一种应用于人工肝的可变换流向的搅拌式生物反应器

摘要

本发明公开了一种应用于人工肝的可变换流向的搅拌式生物反应器，包含带搅拌桨的生物反应器，反应器内装载包埋有肝细胞的微胶囊。由于微胶囊比重与水接近，在搅拌作用下，很容易形成混悬状态，从而能在较高流速的连续灌流操作条件下，实现微胶囊与液体充分混合，同时促进固液传质，保证微胶囊内肝细胞充足的营养物质供给与活性物质的高效释放。此外，为了避免长时间单向灌流可能出现的微胶囊或碎片堵塞滤网的情况，反应器进出口端分别设有电磁阀和蠕动泵，能实现流向转换，达到反冲的效果，避免管路堵塞，保持反应器内固液混合均匀。本发明能在较大的固液比、较高的灌流流速及较高的细胞密度条件下实现良好的固液混合和物质交换，有效避免灌注死腔和无效灌注，最大限度地发挥人工肝的治疗作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，特别是一种临床治疗急性肝衰竭的生物型 人工肝或者混合型人工肝支持系统的核心装置：可变换流向的搅拌式生物 反应器。

背景技术

急性肝衰竭是常见的危重疾病，死亡率高达65～95%。目前人工肝治疗 已成为治疗急性肝衰竭的重要手段。人工肝支持系统，是体外的机械或者 理化装置，暂时辅助或完全代替衰竭肝脏的功能，清除各种有害物质，代 偿肝脏的代谢功能。而装载有高活性肝细胞的生物型人工肝,理论上能执行 肝脏合成、转化等全部功能，是人工肝未来发展的潮流与趋势。生物反应 器是生物型人工肝的核心部件，作为肝细胞与血浆物质交换的场所，要求 有高通量的物质交换，同时要有足够的肝细胞数量。

目前应用最多的中空纤维生物反应器，其优点是比表面积大，便于代 谢物的转运，且反应器死腔较小，但由于肝细胞在反应器中分布不均，也 易造成细胞活力下降、缺氧和物质交换效率低的问题，并且反应器难以放 大，较难满足治疗时所需的细胞量。近年来，基于微囊化肝细胞的生物型 人工肝装置得到了广泛关注。微胶囊技术通过将细胞包埋在具有半渗透性 的聚合物膜内，既能保护肝细胞免受免疫攻击、减少剪切伤害，同时又能 保证良好的物质交换。此外，微胶囊具有更大的传质比表面，还能给细胞 提供三维类组织化的细胞内环境。基于微囊化肝细胞构建的生物型人工肝 反应器系统，装载方便、易放大，并且在提高物质交换和细胞活性方面具 有独特的优势，可以更加高效地发挥生物型人工肝的治疗作用。

目前基于微囊化肝细胞的生物型人工肝反应器主要有微囊-固定床反应 器和微囊-悬浮反应器两种形式。微囊-固定床反应器具有较高的细胞装载密 度，并且能达到较高的操作流速，能够满足细胞的氧供应，实现良好的物 质交换，但是微胶囊压力敏感，高流速灌注产生的高柱压易导致微胶囊形 变而堵塞床层，同时高剪切力和持续的柱压力易造成微囊破碎。微囊-悬浮 反应器主要形式是流化床反应器，其优点是传质均匀，剪切力小，柱压低， 不易形成固有通道和灌注死腔，但是由于微胶囊粒径小、比重与血浆接近， 流化时容易被液体带出，能达到的操作流速较低，限制了物质交换，同时 也无法满足肝细胞的氧需求量。另外，流化操作时形成较大的空隙率，势 必会增加患者体外循环的血浆量，增加病人负担，同时降低了反应器内肝 细胞的密度。

因此需要开发新型适合微囊化肝细胞体系的生物反应器，具有高的细 胞装载密度和较小的反应器设计体积；能在较高流速的血浆连续灌流及较 大的固液比操作条件下，实现微胶囊与血浆充分混合、细胞与血浆（血液） 良好的物质交换、提供肝细胞充足的营养物质（包含氧），并且肝细胞分泌 的功能分子能及时进入血浆（血液）发挥作用，并且能够较长时间保持细 胞生长代谢活性和保护细胞免受剪切及免疫杀伤等。

发明内容

因此，本发明设计的一种应用于人工肝的可变换流向的搅拌式生物反 应器，利用微胶囊比重与水接近，易形成混悬液这一特点，利用机械搅拌 的混合作用，能够在较高的灌流流速和较大的固液比操作条件下，实现微 胶囊与血浆的充分混合，同时采用可转换流向的设计，可对管路进行反冲， 避免管路堵塞，能长时间维持微胶囊与血浆均匀混合状态。

本发明采用的技术方案为：

一种应用于人工肝的可变换流向的搅拌式生物反应器，包括主体反应 器和搅拌桨，主体反应器为一密闭容器，搅拌桨设置于主体反应器内，于 主体反应器内设置有膜式氧合器；膜式氧合器的进口与氧气气源相连，膜 式氧合器的出口放空；于主体反应器的上部或顶部设有液体进出口，液体 进出口与第一二位三通电磁阀的一个端口相连，第一二位三通电磁阀的第 二个端口经第一蠕动泵与液体储罐相连，第一二位三通电磁阀的第三个端 口经第二蠕动泵）与液体收集储罐相连；于主体反应器的下部或底部设有 液体出入口，液体出入口与第二二位三通电磁阀的一个端口相连，第二二 位三通电磁阀的第二个端口经第一蠕动泵与液体储罐相连，第二二位三通 电磁阀的第三个端口经第二蠕动泵与液体收集储罐相连。

所述应用于人工肝的可变换流向的搅拌式生物反应器，其特征在于：

于主体反应器内装载微囊化肝细胞和溶液，在搅拌桨的作用下，可以 在连续灌流状态下实现微胶囊与溶液的均匀混合；反应器两端分别装有第 一、第二二位三通电磁阀和第一、第二蠕动泵，可以实现流向变换，达到 反冲的效果，避免管路堵塞，保持反应器内固液混合均匀。

所述应用于人工肝的可变换流向的搅拌式生物反应器，其特征在于：

液体进出口和液体出入口一端处于主体反应器内，另一端分别与第一 二位三通电磁阀和第二二位三通电磁阀的一个端口相连；

位于主体反应器内的液体进出口一端和液体出入口一端处于主体反应 器内的溶液液面之下；或，位于主体反应器内的液体进出口一端和/或液体 出入口一端经管路连通至主体反应器内的溶液液面之下。

所述应用于人工肝的可变换流向的搅拌式生物反应器，其特征在于：

膜式氧合器的进口通过管路与主体反应器外部的氧气气源相连，膜式 氧合器的出口通过管路伸出主体反应器外部放空。

所述应用于人工肝的可变换流向的搅拌式生物反应器，其特征在于：

于主体反应器的下部或底部设有液体出入口处设有滤网；

于主体反应器的上部或顶部设有液体进出口处设有滤网；

所述的滤网材质为蚕丝、金属丝或者合成纤维，其孔径100～800目。

所述应用于人工肝的可变换流向的搅拌式生物反应器，其特征在于： 搅拌桨为电机驱动的机械搅拌桨；

所述的搅拌桨材质为聚四氟乙烯或不锈钢材料，为单层或者多层搅拌 桨，桨叶为双桨叶或者多桨叶。

所述应用于人工肝的可变换流向的搅拌式生物反应器，其特征在于： 所述的反应器液体进出口端和液体出入口设有第一、第二二位三通电磁阀 和第一、第二蠕动泵，能实现手动或自动流向转换。

反应器使用时，搅拌桨搅拌速率为10rpm～1000rpm，其能在连续灌流 操作下实现微胶囊与液体均匀混合，其连续灌流流量 50ml/min～1000ml/min。

本发明公开了一种应用于人工肝的可变换流向的搅拌式生物反应器， 包含带搅拌桨的生物反应器，反应器内装载包埋有肝细胞的微胶囊。由于 微胶囊比重与水接近，在搅拌作用下，很容易形成混悬状态，从而能在较 高流速的连续灌流操作条件下，实现微胶囊与液体充分混合，同时促进固 液传质，保证微胶囊内肝细胞充足的营养物质供给与活性物质的高效释放。 此外，为了避免长时间单向灌流可能出现的微胶囊或碎片堵塞滤网的情况， 反应器进出口端分别设有电磁阀和蠕动泵，能实现流向转换，达到反冲的 效果，避免管路堵塞，保持反应器内固液混合均匀。本发明能在较大的固 液比、较高的灌流流速及高肝细胞密度条件下实现良好的固液混合和物质 交换，有效避免灌注死腔和无效灌注，最大限度地发挥人工肝的治疗作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，其中：1为主体反应器；2为带驱动电 机的搅拌桨；3为膜式氧合器；4为滤网；5为包埋有肝细胞的微胶囊；6、 7为第一、第二二位三通电磁阀；8为第一蠕动泵，9为第二蠕动泵。a、a’ 为血浆；b为氧气。

图2为可变换流向的搅拌式生物反应器连续运行10小时后微胶囊形 态：其中左图为运行前的微胶囊形态；右图为运行10小时后微胶囊的形态。

具体实施方式

如图1所示，一种应用于人工肝的可变换流向的搅拌式生物反应器， 包括主体反应器1和搅拌桨2，主体反应器1为一密闭容器，搅拌桨2设置 于主体反应器内，于主体反应器内设置有膜式氧合器3；膜式氧合器3的进 口与氧气气源相连，膜式氧合器3的出口放空；于主体反应器的上部或顶 部设有液体进出口，液体进出口与第一二位三通电磁阀6的一个端口相连， 第一二位三通电磁阀6的第二个端口经第一蠕动泵8与液体储罐相连，第 一二位三通电磁阀6的第三个端口经第二蠕动泵9与液体收集储罐相连； 于主体反应器的下部或底部设有液体出入口，液体出入口与第二二位三通 电磁阀7的一个端口相连，第二二位三通电磁阀7的第二个端口经第一蠕 动泵8与液体储罐相连，第二二位三通电磁阀7的第三个端口经第二蠕动 泵9与液体收集储罐相连。于主体反应器的下部或底部设有液体出入口处 设有滤网4；

于主体反应器的上部或顶部设有液体进出口处设有滤网4；于主体反应器内 装载微囊化肝细胞5和溶液，在搅拌桨的混合作用下，能在较高的灌流流 速和较大的固液比操作条件下，实现微胶囊与血浆的充分混合，同时采用 可转换流向的设计，可对管路进行反冲，避免管路堵塞，能长时间维持微 胶囊与血浆均匀混合状态。

所述的搅拌桨为电机驱动的机械搅拌桨，处于主体反应器内部，搅拌 桨最底端靠近主体反应器底端；其材质为聚四氟乙烯或不锈钢材料，为单 层或者多层搅拌桨，桨叶为双桨叶或者多桨叶。

实施例

载肝细胞微胶囊制备：肝细胞和质量浓度1.5%海藻酸钠混悬，细胞密 度1×10⁷～1×10⁸cells/ml，应用高压静电制备仪滴入质量浓度1.1%的CaCl₂溶液中，形成的海藻酸钙胶珠与0.05%的聚赖氨酸溶液反应成膜。

不含细胞微胶囊制备：方法如前，1.5%海藻酸钠，应用高压静电制备 仪滴入1.1%的CaCl₂溶液中，形成的海藻酸钙胶珠与0.05%的聚赖氨酸溶 液反应成膜。

主体反应器：为柱形的玻璃反应器，反应器内腔为， 反应器底端为不锈钢滤网，孔径为200目。

搅拌桨：为电机驱动的聚四氟乙烯材质的上搅拌，可在0～1200rpm转 速调节，双叶，桨宽40mm。

可变换流向的搅拌式生物反应器运行：粒径为200μm～400μm微胶囊， 填充体积为80ml，填充高度40mm，固液比2:1，连续灌流流量200ml/min， 当搅拌速率达200rpm时，微载体分布均匀，未在底部出现堆积。连续灌注 10h后，微胶囊形态保持良好，完整率保持在99%以上（如图2）。

流向变换：如图1，反应器进出口端和出入口端各设第一、第二二位三 通电磁阀6、7和第一、第二蠕动泵8、9，在正常灌流状态下，第一二位三 通三通电磁阀6左边通路开启，右边通路闭合，而第二二位三通三通电磁 阀7左边通路闭合，右边通路开启，液体流向如a所示，当需要变换流向 时，通过手动或者自动给三通电磁阀电信号，则第一二位三通三通电磁阀6 左边通路闭合，右边通路开启，而第二二位三通三通电磁阀7左边通路开 启，右边通路闭合，液体流向如a’所示，液体流向变换，达到反冲的目的。