CN103170021A

CN103170021A - 人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器

Info

Publication number: CN103170021A
Application number: CN2013101245694A
Authority: CN
Inventors: 李兰娟; 俞亮; 喻成波
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2013-06-26

Abstract

本发明公开了一种人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器。包括端盖部，主体部以及底座部。底座部包括入口缓冲池以及固定的涡轮式导流叶片，配备位于底座部与主题部衔接面的入口滤网；主体部包括圆柱形内容腔，配备位于主体部外壳的采样及微囊灌注口及阀门；顶盖部包括出口缓冲池，配备位于主题部与顶盖部衔接面的出口筛网。封闭式结构，多开口设计，可方便采样及加入微囊化肝细胞，同时减少操作过程中的污染可能。底座部的涡轮式导流片可分散进口处局部的较大流速，减少微囊破坏，提高血液净化效率。本发明可提高生物反应器中所培养细胞与灌流液的接触效率，同时提高人工肝***中生物部分的循环净化效率，方便临床应用。

Description

人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器

技术领域

本发明属于生物医学技术领域，涉及一种医疗设备，是特定的生物型人工肝或者混合型人工肝的核心装置。

背景技术

生物反应器是生物型人工肝***或混合型人工肝***的核心装置，其功能主要是具备充足的容量以及效能以提供患者血浆和外源性肝细胞进行物质交换，同时需具备免疫隔离的能力。既往研究热点以及目前已经进入临床试验的生物反应器类型主要是中空纤维反应器，但其存在细胞分布不均匀，细胞粘附率低及活性差，半透膜阻塞等缺点。同时人们发现微囊化肝细胞有用于生物人工肝的潜在价值―包裹细胞的微囊外壳类似于半透膜，可以进行物质交换和免疫隔离，微囊里的细胞可以三维生长，因而功能更强。其后续实验亦证明了其在物质通透性方面独特的优势。但与之相匹配的固化床反应器同样存在较大的缺陷――运转过程中许多微囊化肝细胞处于低灌流状态，微囊化肝细胞所受剪切力较大。针对这些缺点，本实验室研发了人工肝用微囊悬浮型流化床式生物反应器(专利号：ZL 200820167026.5)以及配套使用的生物人工肝支持***用双腔储液池（专利号：ZL 200710070279.0），并以其为核心构建了一套新型的生物人工肝***，动物试验表明该***具有良好的疗效，同时也发现其仍有一些需要完善和改进的地方：1.反应器内需要较高的液体流速才能使得微囊化肝细胞充分地悬浮和流化，但包裹细胞的微囊所能承受的流体剪切力有限；2.流体力学试验证实漏斗形流化床式生物反应器存在流动死腔，部分微囊化肝细胞不能充分接触流化液体；3.人工肝用微囊悬浮型流化床式生物反应器(专利号：ZL 200820167026.5)液体进口较小，提高流速可导致进口局部液体流速过快，局部微囊所受流体剪切力过大，进而导致微囊破碎率增加。4.反应器进出口须检测溶解氧含量，既往接触式检测方法无法保证治疗过程中的生物安全性。

发明内容

本发明针对现有装置和***的不足，提供了一种人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器。该生物反应器利用涡轮导流式进口分流进口局部的高速流体，在保证微囊完整性的前提下，提高生物循环效能，同时在进出口设置单向引流阀门，方便PH及溶解氧监测。

一种人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器,整体呈圆柱体形，包括端盖部，主体部以及底座部；顶盖部包括出口缓冲池、位于主体部与顶盖部（15）衔接面的出口筛网，端盖部顶部设有液体出口，液体出口的底端设有出口细胞滤网；主体部包括圆柱形内容腔，主体部外壳设有采样及微囊灌注口，采样及微囊灌注口设有阀门；底座部包括入口缓冲池、涡轮式导流叶片、位于底座部与主体部衔接面的入口滤网、位于液体进口及入口缓冲池衔接面的入口细胞滤网，底座部底部设有液体进口。

所述液体进口及液体出口直径为4-8mm，液体进口设有第一单向引流式阀门，液体出口设有第二单向引流式阀门可单向引出灌流液体用于采样。

所述入口细胞滤网、出口细胞滤网的孔径为1-5μm，所述入口滤网直径为10-30cm，滤网孔径为100-500μm，所述出口筛网直径为10-30cm，筛网孔径为500-800目。

所述涡轮式导流叶片固定于底座部，导流叶片为8-32片，每个导流通道的扇形进口与扇形出口在横断面的射影无重叠面积。

所述圆柱形内容腔体积为500-1500mL。

所述出口缓冲池空间高度为10-30mm，所述入口缓冲池空间高度为10-20mm。

本发明的有益效果是：本发明和生物人工肝支持***用双腔储液池（专利号：ZL 200710070279.0）组成高效生物循环通路，通过涡轮式导流叶片使得生物循环通路流速提高至300-500ml/min，且微囊侧向剪切力均小于破碎临界值。全新的流化模式——外部旋转向上，中部向下，可避免出现循环死腔，保证微囊与流化液体的充分接触，提高净化效能。进出口单向导流阀在保证生物安全性前提下为PH监测、溶解氧检测提供采样途径。

本发明的体积可根据实际临床及研究需求放大缩小，为生物型人工肝***的临床应用开辟了新的途径，其净化效能较以往生物反应器相比有明显提高，具有很好的应用前景。

附图说明

图1人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器结构示意图。

图2人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器外接人工肝***治疗示意图。

图中：1.液体出口、2. 第二单向引流式阀门、3.进口细胞滤网、4.出口筛网、5.阀门、6. 采样及微囊灌注口、7.入口滤网、8.涡轮式导流叶片、9.入口细胞滤网、10. 第一单向引流式阀门；11.液体进口；12.出口缓冲池；13.圆柱形内容腔；14.入口缓冲池；15.端盖部；16.主体部；17.底座部；18.治疗患者；19.动脉端；20.主血泵；21.血浆分离器；22.储液池外循环入口；23.储液池内循环出口；24.氧合柱；25. 生物循环专用高转速泵；26.导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器；27.储液池内循环进口；28.储液池外循环出口；29.胆红素吸附器；30.血细胞；31.回流泵；32.静脉端；33.生物循环。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器外观为圆柱形，包括端盖部15，主体部16以及底座部17；顶盖部15包括出口缓冲池12、位于主体部16与顶盖部15衔接面的出口筛网4，端盖部15顶部设有液体出口1，液体出口1的底端设有出口细胞滤网3；主体部16包括圆柱形内容腔13，主体部16侧壁设有采样及微囊灌注口6，采样及微囊灌注口6设有阀门5；底座部17包括入口缓冲池14、涡轮式导流叶片8、位于底座部17与主体部16衔接面的入口滤网7、位于液体进口11及入口缓冲池衔接面的入口细胞滤网9，底座部17底部设有液体进口11。封闭式结构，多开口设计，可方便采样及加入微囊化肝细胞，同时减少操作过程中的污染可能。

其中：液体进口11及液体出口1直径为4-8mm；进口细胞滤网3、入口细胞滤网9的孔径为1-5μm；入口滤网7直径为10-30cm，滤网孔径为100-500μm；出口筛网4直径为10-30cm，筛网孔径为500-800目；涡轮式导流叶片8导流叶片为8-32片，每个导流通道的扇形进口与扇形出口在横断面的射影无重叠面积；圆柱形内容腔13体积为500-1500mL；出口缓冲池12空间高度为10-30mm；入口缓冲池14空间高度为10-20mm。

三维流体力学模型及实体试验均证实，本发明在特定流速/强体直径比内可形成稳定的四周螺旋向上，中间向下的流化效果，且无持续存在的流化死腔。经过涡轮式导流叶片8分流可使局部流速显著降低，有效减小流体力场中微囊所受的侧向剪切力，减少微囊破坏。

进一步的，本反应器液体进口11及液体出口1均配备有单向引流式阀门10、2，可单向少量引出循环中的液体，以提供PH及溶解氧检测。

进一步的，本反应器的主体部各个侧壁的材料均为医用塑料或有机玻璃，可以方便的观察储液池和内腔液面的高度。

实施例

如图2所示，本发明人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器为生物型人工肝***中生物循环33的核心部件。现以图2中单纯生物型人工肝治疗模式为例，介绍本发明具体实施方案。

治疗准备，打开阀门5，将微囊包被的肝细胞经采样及微囊灌注口6灌入反应器主体部16圆柱形内容腔内，微囊灌注完毕后关闭灌注口阀门，自液体进口11缓慢预冲配制好的循环缓冲液。排出循环管路中所有气泡并检查***密闭性。此时由于入口滤网的孔径小于微囊直径，微囊积存于反应器主体部底部。

治疗开始，治疗患者18全血自动脉端19引出，经主血泵20至血浆分离器21将全血分离为血浆及血细胞，其中血浆进入生物循环33，分离的血细胞30与完成生物循环的血浆重新会和经回流泵31自静脉端32回输治疗患者18。

经血浆分离器21分离的血浆成分通过储液池外循环入口22进入循环储液池，并全部经由储液池内循环出口23开始生物循环。进入生物循环的血浆首先经过氧合柱24，使得循环血浆溶解氧浓度升高以供应反应器中的肝细胞生理活动需要，随后经生物循环专用高转速泵25进入导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器26，进入反应器的高流速血浆经入口缓冲池14缓冲，并经由固定于底座部17的涡轮式导流叶片8导流，分流形成流速较缓且螺旋上升的血浆流，同时带动反应器中的微囊形成外部旋转向上，中部向下的稳定流化状态，出口处血浆经由浆出口筛网4、出口缓冲池12自反应器液体出口1均匀流出。反应器回流血浆经储液池内循环进口27回到循环储液池中，其中绝大部分再次经储液池内循环出口23进入生物循环，以保证回输体循环的血浆尽可能多的经历生物循环、获得充分的解毒及代谢作用，少部分多次循环后的血浆经由储液池外循环出口28会和血浆分离器21分离的血细胞成分回输人体。

本发明在保证微囊完整性的前提下显著提高了生物循环的流速，使得生物循环的效率得以充分体现；同时内、外循环的高差速比使得患者能够以较小的全血引出流速达到相同的血液净化效果，避免了中心静脉置管、动静脉造篓等复杂操作，在减少患者痛苦以及简便临床操作方面提供了更好的治疗方案。

以上所述仅为本发明的一个具体实施方式，不构成对本发明的任何限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器,其特征在于，它整体呈圆柱体形，包括端盖部（15），主体部（16）以及底座部（17）；顶盖部（15）包括出口缓冲池（12）、位于主体部（16）与顶盖部（15）衔接面的出口筛网（4），端盖部（15）顶部设有液体出口（1），液体出口（1）的底端设有出口细胞滤网（3）；主体部（16）包括圆柱形内容腔（13），主体部（16）外壳设有采样及微囊灌注口（6），采样及微囊灌注口（6）设有阀门（5）；底座部（17）包括入口缓冲池（14）、涡轮式导流叶片（8）、位于底座部（17）与主体部（16）衔接面的入口滤网（7）、位于液体进口（11）及入口缓冲池衔接面的入口细胞滤网（9），底座部（17）底部设有液体进口（11）。

2.根据权利要求1所述的人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器，其特征在于，所述液体进口（11）及液体出口（1）直径为4-8mm，液体进口（11）设有第一单向引流式阀门（10），液体出口（1）设有第二单向引流式阀门（2）可单向引出灌流液体用于采样。

3.根据权利要求1所述的人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器，其特征在于，所述入口细胞滤网（9）、出口细胞滤网（3）的孔径为1-5μm，所述入口滤网（7）直径为10-30cm，滤网孔径为100-500μm，所述出口筛网（4）直径为10-30cm，筛网孔径为500-800目。

4.根据权利要求1所述的人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器，其特征在于，所述涡轮式导流叶片（8）固定于底座部（17），导流叶片为8-32片，每个导流通道的扇形进口与扇形出口在横断面的射影无重叠面积。

5.根据权利要求1所述的人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器，其特征在于，所述圆柱形内容腔（13）体积为500-1500mL。

6.根据权利要求1所述的人工肝用导流式微囊悬浮型流化床式生物反应器，其特征在于：所述出口缓冲池（12）空间高度为10-30mm，所述入口缓冲池（14）空间高度为10-20mm。