四合一式生物人工肝在线监测与恒温加热一体系统的制作方法

本发明属于生物人工肝技术领域，尤其涉及一种四合一式生物人工肝在线监测与恒温加热一体系统。

背景技术：

我国是世界上肝病最严重的国家，每年肝衰竭新发病人数超过100万，其中约50％肝功衰竭患者因得不到有效治疗而死亡。目前肝移植为治愈肝衰竭最有效的治疗手段，但由于肝脏来源困难，等待时间长，或根本没有机会得到供肝，绝大多数病人根本没有生存机会。因此，急需人工肝系统维持病人生命，等待肝移植机会，或病人自身肝恢复的机会。

生物人工肝支持系统，主要利用具有肝脏代谢功能的细胞群，对肝衰竭患者血液进行净化，实现体外肝脏支持的功能，为肝脏再生或者等待肝脏移植赢得宝贵时间，具有重要临床应用价值。现有的生物人工肝系统结构大同小异，生物人工肝反应器为整个系统的核心部分，为细胞群提供充足的氧气、适当的营养物质及适宜的pH环境，使细胞能够最大限度的发挥其生物活性，为实现高效的肝功能表达水平提供保障。

目前，已用于临床试验或治疗的生物人工肝支持系统主要包括血浆分离器，氧合器及生物反应器三部分。病人血液导出体外后，首先经血浆分离器将血浆及血细胞分离；分离出的血浆经氧合器负荷足够氧后进入生物反应器；在生物反应器中细胞群以血浆为基本营养进行物质代谢及交换；去除生物毒素后的血浆再与血浆分离器分离出血细胞混合，回输至患者体内，实现体外人工肝支持功能。血浆分离器，氧合器及生物反应器三部分成本较高，操作较繁琐，有待进一步优化。且目前已有的生物人工肝反应器只是利用增温器进行增温，并不能对生物人工肝反应器进行恒温加热，加热不稳定，影响生物人工肝反应器的效率。并且，目前常用生物人工肝反应器为中空纤维型反应器，该反应器中纤维管排列紧密，纤维管间容积较小，中心部位不易装载入细胞，易造成细胞分布不均，导致系统解毒性能降低，且细胞在纤维管上贴壁生长时易堵塞纤维管膜壁微孔，影响纤维管内外的物质交换，不利于肝细胞的功能与活力的长期有效维持而严重影响治疗效果。

理想的生物人工肝系统应具备以下特点：系统简单、操作简便；能为细胞提供适宜代谢环境包括适宜的溶氧和pH值，保障细胞活性；灌注的细胞分布均匀，肝细胞的生长密度及活性高，细胞能与血浆充分接触进行物质交换；能对反应器进行恒温加热且加热稳定均匀，系统结构简洁，操作便捷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种四合一式生物人工肝在线监测与恒温加热一体系统，通过重构系统结构，实现血浆分离器、氧合器、加热器及常规生物反应器四合为一；实现pH调控、恒温加热、细胞均匀分布并进行充分的物质交换，简化操作，提高肝细胞的生长密度及活性。

为实现上述目的，本发明所设计的四合一式生物人工肝在线监测与恒温加热一体系统，包括顺序相连的血液输入口、血泵、动脉壶、四合一生物反应器、静脉壶和血液回输口；

所述四合一生物反应器四合一式生物人工肝在线监测与恒温加热一体系统包括恒温水箱及置于其内部的三合一生物反应器；

所述三合一生物反应器包括腔体及设置在所述腔体内的第一隔板和第二隔板；第一隔板和第二隔板将所述腔体分隔为从左到右的三个独立空间，依次为血浆分离器、氧合器和反应器；

所述血浆分离器与所述氧合器通过器室连接管从外侧将两者内腔连通，所述器室连接管上设有分离泵；所述反应器与所述氧合器通过第二隔板上开设的连通孔将两者内腔连通；

位于所述血浆分离器处的左侧腔体上端设有血液/预充液入口，下端设有血细胞出口，所述血液/预充液入口和血细胞出口之间以设于所述血浆分离器的内部的中空纤维束连通；

位于所述氧合器处的中间部分的腔体上端设有氧气/二氧化碳入口，所述氧合器的内部设有与所述氧气/二氧化碳入口相连通的透气纤维膜管；

位于所述反应器处的右侧腔体上设有营养液/肝细胞悬浮液入口、营养液/肝细胞悬浮液出口及血浆/预充液出口，所述连通孔和血浆/预充液出口以设于所述反应器的内部的中空纤维膜管连通；

所述恒温水箱包括水箱壳及设于所述水箱壳上的热水入口和热水出口；所述水箱壳包裹住所述三合一生物反应器，所述水箱壳上还开设有多个用于三合一生物反应器上各个出入口穿出的孔洞，且所述三合一生物反应器上各个出入口为管口，其管口外壁与所述孔洞的内壁密封连接；

所述血液/预充液入口与动脉壶的出口相连，所述血浆/预充液出口与血细胞出口一并与所述静脉壶的入口相连。

进一步地，所述器室连接管的进液口端位于所述血浆分离器的侧壁下端，出液口端位于所述氧合器的下端；所述连通孔位于第二隔板的上端。

再进一步地，所述氧合器内部沿其横截面方向还设有用于阻隔血浆/预充液的密封支架板，所述密封支架板位于连通孔的上方；所述密封支架板上开设有多个小孔，所述透气纤维膜管的上端卡设在小孔内，且通过密封支架板与氧合器内腔顶部形成的空间，与氧气/二氧化碳入口相连通。

上述再进一步方案的有益效果是：通过密封支架板将透气纤维膜管固定于氧合器内，既可以保证氧气/二氧化碳入口与透气纤维膜管连通，气体不受阻隔，又能起到阻隔血浆/预充液的作用。

优选地，所述血浆分离器内部沿其横截面方向还设有两个用于阻隔细胞及液体通过的聚氨酯树脂支架板，两个聚氨酯树脂支架板分别位于血浆分离器上下两端且与血浆分离器端部内腔保持距离，所述聚氨酯树脂支架板上开设有多个通孔，所述中空纤维束的两端分别卡设于不同聚氨酯树脂支架板的通孔内，所述器室连接管的进液口端位于两个聚氨酯树脂支架板之间。设置聚氨酯树脂支架板可以实现中空纤维束在血浆分离器内部均匀分布的目的，而不是将中空纤维束的端部全部塞入血液/预充液入口和血细胞出口。

进一步地，所述反应器内部沿其横截面方向还设有两个用于阻隔细胞及液体通过的聚氨酯树脂支架片，两个聚氨酯树脂支架片分别位于反应器上下两端且与反应器端部内腔保持距离，聚氨酯树脂支架片上开设有多个通孔，所述中空纤维膜管的两端分别卡设于不同聚氨酯树脂支架片的通孔内，所述连通孔位于聚氨酯树脂支架片的上方，营养液/肝细胞悬浮液入口和营养液/肝细胞悬浮液出口位于两个聚氨酯树脂支架片之间。设置聚氨酯树脂支架片可以实现中空纤维膜管在反应器内部均匀分布的目的。

可选地，位于所述血浆分离器处的左侧腔体在两个所述聚氨酯树脂支架板之间还设有与血浆分离器内腔连通的血浆分离器备用加样入口和血浆分离器加样出口；所述氧合器的下端设有氧合器加样出口；所述器室连接管的进液口端与所述血浆分离器加样出口连通；所述器室连接管的出液口端与所述氧合器加样出口连通。

进一步地，所述血浆/预充液出口设有聚醚砜过滤膜、聚乙烯过滤膜或聚乙烯乙烯醇过滤膜，其膜厚为100μm±25μm，膜孔径为0.5μm±0.1μm。

再进一步地，所述一体系统还包括用于连续在线监测生化指标的生化监测装置，所述生化监测装置包括监测控系统、信号反馈系统及与所述监测控系统电信号连接的上游理生化指标探测头和下游理生化指标探测头；所述上游理生化指标探测头设于所述血液输入口处，所述下游理生化指标探测头设于所述血液回输口处。

更进一步地，所述动脉壶上、静脉壶上、血泵与血液输入口之间分别设有用于添加药物或液体的支管；所述血泵与动脉壶之间设有用于注入肝素的肝素支管；所述静脉壶与所述血液回输口之间还设有用于监测管路中是否有空气的空气监测装置；所述动脉壶与所述四合一生物反应器之间还设有用于加热进入所述恒温水箱内热水的加热系统和用于调节水温的温度调节系统。

再进一步地，所述一体系统还包括多个压力检测装置，分别设于动脉壶上、静脉壶上、血液输入口与血泵之间。

本发明的有益效果是：

1、通过将传统的血浆分离器、氧合器、加热器及常规生物反应器四合为一，使生物人工肝支持系统结构更为简洁，操作便捷；

2、血液进入血浆分离器后，被中空纤维束分离出的血浆依次进入氧合器和反应器，减少不必要的管路；

3、通过在氧合器的内部曲折设置有透气纤维膜，为反应器提供足量的氧气，同时向透气纤维膜适时适量参入二氧化碳实现pH调节，维持生物反应器内较稳定的pH环境，能为细胞提供适宜代谢环境，保障细胞活性；

4、通过恒温水箱的作用，恒温水箱包覆三合一生物反应器设置，使得三合一生物反应器中的细胞可以进行水浴恒温加热，加热均匀，加热稳定性好，且节省空间，使得系统结构简单；

5、通过生化监测装置的作用，使得系统能够对生化指标、血浆或血液的压力进行在线监测；

6、显著增加了肝细胞在反应器内的可贴壁面积，提高了肝细胞分布的均匀度，能够保持良好的细胞活性，有利于肝细胞功能的最大发挥，从而达到最佳的治疗效果。

附图说明

图1为本发明四合一式生物人工肝在线监测与恒温加热一体系统的结构示意图。

图2为图1中的四合一生物反应器的结构示意图。

图3为图2的剖视结构示意图。

图4为图3中三合一生物反应器的剖视结构示意图。

图中，三合一生物反应器1、血浆分离器1.1、血液/预充液入口1.1.1、血细胞出口1.1.2、血浆分离器备用加样入口1.1.3、血浆分离器加样出口1.1.4、氧合器1.2、氧气/二氧化碳入口1.2.1、输液加样入口1.2.2、氧合器备用加样入口1.2.3、氧合器加样出口1.2.4、反应器1.3、营养液/肝细胞悬浮液入口1.3.1、营养液/肝细胞悬浮液出口1.3.2、血浆/预充液出口1.3.3、腔体1.4、第一隔板1.5、第二隔板1.6、恒温水箱2、水箱壳2.1、孔洞2.1.1、热水入口2.2、热水出口2.3、血泵3、动脉壶4、四合一生物反应器5、静脉壶6、血液回输口7、中空纤维束8、透气纤维膜管9、中空纤维膜管10、器室连接管11、连通孔12、生化监测装置13、监测控系统13.1、信号反馈系统13.2、上游理生化指标探测头13.3、下游理生化指标探测头13.4、聚氨酯树脂支架板14、聚氨酯树脂支架片15、聚醚砜过滤膜16、支管17、肝素支管18、空气监测装置19、压力检测装置20、密封支架板21、加热系统22、温度调节系统23、血液输入口24、分离泵25、微泵备用接口26。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1、图2、图3、图4所示的四合一式生物人工肝在线监测与恒温加热一体系统，包括顺序相连的血液输入口24、血泵3、动脉壶4、四合一生物反应器5、静脉壶6和血液回输口7；

所述四合一生物反应器5四合一式生物人工肝在线监测与恒温加热一体系统包括恒温水箱2及置于其内部的三合一生物反应器1；

三合一生物反应器1包括腔体1.4及设置在腔体1.4内的第一隔板1.5和第二隔板1.6；第一隔板1.5和第二隔板1.6将腔体1.4分隔为从左到右的三个独立空间，依次为血浆分离器1.1、氧合器1.2和反应器1.3；

血浆分离器1.1与氧合器1.2通过器室连接管11从外侧将两者内腔连通，器室连接管11上设有分离泵25；反应器1.3与氧合器1.2通过第二隔板1.6上开设的连通孔12将两者内腔连通；

位于血浆分离器1.1处的左侧腔体1.4上端设有血液/预充液入口1.1.1，下端设有血细胞出口1.1.2，血液/预充液入口1.1.1和血细胞出口1.1.2之间以设于血浆分离器1.1的内部的中空纤维束8连通；

位于氧合器1.2处的中间部分的腔体1.4上端设有氧气/二氧化碳入口1.2.1，氧合器1.2的内部设有与氧气/二氧化碳入口1.2.1相连通的透气纤维膜管9；

位于反应器1.3处的右侧腔体1.4上设有营养液/肝细胞悬浮液入口1.3.1、营养液/肝细胞悬浮液出口1.3.2及血浆/预充液出口1.3.3，连通孔12和血浆/预充液出口1.3.3以设于反应器1.3的内部的中空纤维膜管10连通；

恒温水箱2包括水箱壳2.1及设于水箱壳2.1上的热水入口2.2和热水出口2.3；水箱壳2.1包裹住三合一生物反应器1，水箱壳2.1上还开设有多个用于三合一生物反应器1上各个出入口穿出的孔洞2.1.1，且三合一生物反应器1上各个出入口为管口，其管口外壁与孔洞2.1.1的内壁密封连接；

血液/预充液入口1.1.1与动脉壶4的出口相连，血浆/预充液出口1.3.3与血细胞出口1.1.2一并与静脉壶6的入口相连。

器室连接管11的进液口端位于血浆分离器1.1的侧壁下端，出液口端位于氧合器1.2的下端；连通孔12位于第二隔板1.6的上端。

氧合器1.2内部沿其横截面方向还设有用于阻隔血浆/预充液的密封支架板21，密封支架板21位于连通孔12的上方；密封支架板21上开设有多个小孔，透气纤维膜管9的上端卡设在小孔内，且通过密封支架板21与氧合器1.2内腔顶部形成的空间，与氧气/二氧化碳入口1.2.1相连通。通过密封支架板将透气纤维膜管固定于氧合器内，既可以保证氧气/二氧化碳入口与透气纤维膜管连通，气体不受阻隔，又能起到阻隔血浆/预充液的作用。

血浆分离器1.1内部沿其横截面方向还设有两个用于阻隔细胞及液体通过的聚氨酯树脂支架板14，两个聚氨酯树脂支架板14分别位于血浆分离器1.1上下两端且与血浆分离器1.1端部内腔保持距离，聚氨酯树脂支架板14上开设有多个通孔，中空纤维束8的两端分别卡设于不同聚氨酯树脂支架板14的通孔内，器室连接管11的进液口端位于两个聚氨酯树脂支架板14之间。设置聚氨酯树脂支架板可以实现中空纤维束在血浆分离器内部均匀分布的目的，而不是将中空纤维束的端部全部塞入血液/预充液入口和血细胞出口。

反应器1.3内部沿其横截面方向还设有两个用于阻隔细胞及液体通过的聚氨酯树脂支架片15，两个聚氨酯树脂支架片15分别位于反应器1.3上下两端且与反应器1.3端部内腔保持距离，聚氨酯树脂支架片15上开设有多个通孔，中空纤维膜管10的两端分别卡设于不同聚氨酯树脂支架片15的通孔内，连通孔12位于聚氨酯树脂支架片15的上方，营养液/肝细胞悬浮液入口1.3.1和营养液/肝细胞悬浮液出口1.3.2位于两个聚氨酯树脂支架片15之间。设置聚氨酯树脂支架片可以实现中空纤维膜管在反应器内部均匀分布的目的。

位于血浆分离器1.1处的左侧腔体1.4在两个聚氨酯树脂支架板14之间还设有与血浆分离器1.1内腔连通的血浆分离器备用加样入口1.1.3和血浆分离器加样出口1.1.4；氧合器1.2的下端设有氧合器加样出口1.2.4；器室连接管11的进液口端与血浆分离器加样出口1.1.4连通；器室连接管11的出液口端与氧合器加样出口1.2.4连通聚氨酯树脂支架板14。

氧合器加样出口1.2.4上还设有与其连通用于补给葡萄糖等营养物质的微泵备用接口26。

一体系统还包括用于连续在线监测生化指标的生化监测装置13，生化监测装置13包括监测控系统13.1、信号反馈系统13.2及与监测控系统13.1电信号连接的上游理生化指标探测头13.3和下游理生化指标探测头13.4；上游理生化指标探测头13.3设于血液输入口24处，下游理生化指标探测头13.4设于血液回输口7处。

动脉壶4上、静脉壶6上、血泵3与血液输入口24之间分别设有用于添加药物或液体的支管17；血泵3与动脉壶4之间设有用于注入肝素的肝素支管18；静脉壶6与血液回输口7之间还设有用于监测管路中是否有空气的空气监测装置19；动脉壶4与四合一生物反应器5之间还设有用于加热进入恒温水箱2内热水的加热系统22和用于调节水温的温度调节系统23。

一体系统还包括多个压力检测装置20，分别设于动脉壶4上、静脉壶6上、血液输入口24与血泵3之间。

位于氧合器1.2处的中间部分的腔体1.4上端还设有氧合器备用加样入口1.2.3，氧合器备用加样入口1.2.3与密封支架板21下方的空间相连通；位于氧合器1.2处的中间部分的腔体1.4的下端设有用于输液加药的输液加样入口1.2.2。

透气纤维膜管9曲折设置，形状可以是螺旋状、蛇形状或其他弯曲形状，其上端与氧气/二氧化碳入口1.2.1连通，下端为封闭端。

血浆/预充液出口1.3.3设有聚醚砜过滤膜16、聚乙烯过滤膜或聚乙烯乙烯醇过滤膜，其膜厚为100μm±25μm，膜孔径为0.5μm±0.1μm。中空纤维膜管10

使用时，首先打开氧气/二氧化碳入口1.2.1，然后打开血液/预充液入口1.1.1和血浆/预充液出口1.3.3，并通过血液/预充液入口1.1.1注入生理盐水以预冲洗三合一生物反应器1；再关闭血液/预充液入口1.1.1，在无菌条件下将带有肝细胞微载体悬液从营养液/肝细胞悬浮液入口1.3.1注入反应器1.3，使整个反应器1.3充满微载体细胞悬液；随后将急性肝衰竭猪模型的血液从血液/预充液入口1.1.1引入血浆分离器1.1，血液经过中空纤维束8后，血细胞和部分血浆从血细胞出口1.1.2排出，剩余的血浆在分离泵25的作用下通过器室连接管11进入氧合器1.2内腔，并通过连通孔12进入反应器1.3内腔，最后经血浆/预充液出口1.3.3排出反应器1.3；血细胞出口1.1.2排出的血细胞和部分血浆与血浆/预充液出口1.3.3排出的血浆混合后回输至猪体内，形成一个治疗循环回路。在治疗过程中，氧气/二氧化碳入口1.2.1向氧合器1.2内腔充入气体，气体从透气纤维膜管9上端进入透气纤维膜管9内，由于透气纤维膜管9置于氧合器1.2内腔，从而在保证一定的溶氧、pH(二氧化碳调节)的情况下，可以维持血浆的循环治疗长达数十个小时，结束治疗，Kaplan-Meier生存分析显示此治疗可以显著延长受试动物的存活时间。

治疗开始，肝衰竭病人的血液引出体外后，由血液/预充液入口1.1.1进入四合一式生物人工肝在线监测与恒温加热一体系统，血液进入三合一生物反应器1中解毒，解毒完后经血液回输口7返回至患者或实验动物体内。

治疗进行中，由生化监测装置13利用其两端的上游理生化指标探测头13.3、下游理生化指标探测头13.4分别监测进出三合一生物反应器1的血浆中胆红素、氨、肌酐、尿素氮、肝酶、白蛋白、血红蛋白、红细胞、白细胞等生化指标的变化，监测控系统13.1即时获取和处理所监测数据，并通过信号反馈系统13.2对整个系统进行反馈以实施控制。

治疗结束后，将使用过的耗材进行处理；将聚醚砜过滤膜16、血液管路等从人工肝机设备上取下且按照医院设施的废弃步骤予以废弃。