專利名稱：用于生物人工肝、肝細(xì)胞培養(yǎng)研究的生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種醫(yī)療設(shè)備，特別是一種既可以作為體外生物人工肝支持系統(tǒng)的核心裝置，也可以作為一種實驗裝置或生物制劑裝置，還可以用于培養(yǎng)肝細(xì)胞的實驗研究和提取細(xì)胞產(chǎn)品的小型生產(chǎn)裝置。
(二)、技術(shù)背景現(xiàn)階段，市場上尚無體外生物人工肝支持系統(tǒng)的專用生物反應(yīng)器。目前臨床使用較多的反應(yīng)器為普通中空纖維型反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)與血液透析器完全相同，只是所用半透膜的材料、孔徑及分子截留量不同。系將一束(500～1000根左右)中空纖維，密封于透明有機(jī)材料外殼內(nèi)，由中空纖維將其分為內(nèi)、外兩腔，分別用于放置肝細(xì)胞和流動患者血液，借助該中空纖維半透膜，進(jìn)行雙向物質(zhì)傳輸和生物作用，從而實現(xiàn)生物人工肝支持與治療。
這種模式的反應(yīng)器在應(yīng)用中存在諸多缺陷。首先在結(jié)構(gòu)上，傳統(tǒng)普通反應(yīng)器的中空纖維平行密集排列，呈束狀柱形，難以放大，容量和有效交換面積小，作用效率有限；其次在細(xì)胞培養(yǎng)方面，不易進(jìn)行高活性培養(yǎng)，當(dāng)加入細(xì)胞后往往沉積于反應(yīng)器底部，無法均勻分布于中空纖維之間，既使細(xì)胞可以到達(dá)纖維束中間也會因氧供不足而失活；再則，在臨床肝支持中，該傳統(tǒng)反應(yīng)器因細(xì)胞量少(一般僅有1％～5％的成人肝細(xì)胞量)、活力低、功能差而難以發(fā)揮應(yīng)有的生物學(xué)功能和作用。此外，肝細(xì)胞無輔助保護(hù)與維持活性的措施。上述缺陷是目前生物人工肝治療肝衰竭療效難以進(jìn)一步提高的重要因素之一。
(三)、發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是提供一種結(jié)構(gòu)簡單和使用方便的用于生物人工肝、肝細(xì)胞培養(yǎng)研究的生物反應(yīng)器，它可以克服傳統(tǒng)中空纖維生物反應(yīng)器存在的缺陷，為肝細(xì)胞提供更符合生理環(huán)境的生長與培養(yǎng)條件，有利于獲得具有高活性、高密度培養(yǎng)肝細(xì)胞，最大限度地發(fā)揮生物學(xué)作用，實現(xiàn)肝特異性解毒功能、生物合成與轉(zhuǎn)換代謝功能，保障以此為核心的生物人工肝的肝支持與治療作用。
本實用新型的目的是通過這樣的技術(shù)方案實現(xiàn)的，它是由設(shè)置在立方形殼體內(nèi)的橫向腔體、縱向腔體和外腔構(gòu)成，其中橫向腔體是一個通過多根橫向中空纖維與設(shè)置在立方形殼體左右相對兩側(cè)的橫向緩沖腔彼此連通的腔體，縱向腔體是一個通過多根縱向中空纖維與設(shè)置在立方形殼體前后相對兩側(cè)的縱向緩沖腔彼此連通的腔體，外腔是由立方形殼體、橫向緩沖腔側(cè)壁、縱向緩沖腔側(cè)壁所圍成的且包含有橫向中空纖維、縱向中空纖維的腔體，橫向腔體、縱向腔體與外腔之間通過橫向中空纖維、縱向中空纖維上的微孔彼此相通，橫向腔體和縱向腔體上均設(shè)置有進(jìn)液口和出液口，立方形殼體上設(shè)置有與外腔相通的肝細(xì)胞加入口和排氣取樣口。
按照上述結(jié)構(gòu)制成的生物反應(yīng)器，橫縱交叉排列的中空纖維使其彼此之間分布均勻且有間隙，提供了一個立體支架，使肝細(xì)胞均勻分布于中空纖維的各個層上。本實用新型具有如下的三大用途1、用于體外生物人工肝，能發(fā)揮更好的人工肝支持與治療作用。
2、用于實驗研究時，可滿足肝細(xì)胞的生理要求。
3、用于制備生物制劑時，可提取更多的細(xì)胞產(chǎn)物。
本實用新型是這樣使用的首先，采用體外消化技術(shù)獲得肝細(xì)胞，進(jìn)行肝細(xì)胞球形體培養(yǎng)。球形體的原理是借助肝細(xì)胞的粘附特性，采用特殊培養(yǎng)技術(shù)，使其不能沉積于培養(yǎng)容器的底部貼壁生長，而是相互粘附、聚集、像滾雪球一樣形成浮懸于培養(yǎng)液的多細(xì)胞球形體。特殊培養(yǎng)技術(shù)包括被覆細(xì)胞貼壁阻止劑、定時振蕩旋轉(zhuǎn)、激素限定強(qiáng)化條件培養(yǎng)液等。多細(xì)胞球形體培養(yǎng)2～3天后，移入本實用新型的外腔中，即反應(yīng)器內(nèi)的中空纖維之間，每個球形體中的數(shù)量多在100～200以上，使其在中空纖維的不同層面附著生長，這與正常肝內(nèi)細(xì)胞立體排列相似，符合生理條件。
當(dāng)將本實用新型用于實驗研究或制備生物制劑時，將橫向腔體和縱向腔體內(nèi)均循環(huán)通過培養(yǎng)液，培養(yǎng)液通過中空纖維上的微孔形成的半透膜不斷向反應(yīng)器外腔彌散氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)，為反應(yīng)器外腔中的肝細(xì)胞提供豐富氧氣及營養(yǎng)物質(zhì)，同時肝細(xì)胞代謝產(chǎn)物由外腔經(jīng)中空纖維的半透膜彌散至中空纖維內(nèi)，由循環(huán)流動的培養(yǎng)液帶出。這一過程十分符合正常肝臟的肝細(xì)胞生理環(huán)境和血液循環(huán)，因此，可以培養(yǎng)出大量、高活性、高密度的肝細(xì)胞，肝細(xì)胞具備優(yōu)良的生物功能。
當(dāng)將本實用新型用于體外生物人工肝時，是本實用新型中的其中一個橫向腔體或縱向腔體內(nèi)循環(huán)流動培養(yǎng)液，另一個縱向腔體或橫向腔體內(nèi)以其它的循環(huán)形式循環(huán)流動患者的帶有毒性物質(zhì)的血漿。外腔內(nèi)培養(yǎng)的正常肝細(xì)胞自行通過中空纖維的微孔對患者的血漿進(jìn)行解毒，并補(bǔ)充活性物質(zhì)，培養(yǎng)液為外腔內(nèi)的肝細(xì)胞提供豐富的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，維持肝細(xì)胞的活性，同時帶出外腔中肝細(xì)胞代謝解毒的產(chǎn)物，從而發(fā)揮更好的人工肝支持與治療作用。
由于采用了上述技術(shù)方案，本實用新型具有如下的優(yōu)點1.結(jié)構(gòu)合理，符合肝細(xì)胞的生理環(huán)境，操作簡便、制備周期短、條件和其他設(shè)備要求不高。
2.在本實用新型中，中空纖維數(shù)量多、面積大，肝細(xì)胞附著廣。外腔體積大，肝細(xì)胞量可達(dá)300g，相當(dāng)于20％的成人肝細(xì)胞量，而且可根據(jù)臨床使用情況進(jìn)一步放大。因此，能夠滿足生物反應(yīng)器研制中易于放大的要求，也滿足了生物人工肝以及肝細(xì)胞實驗研究與提取細(xì)胞產(chǎn)物的要求。
3.將已形成多細(xì)胞聚集球形體的肝細(xì)胞移入反應(yīng)器外腔，較單個肝細(xì)胞更容易在不同中空纖維支架層中附壁生長，呈三維立體形，細(xì)胞分布均勻，密度高，細(xì)胞數(shù)量大。
4.采用氧合培養(yǎng)液循環(huán)方式培養(yǎng)反應(yīng)器內(nèi)的肝細(xì)胞，克服了傳統(tǒng)反應(yīng)器直接放置于CO2培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)效果不佳的缺陷。該培養(yǎng)方式充分考慮為肝細(xì)胞提供合適的微循環(huán)、氧合作用及不斷循環(huán)更新的培養(yǎng)液，也完全符合肝細(xì)胞的生理環(huán)境和條件，培養(yǎng)肝細(xì)胞活力好、功能強(qiáng)。
5.本實用新型的橫向腔體或縱向腔體中任何一個均可以作為血液循環(huán)通道，將其直接與患者血液循環(huán)通道相連即可實施生物人工肝治療，故生物反應(yīng)器不僅制備方便，而且使用快捷。

本實用新型的
如下圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中A-A的剖視圖；圖中1.立方形殼體；2.橫向腔體；3.縱向腔體；4.外腔；5.橫向中空纖維；6.橫向緩沖腔；7.縱向中空纖維；8.縱向緩沖腔；9.進(jìn)液口；10.出液口；11.肝細(xì)胞加入口；12.排氣取樣口；13.濾網(wǎng)隔膜層。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明如圖1、2所示，本實用新型是由設(shè)置在立方形殼體1內(nèi)的橫向腔體2、縱向腔體3和外腔4構(gòu)成，其中橫向腔體2是一個通過多根橫向中空纖維5與設(shè)置在立方形殼體1左右相對兩側(cè)的橫向緩沖腔6彼此連通的腔體，縱向腔體3是一個通過多根縱向中空纖維7與設(shè)置在立方形殼體1前后相對兩側(cè)的縱向緩沖腔8彼此連通的腔體，外腔4是由立方形殼體1、橫向緩沖腔6側(cè)壁、縱向緩沖腔8側(cè)壁所圍成的且包含有橫向中空纖維5、縱向中空纖維7的腔體，橫向腔體2、縱向腔體3與外腔4之間通過橫向中空纖維5、縱向中空纖維7上的微孔彼此相通，橫向腔體2和縱向腔體3上均設(shè)置有進(jìn)液口9和出液口10，立方形殼體1上設(shè)置有與外腔4相通的肝細(xì)胞加入口11和排氣取樣口12。
如圖1、2所示，所述的橫向中空纖維5與縱向中空纖維7之間的排列可以是彼此相間的，即第一層為縱向中空纖維7，第二層為橫向中空纖維5，第三層又為縱向中空纖維5，其它排列依此類推。
如圖1、2所示，為了進(jìn)一步防止肝細(xì)胞沉積于外腔4的底部，在外腔4內(nèi)設(shè)置有多個濾網(wǎng)隔膜層13，每個濾網(wǎng)隔膜層13上方均有一層縱向中空纖維7和一層橫向中空纖維5。濾網(wǎng)隔膜層13為多細(xì)胞球形體提供一個各層面的支承架，形成三維立體結(jié)構(gòu)培養(yǎng)，加上肝細(xì)胞在體外已預(yù)先被培養(yǎng)成多細(xì)胞球形體，細(xì)胞之間相互聚集，體積大，每個球形體中的數(shù)量多在100～200以上，故可以保證肝細(xì)胞在中空纖維的各個層面高密度附著生長，這與正常肝內(nèi)細(xì)胞立體排列相似，符合生理條件。
權(quán)利要求1.一種用于生物人工肝、肝細(xì)胞培養(yǎng)研究的生物反應(yīng)器，其特征在于它是由設(shè)置在立方形殼體(1)內(nèi)的橫向腔體(2)、縱向腔體(3)和外腔(4)構(gòu)成，其中橫向腔體(2)是一個通過多根橫向中空纖維(5)與設(shè)置在立方形殼體(1)左右相對兩側(cè)的橫向緩沖腔(6)彼此連通的腔體，縱向腔體(3)是一個通過多根縱向中空纖維(7)與設(shè)置在立方形殼體(1)前后相對兩側(cè)的縱向緩沖腔(8)彼此連通的腔體，外腔(4)是由立方形殼體(1)、橫向緩沖腔(6)側(cè)壁、縱向緩沖腔(8)側(cè)壁所圍成的且包含有橫向中空纖維(5)、縱向中空纖維(7)的腔體，橫向腔體(2)、縱向腔體(3)與外腔(4)之間通過橫向中空纖維(5)、縱向中空纖維(7)上的微孔彼此相通，橫向腔體(2)和縱向腔體(3)上均設(shè)置有進(jìn)液口(9)和出液口(10)，立方形殼體(1)上設(shè)置有與外腔(4)相通的肝細(xì)胞加入口(11)和排氣取樣口(12)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于生物人工肝、肝細(xì)胞培養(yǎng)研究的生物反應(yīng)器，其特征在于所述的橫向中空纖維(5)與縱向中空纖維(7)之間的排列是彼此相間的，即第一層為縱向中空纖維(7)，第二層為橫向中空纖維(5)，第三層又為縱向中空纖維(7)，其它排列依此類推。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于生物人工肝、肝細(xì)胞培養(yǎng)研究的生物反應(yīng)器，其特征在于在外腔(4)內(nèi)設(shè)置有多個濾網(wǎng)隔膜層(13)，每個濾網(wǎng)隔膜層(13)上方均有一層縱向橫中空纖維(5)和一層橫向中空纖維(7)。
專利摘要一種用于生物人工肝、肝細(xì)胞培養(yǎng)研究的生物反應(yīng)器，其特征在于它是由設(shè)置在立方形殼體內(nèi)的外腔、由中空纖維、緩沖腔構(gòu)成的橫向腔體和縱向腔體構(gòu)成，橫向腔體、縱向腔體與外腔之間通過中空纖維上的微孔彼此相通，橫向腔體和縱向腔體上均設(shè)置有進(jìn)液口和出液口，立方形殼體上設(shè)置有與外腔相通的肝細(xì)胞加入口和排氣取樣口。本實用新型具有結(jié)構(gòu)合理、操作簡便和制備周期短等優(yōu)點，它可以克服傳統(tǒng)中空纖維生物反應(yīng)器存在的缺陷，為肝細(xì)胞提供更符合生理環(huán)境的生長與培養(yǎng)條件，有利于獲得具有高活性、高密度培養(yǎng)的肝細(xì)胞，最大限度地發(fā)揮生物學(xué)作用，實現(xiàn)肝特異性解毒功能、生物合成與轉(zhuǎn)換代謝功能，保障以此為核心的生物人工肝的肝支持與治療作用。
文檔編號C12M3/00GK2628530SQ0323509
公開日2004年7月28日 申請日期2003年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24日
發(fā)明者王英杰 申請人:中國人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)