易于填充、添加和采样；出于这种填充方法的原因，对于使用者来讲，减少了污染并因此而提高了安全性

·由于可进行采样，所以可对细胞进行永久性的监测-功能性和无害性(无菌、pH、有毒代谢产物的形成等第)的安全性较高

·由于人类起源的低温贮藏细胞的使用，所以可独立使用移植

·***准备运行迅速(组装、可用性和细胞材料)而安全。

Claims (40)

1.一种具有第一腔室和第二腔室的反应器单元，其中，所述第一腔室由外壳的内部形成且所述第二腔室由布置在所述外壳中的多个中空纤维的内部形成，其特征在于：将所述中空纤维布置在所述外壳中，以在所述第一腔室的截面积的基础上使在所述第一腔室的至少一个区域中的所述中空纤维的密度不超过10根纤维/mm²。

2.如权利要求1所述的反应器单元，其特征在于：在所述第一腔室的截面积的基础上的所述第一腔室的至少一个区域中的所述中空纤维的密度在0.2至10根纤维/mm²的范围内，优选在0.5至6根纤维/mm²的范围内，特别优选在1至4根纤维/mm²的范围内。

3.如权利要求1或2所述的反应器单元，其特征在于：在所述第一腔室的截面积的基础上的所述纤维的密度在纤维的纵向方向上变化。

4.如权利要求1或2所述的反应器单元，其特征在于：在所述第一腔室的截面积的基础上的所述纤维的密度在纤维的纵向方向上不变。

5.如前面的权利要求中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：一种或一种以上铸塑混合物布置在所述反应器单元中，所述中空纤维的部分优选是终端区域嵌入所述铸塑混合物中。

6.如前面的权利要求中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：两种铸塑混合物布置在所述反应器单元中，所述中空纤维的部分优选是终端区域嵌入所述铸塑混合物中，且所述中空纤维的另一个部分在所述两种铸塑混合物之间延伸。

7.如权利要求6所述的反应器单元，其特征在于：所述中空纤维在所述铸塑混合物之间直线或曲线延伸，以特别得到凸出的或纺锤形中空纤维束。

8.如权利要求6或7所述的反应器单元，其特征在于：位于所述铸塑混合物之间的几根或全部中空纤维的部分的长度比相互朝向的所述铸塑混合物的表面之间的距离至少大0.5％。

9.如权利要求8所述的反应器单元，其特征在于：位于所述铸塑混合物之间的中空纤维的部分的长度比相互朝向的所述铸塑混合物的表面之间的距离至少大1％，优选至少大3％。

10.如前面的权利要求中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：设有装置，所述装置包围所述中空纤维，以使与不使用所述装置的密度相比，在所述第一腔室的截面积的基础上的所述纤维的密度增加。

11.如前面的权利要求中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：所述反应器单元包括第三腔室，所述第三腔室由布置在所述第一腔室中的一根或多根中空气体传递纤维的内部形成。

12.如权利要求11所述的反应器单元，其特征在于：所述中空气体传递纤维具有比形成所述第二腔室的中空纤维大的外径和、或内径。

13.如权利要求11或12所述的反应器单元，其特征在于：将所述中空气体传递纤维设计成使它们适于通过所述膜传递氧，且优选所述中空气体传递纤维用PTFE制成或包括PTFE。

14.一种具有第一腔室和第二腔室的反应器单元，其中，所述第一腔室由外壳的内部形成且所述第二腔室由布置在所述外壳中的多个中空纤维的内部形成，其特征在于：至少两种铸塑混合物布置在所述反应器单元中，所述中空纤维的一部分、优选终端区域嵌入所述铸塑混合物中，且所述中空纤维的另一个部分在所述铸塑混合物之间延伸，其中，位于所述铸塑混合物之间的一些或全部中空纤维的部分的长度比相互朝向的所述铸塑混合物的表面之间的距离至少大0.5％。

15.如权利要求14所述的反应器单元，其特征在于：根据权利要求1至13中的一个的特征部分设计所述反应器单元。

16.如权利要求1至15中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：将所述中空纤维布置在所述外壳中，以将流过所述中空纤维的培养基以一个方向引导或以至少两个不同的方向引导。

17.如权利要求1至16中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：所述中空纤维设有入口和出口。

18.如权利要求17所述的反应器单元，其特征在于：所述中空纤维的入口和出口设置在所述外壳的同一侧。

19.如权利要求1至18中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：将所述中空纤维布置在所述外壳中，以使流过所述中空纤维的培养基具有基本上呈U形的流程。

20.如权利要求1至19中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：将所述中空纤维设计成基本上呈U形。

21.如权利要求1至20中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：所述外壳具有旋转对称优选是圆柱形的设计。

22.如权利要求1至21中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：所述中空纤维具有入口，且从所述入口开始到所述中空纤维流的方向在其中改变的区域以第一方向延伸，并且从方向在其中改变的区域以不同于所述第一方向的第二方向延伸，其中，以所述第一方向延伸的所述中空纤维在内部上径向延伸，且以所述第二方向延伸的所述中空纤维在相对于所述内部的外部上径向延伸。

23.如权利要求1至22中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：所述外壳具有至少一个端口，所述端口用于填充所述第一腔室、排空所述第一腔室或从所述第一腔室取样。

24.如权利要求1至23中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：所述中空纤维的内径不大于300μm，优选不大于200μm，且特别优选为约100μm。

25.如权利要求1至24中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：所述中空纤维的膜的液体渗透率至少为200ml/mmHg×h×m²，优选至少为500ml/mmHg×h×m²。

26.如权利要求1至25中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：形成所述中空纤维的膜的截留率在10⁴Da至10⁷Da之间的范围内，优选在10⁵Da至10⁶Da之间的范围内，特别优选在700,000至900,000Da的范围内。

27.如权利要求1至26中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：利用可用蒸汽消毒的材料构成所述反应器单元。

28.如权利要求1至27中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：将所述反应器单元设计成一次性使用的单元。

29.如权利要求1至28中的任何一项所述的反应器单元，其特征在于：设有容纳所述中空纤维的端部的铸塑混合物，且用PP制造所述外壳和、或用聚氨酯制造所述铸塑混合物和、或用聚芳醚砜优选用聚砜且特别优选用利用PVP亲水化处理过的聚砜制造所述中空纤维。

30.一种具有根据权利要求1至29中的任何一项所述的一个或多个反应器单元的反应器，其特征在于：可旋转安装所述反应器单元。

31.如权利要求30所述的反应器，其特征在于：所述反应器包括根据权利要求1至29中的任何一项所述的多个反应器单元。

32.如权利要求31所述的反应器，其特征在于：所述多个反应器单元串行或并行布置。

33.如权利要求32所述的反应器，其特征在于：所述多个反应器单元串行布置，以使两个相邻的反应器之间的质量传递仅可能以一个方向或同时以两个方向进行。

34.如权利要求30至33中的任何一项所述的反应器，其特征在于：将所述反应器单元设计成无浮环密封。

35.一种利用根据权利要求1至29中的任何一项的反应器单元或根据权利要求30至34中的任何一项的反应器通过一个或多个中空纤维实现质量传递的方法，其中，对由所述中空纤维的内部形成的所述第二腔室中的压力和由所述外壳形成的所述第一腔室中的压力进行调节，以使穿过所述中空纤维的质量传递至少部分地通过对流实现。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于：对所述第一和所述第二腔室之间的压力比进行选择，以使所述中空纤维的一部分中的对流质量传递从容纳在所述中空纤维中的培养基到容纳在所述外壳中的培养基内实现，并且在所述中空纤维的另一部分中从容纳在所述外壳中的培养基到容纳在所述中空纤维中的培养基实现。

37.一种具有根据权利要求1至29中的任何一项的反应器单元或根据权利要求30至34中的任何一项的反应器的***，所述***包括储存器，所述储存器与所述反应器单元连接，以使可将培养基从所述储存器引入由所述中空纤维形成的所述反应器单元的所述第二腔室或者从所述第二腔室排出，所述储存器包括输送泵，所述输送泵用于输送培养基，并包括充氧器，通过所述充氧器可为所输送的培养基添加氧。

38.如权利要求37所述的***，其特征在于：所述充氧器设在沿所述培养基的流动方向的所述反应器或所述反应器单元的上游。

39.如权利要求37或38所述的***，其特征在于：在沿流动方向的所述反应器的上游设有加热装置，所述加热装置用于将所述培养基加热。

40.如权利要求37至39中的任何一项所述的***，其特征在于：所述输送泵是蠕动泵。

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