专利名称：多组纤维管均匀分布的多功能中空纤维膜管生物反应器的制作方法
技术领域：
本发明属于生物工程技术领域的生物反应器技术，主要涉及动物细胞 (杂交瘤，CHO ， SP2/0 , NSO等悬浮生长细胞和肝，肾细胞等附着生长细胞)大规 模培养；具体涉及一种由二到四组中空纤维膜管均匀混合平行排列构成的多功能中 空纤维膜生物反应器。
背景技术：
中空纤维生物膜反应器应用于动物细胞培养已有30多年的历史
(Knazek RA等，Science 1972; 178(56):65-6 ;授予给Knazek RA等的美国专利 US3821087 ， US3883393 , US4184922 ， US4200689和US4220725 )。其基本结构是 将成束的直径约为200-400微米，具有半透性的中空纤维膜管封闭于有限空间的塑料 或其它材料的容器内；中空纤维膜管的两头开口于容器的两端与外界相通，形成两 个工作空间，即毛细管内空间(intracapillary space ， ICS )和纤维膜管外壁与容器内 壁形成的毛细管外空间(extracapillary space, ECS ) 。 ECS通过容器管壁上的两个开 口与外界相通。通常ICS用作灌流液体培养基，而ECS用于培养细胞。由于中空纤 维膜管生物反应器在相对小的空间内提供极大的表面积用于液-液相交换、气-液相交 换或分离过滤等，被广泛应用于血液透析、血液气体交换和大规模细胞培养等。在 用于动物细胞培养时，其优点在于能模拟生物组织的三维结构形式，在有限的空间 内提供极大的交换面积，让细胞均匀分布并有效地获得生长所需的营养物。在培养 的细胞以及细胞产生的目的产物与提供营养的培养基之间，有特定截流孔径(小于 目的产物)的半透性中空纤维膜分隔，细胞受到的培养基灌流产生的剪切力大大降 低。通过培养基循环将营养物和氧气透过中空纤维膜不断提供给细胞，同时将细胞 代谢的有害产物和二氧化碳带走，使细胞始终处于良好的生长环境中。培养的细胞 密度可高达108/ml以上，远远高于细胞瓶静止培养(0.5-lxl06/ml )和搅拌悬浮培养 (0.2-1X 107/ml )。是目前最接近动物组织细胞密度的体外细胞培养系统。
相对动物组织的血液循环系统而言，这种经典结构的中空纤维膜生物反应器有 两大缺陷。其一，纤维膜管在容器内相对分布不匀，成束的柔性毛细纤维膜管难免 互相纠缠，在微局部形成灌流死腔(即超过营养物弥散有效距离的空间)或无效灌
流(没有或极少细胞分布的纤维管区)。其二 ，灌流效率低下，供氧灌流相对不足。由 于仅用单一的循环培养基作为介质，通过弥散(Diffusion )或对流(Convection)的方 式将各种细胞生长所需的营养物，包括水易溶性的葡萄糖、氨基酸、维生素和矿物 盐等，以及水难溶性的脂肪酸、胆固醇和氧气等传递给细胞。而不同性质的营养物 在水性培养基中的溶解度相差极大，被传递的效率大不相同。因此，经典结构中空 纤维生物反应器为了满足细胞生长代谢的最低需要，只能按传递效率最低的营养 物，比如氧气的需求来确定循环培养基的灌流量。通常按单位体积细胞计算的灌流 量远大于动物组织的血流量。而这样的灌流量对于水易溶性小分子营养物如葡萄糖 和谷氨酰胺等来说，则大大超过了需要。造成了供氧灌流相对不足，同时水溶性小 分子营养物灌流过剩的低效率灌流。如普通培养基在37° C —个大气压(氧分压 155mmHg )下只能溶解5-7微克/ml左右的氧，仅够106个杂交瘤细胞一小时的消 耗。按培养2xl()H个细胞每小时消耗1克氧气计算，需要至少5升/分钟以上循环培 养基灌流量以及高效的气体交换器才能满足供氧。而按2xl011个细胞每小时消耗4-10克葡萄糖计算(Miller等，J. Cell. Physiol. 1987， 132:524-530; Wohlpart等， Biotechnol. Bioeng. 1990, 36:630-635 )，最多不到0.5升/分钟的培养基灌流量即可。 Piret JM等(Biotech.Adv. 1990; 8:763-783 )在测定经典结构中空纤维膜生物反应器的 轴流向(axial )乳酸、氨和氧的浓度梯度时发现，如果降低培养基灌流量到额定量 的1/8 ( 12ml/100ml ),灌流培养基中的氧几乎耗尽，流出培养基中氧含量降到空气 氧分压的9% ;而同样条件下乳酸和氨的积聚分别限制在1和0.3mmol/L以下，pH仅 下降0.05 ，几乎可以忽略。
动物组织的血液循环系统因为有红细胞中的血红蛋白作为载体，极大地提高了 血液的携氧量和传递效率，在37° C—个大气压下，空气中氧气在1毫升水溶液中只 能溶解5-7微克，而同样条件下在血液中可溶解90微克，高IO倍以上。 一些水难溶 性营养物如胆固醇、类固醇激素和脂肪酸等则可以与载脂蛋白结合或乳糜颗粒的形 式输送，提高了传递能力。另外动物的循环系统还包括淋巴循环，使血液循环除了 通过经毛细管壁弥散外，还通过血浆和组织液的对流作用，有效地将大分子营养物 传递给外周组织细胞。其液体流向是从毛细血管流向组织细胞，经毛细淋巴管，淋 巴管再回到血循环。
为了更好地模拟动物组织营养供应和清除代谢产物的循环系统，制备性能更好 的中空纤维生物反应器，人们通过采用新的高通透性纤维膜材料(如改性聚砜)、 管径更小(200-300微米)和管壁更薄(20-30微米)的中空纤维膜管来缩短营养物的弥散距离，提高营养物的传递效能；或增加中空纤维膜管的装填量(容器容量的 50% )来减少灌流死腔；或通过设计造成中空纤维膜管间的压力差来形成纤维膜管间 的营养液对流，模拟动物组织的淋巴循环；使营养物的传递更有效，分布更均匀 (Knazek RA等，美国专利号US4184922, US4200689; Kiuchi Masayuki等，日本专利 号JP3103170 )。或在灌流培养基中加入氧载体如牛红细胞、血红素或 Perfluorocarbon等来提高灌流培养基的载氧量(国际专利号WO9527041; Sullivan JP.
等，Biotechnol Bioeng, 2005; 93(2):306-317; Arifm and Palmer, Biotechnol Progr., 2003; 19(6):1798-1811; Eike and Palmer, Biotechnol Progr,， 2004; 20:1225-1232; Nieuwoudt MJ 等，Artif Organs 2005; 29: 915-8)。这些方法在一定程度上改善了氧的供应，但同时
也增加了应用成本和复杂性。而且并未从根本上解决细胞培养特别是高耗氧量的细 胞，如原代肝细胞培养的供氧问题。
传统结构中空纤维生物反应器的灌流营养培养基中所含的氧气和代谢产生的 C02 ,需通过另外的气体交换装置提供或释放，如串联在培养基灌流系统中的透气硅 胶管或透气硅胶薄膜制成的气体交换器或另一个仅供换气用的中空纤维生物反应 器。这种由灌流培养基作载体的间接气体传递方式效率低下，除了上述的氧气在水 性培养基中的溶解度低外，氧气需先经气体交换装置溶入培养基(有换气效率的限 制)，然后由培养基循环通过中空纤维膜弥散到ECS。加上此类中空纤维膜管上的 孔径必须小于细胞分泌的产物，如单克隆抗体，在结构上使得膜的气体弥散能力受 到限制。因此，氧在水溶液培养基中的溶解度低，氧需先经气体交换装置溶入培养 基以及纤维膜管气体弥散能力受限是经典结构中空纤维膜生物反应器供氧灌流不足 的主要原因。也是增加制造成本和系统装置复杂性的重要因素。
为了解决经典结构中空纤维膜生物反应器供氧不足的问题，人们设计了一些新 型的中空纤维膜管生物反应器，共同点都是采用中空纤维膜管直接给ECS中的细胞 供氧。第一种类型的设计，是在同一生物反应器内平行或交叉安装两组中空纤维膜 管系统(Mullon等，美国专利号US6680166 ; Goffe RA.,美国专利号US5622857 ),
分别用于灌流空气和培养基，为ECS中培养的肝细胞提供空气交换和营养。但这类 生物反应器制备时两种中空纤维膜管成束状分开或分区排列，而非均匀混合排列分 布，导致反应器ECS内容物(包括细胞、培养基营养和氧气等)分布不均，有较大 范围灌流死腔(即超过营养物弥散有效距离的空间)是其致命缺陷。特别是设计成 大尺寸反应器时，这种缺陷更为显著。因为在动物组织以及体外细胞培养包括在中 空纤维膜生物反应器培养的研究表明，从毛细血管或中空纤维膜管到组织细胞，或
球团状细胞集落的表面到中央，氧的最大有效弥散距离为200-300微米(Mueller-Klieser W.， Biophys J. 1984; 46:343-348; Freyer JP and Sutherland RM.， Cancer Research, 1986; 46:3504-3512 )。所以，中空纤维膜管在容器内的分布均匀度(指单位体积内
的分布机率)应在300微米之内。而此类反应器的不同组纤维管之间的距离在数毫
米以上，故此种类型的反应器虽然获得专利多年，但至今尚未商品化或在研究中被
广泛应用。
第二种类型的设计有三组中空纤维膜管，分层成垂直交叉和90度平面交叉，形 成三维立体结构(Gerlach JC.,美国专利号US5516691 ， Gerliach JC等， Hepatology ， 1995 ， 22 : 546-52 ; J Invest Surg 2003 ， 16:83-92 ; Gesine P等， Artificial Organs , 2006 ， 30 : 686-94 )。其中两组用于灌流培养基，一组灌流气体。 理论上可有效解决供氧和营养物均匀分布问题，实际应用时可维持400-500克原代肝 细胞培养21天以上。表明直接气体灌流设计的有效性。但此专利设计中没有在微尺 度上(300微米以下)对纤维膜管分布的处理，三维交叉编织的纤维管难以均匀控制 管间距离，容易发生无效灌流区(即无或极少细胞分布的纤维管区)和灌流死腔；由 于三维编织的纤维管形成的空间阻碍使细胞难以在ECS中均匀接种，需要特置的细 胞接种分布管帮助接种细胞。这种中空纤维膜生物反应器实际制备的难度很大，生 产成本高昂。此专利授权后20年仍未见商品化。
第三种类型的设计采用同心圆套管的方式，将直径大小不同长短不一的2-3根纤 维膜管套在一起，分别开口于不同的分隔腔，形成2-3个管壁间的空间以及最小纤维 膜管内空间(Martinez等，美国专利号US6582955 ; MacDonald等，美国专利号 US6979308 )。使用时在其中一个管壁间空间培养细胞，其它管壁间空间以及最小纤 维膜管用来灌流培养基和空气。这类设计的优点是可以根据需要限定管壁间的距 离，满足不同的弥散需要；同时灌流培养基和空气，有效地给细胞供氧。但这类设 计的缺点也是明显的1.制备这样的反应器工艺设备要求极高，各纤维膜管的定位 需要精确到50微米以内。因此制备成本高，难以增加纤维膜管的数量，扩大反应器 的尺寸到实用规模。2.如果采用的是柔性的塑料纤维膜管，几乎不可能在套管的全 程让其中的各纤维膜管都保持相同的距离。实验已证明即使在纤维膜管为9厘米长 的反应器，在接种肝细胞、灌流培养基和空气后，内套纤维膜管即出现偏心现象， 导致弥散距离不匀(Macdonald JM等，NMR in Biomedicine,1998, 11:55-66 )。比如供 细胞培养的管间间隙设计为200微米，但接种细胞和灌流培养基后形成内套纤维膜 管的偏心分布，使弥散距离最大可增加到400微米。3.在细胞接种口到纤维膜管内
之间存在死腔。同样这类专利虽授权多年，但仍未能商品化。
至今为止，所查到已公开的与本专利有关的中空纤维膜管生物反应器中国专利 文献如下。已授权的发明专利有ZL00134185.5;实用新型专利有，ZL92219587.0 ， ZL03235092.9, ZL03235093.7 , ZL01267249.1;发明专利申请公开说明书，申请号 200410093526.5。上述这些专利或专利申请的中空纤维膜生物反应器均为单_中空纤 维膜管构成，没有采用整合供气纤维膜管直接为ECS提供气体交换的设计。对经典 结构中空纤维膜生物反应器的上述两大缺陷，没有实质性的改进。
另外，还有一些类似的中空纤维膜生物反应器结构的专利，如授予Baurmeister U等的美国专利US 6271023和授予Jauregui HO等的美国专利US5043260 ,采用两 组或两组以上不同组中空纤维管分层排列的结构，各组纤维管分别灌流不同的液 体。其中US 6271023专利设计与细胞培养无关；而US5043260专利被设计用于培养 肝细胞。这些专利如用于细胞培养时，在结构上有如下缺陷其一 ，这两个专利设 计均没有通气用纤维管，有供氧灌流效率低的问题；其二 ，这两个专利设计均采用 容器两端的"Y"结构或多个分叉的结构为不同组纤维管开口与外界沟通，这种结构的 缺点是在两组或多组纤维管交叉处形成了灌流死腔；同吋这种交叉分组的方式只适 于少量纤维管的反应器，增加纤维管的数量时制备工艺上将很难实现；其三，这两 个专利设计均没有限定和维持容器内纤维管间距离和位置的方法。
综上所述，迄今为止的商品化中空纤维生物反应器(圆柱形或方柱形)，在结 构上纤维膜管分布不匀，存在灌流死腔和无效灌流。由于采用在中空纤维膜管内空 间(ICS )以灌流培养基为载体间接地为中空纤维膜管外空间(ECS )的培养细胞供 氧的方式，导致供氧效率低，细胞相对缺氧的缺陷。因此限制了此类中空纤维生物 反应器的尺寸放大，以及增加了系统的制造成本和系统装置的复杂性，如需要额外 的气体交换装置和大流量液体泵。也限制了此类中空纤维生物反应器在培养高耗氧 量细胞，如培养原代肝细胞以及构建人工肝等方面的应用。现有的其它一些专利设 计(美国专利号US5516691 , US5622857 ， US6680166 )，例如由2-3组中空纤维膜 管构成的生物反应器，由不同组纤维膜管通气和灌流培养基。这些设计或者由于两 组纤维膜管未能均匀混合分布，导致在ECS中形成营养和氧气分布的死腔；或者制 备难度大，不能控制管间距离，存在无效灌流区和灌流死腔。而同心圆套管式中空 纤维膜生物反应器(美国专利号US6582955 , US6979308 ),由于制造困难成本高， 难以制备实用规模的生物反应器；以及现有的反应器模型在实际培养细胞和灌流时 存在不能保持套管间均匀距离的缺陷，应用前景不被看好。另外，现有的中空纤维膜生物反应器没有均匀传递病毒或外源性基因的设计，很 难对所培养的细胞特别是贴壁细胞均匀感染病毒或转染外源性基因，限制了此类生 物反应器在大规模病毒制备和基因工程蛋白表达制备等方面的应用
发明内容
本发明公开了一种由二到四组中空纤维膜管平行地按一定比例规则均匀混 合排列，装填于封闭的圆筒状或方筒状容器内的多功能中空纤维膜生物反应器及其 制备方法，解决上述现有中空纤维膜生物反应器纤维膜管分布不匀，存在灌流死腔或
无效灌流；以及供氧灌流不足和制备放大困难等缺点。并且增加了均匀传递病毒或 外源性基因，感染或转染培养细胞的功能。
本发明为解决上述现有中空纤维膜生物反应器的缺点和实现均匀传递病毒或外 源性基因功能所采取的技术方案是(1 ).均匀混合平行排列的二到四组长度不同 的中空纤维膜管，在容器的两端或侧壁有独立的开口 ；各组纤维膜管的毛细管内空 间(ICS )均可与反应器外空间沟通；各组纤维膜管的外壁与容器内壁之间形成一个 共同的毛细管外空间(ECS ),设计上在ECS内各组纤维膜管均没有分布死腔的存 在。(2 ).在ECS中培养的细胞可同时直接与各组纤维膜管内的灌流物互相作用， 获得所需的氧气和其它营养物；或者用特定组纤维膜管(管壁孔径0.45-1微米)均 匀传递病毒，感染ECS中的培养细胞，或传递外源性基因，转染培养细胞。(3 ). 由于纤维膜管按蜂窝状(六边形)的方式排列，可使其中任何一组中空纤维膜管在 ECS中的最大弥散距离都相同(206到620微米)；根据所培养细胞的营养要求，各 组中空纤维膜管的最大弥散距离可由两端分隔梳板的齿宽度和纤维膜管的管径限 定。用"几何画板"作图软件V. 4.06绘制模拟图并测量计算，如齿宽度为100-200微 米，纤维膜管外径为200-400微米时，由二到三组纤维膜管构成的反应器各纤维膜管 的最大弥散距离约为206-412微米；四组纤维膜管构成的反应器各纤维膜管的最大弥 散距离约为308-620微米。(4 ).各组纤维膜管在容器内按设计分层规则排列，各层 纤维膜管沿纵轴向间隔2-4厘米用1-1.5毫米宽的波纹状聚酯薄片胶粘固定，维持各 纤维膜管之间的位置和纤维管在ECS中的均匀分布。(5 ).本发明的中空纤维膜管 生物反应器，至少有l-2组纤维膜管用于营养培养基的灌流，在2组纤维膜管用于灌 流时，其中一组灌流而另一组引流，在两组纤维膜管之间形成灌流培养基对流，提 高大分子营养物的传递效率；至少有一组纤维膜管用于气体交换，这种直接气体交 换的方式高效均匀，容易调控，从根本上解决现有中空纤维膜生物反应器供氧不足 的缺点；可选用一组纤维膜管用于其它特殊液体的添加或灌流，如添加脂质营养物
或感染病毒和转染外源性基因等。上述不同组的中空纤维膜管可分别采用不同材料 和特性的中空纤维膜管制备。如其中气体交换中空纤维膜管采用膜孔径为0.05-0.1微 米的疏水性聚乙烯管或聚丙烯管等；而培养基灌流中空纤维膜管用截流分子量在5-100KD左右的亲水性聚醚砜管或醋酸纤维素管；感染病毒或转染外源性基因可用膜 孔径为0.45-1微米的纤维膜管。
本发明的中空纤维膜生物反应器与现有的商品或已公开发表的中空纤维膜生物反 应器设计相比，其有益的效果是(1 ) . 二到四组中空纤维膜管均匀混合平行排列
(纤维膜管截面成6边形排列)，形成共同的毛细管外空间(ECS)，没有分布死腔 和无效灌流区；而且各组纤维膜管在ECS中的最大弥散距离(或管间间隔)相同， 使营养物和氧气，或者病毒和外源性基因在ECS中得以有效和均匀的传递；这种设 计除可用于动物细胞培养外，还可用于多因素(2-4个)均匀作用同一对象的化学或 生化反应过程。(2 ).—体化的设计使本发明的中空纤维膜管生物反应器在构建系 统吋无需额外的气体交换装置，而且专用的通气纤维管直接气体交换，传递均匀效 率高，通过调节灌流气体的组成和流速即可有效控制反应器内的氧分压和二氧化碳 分压；采用不同特性的各组纤维膜管分别用于灌流不同的介质，可以同时有效满足 培养的动物细胞对水溶性营养物和脂溶性营养物，以及气体交换(供氧和释放 C02 )的需求，而且对灌流量的要求大大降低(8-10倍)；并可用一组纤维膜管感染 病毒或转染外源性基因等。(3 ).根据培养不同细胞的营养需求，制备反应器时可 以通过调节分隔梳板的齿宽度和纤维膜管的管径来设定纤维膜管的最大弥散距离
(206-620微米)。(4 ).纤维膜管无需亢余装填量即可保证无灌流死腔，纤维膜管 的装填量可减少近10-20% (根据纤维膜管径尺寸不同而变)；相应提高了细胞培养 量10-20% 。 ( 5 ).在制备上以现有的材料和工艺技术容易实现；制备时采用各组纤 维膜管分层规则排列，各层纤维膜管沿纵轴间隔2-4厘米用1-1.5毫米宽，25-50微米 厚的波纹状聚酯片横向胶粘固定，两端嵌入分隔梳板齿间间隙内，逐层封固的工 艺，保证和维持纤维膜管的蜂窝状均匀分布，减少灌流死腔和无效灌流到最低程 度；也使本发明的中空纤维膜管生物反应器尺寸很容易放大到实用规模，如培养300 克以上的肝细胞或1000-2000毫升的杂交瘤细胞，无需特别的灌流系统也不会产生培 养基灌流和气体交换的困难。
附圉说明
图示编号一览表
1二组纤维膜管生物反应器
2三组纤维膜管生物反应器
3四组纤维膜管生物反应器
4纤维膜管
5通气口
6通液口
7三组纤维膜管生物反应器第二通液口
8四组纤维膜管生物反应器第三通液口
9毛细管内空间(intracapillary space ， ICS )
10纤维膜管外壁
11容器内壁
12毛细管外空间(extracapillary space, ECS )
13毛细管外空间开口
14波纹状固定片
15分隔梳板
16齿间间隙
17填充塑料棒
18容器壁分隔梳板槽沟
19分隔梳板齿
20容器筒身
21排管梳
22容器盖板
23容器套头
图1是二(1)、三(2)和四(3)组中空纤维膜管生物反应器的纵切面示意图。 图2是三组中空纤维膜管生物反应器纵切面示意图和不同位置横切面示意图。 图3是三组中空纤维膜管生物反应器各组分结构位置示意图。 图4是分隔梳板和局部放大示意图。
图5是不同组纤维膜管层嵌入分隔梳板齿间间隙叠加排列示意图。 图6是纤维管层用排管梳排列和波纹状膜片固定示意图。
图7是二组纤维管中空纤维生物反应器筒身和盖板示意图。
图8是用"几何画板"作图软件V. 4.06绘制的纤维管分布模拟图，AB间距为分隔 梳板齿宽度；AC间距为二到三组纤维管反应器各组纤维管的最大弥散距离；DE间 距为四组纤维管反应器各组纤维管的最大弥散距离。
具体实施方式
1.两组纤维膜管中空纤维膜生物反应器的制备，以能培养2x10" 杂交瘤细胞的生物反应器为例。容器选用方柱形，边宽70厘米(外径)，筒长30 厘米，壁厚3毫米，用聚碳酯注塑成型。分成U形筒身(20 )和盖板(22 )两部 分，分别留有通气管开口和毛细管外空间(ECS )的开口。 U形筒身两端开放，分 别留有两条深1毫米，宽5毫米的槽沟(18 )，间隔1厘米，供嵌入固定分隔梳板
(15 )用。分隔梳板齿宽150微米，齿间间隙280微米。纤维管外径为280微米， 壁厚30微米；通气纤维管采用聚乙烯或聚丙烯管，管壁孔径0.05-0.1微米；通液管 采用聚醚砜管或聚砜管，管壁截流孔径30Kd。分别将不同组的纤维膜管用齿宽580 微米，齿间隔280微米的两个排管梳(21 )排成单层(4-8倍放大镜下操作)，用 1.5毫米宽，50微米厚的聚酯或其它材质的波纹状膜片(波峰间距860微米，波峰高 140微米)，间隔3厘米从纤维管单层下面，横向胶粘(环氧树脂或聚氨酯)固定纤 维管单层；并按筒身长度分别裁截通气纤维管(28厘米)和通液纤维管(30厘 米)。然后将横向固定的单层纤维膜管两端逐层叠加嵌入分隔梳板相应的齿间隙
(放大镜下操作)，用适量环氧树脂封固。各组纤维膜管两端均长出分隔梳板5毫 米，保证开口不被胶粘剂封闭。先将分隔梳板嵌入固定在筒身槽沟内，再逐层封固 各组纤维膜管层。然后封固盖板和两端带开口的套头。最后分别从各ECS开口和通 气开口注入5毫升环氧树脂或其它封固用树脂，离心法封固确保分隔梳板的隔绝密 封。制好的生物反应器用环氧乙烷或Gamma射线灭菌。
2. 三组纤维膜管的中空纤维膜生物反应器的制备，以构建能培养300克原代猪肝 细胞的的生物反应器为例。容器选用方柱形筒身，边宽(外径)8厘米，筒长31厘 米，壁厚4毫米，用聚碳酯注塑成型。分成U形筒身(20 )和盖板(22 )两部分， 分别留有通气管，通液管和毛细管外空间(EtS )的开口。 U形筒身两端开放，分 别留有三条深1毫米，宽5毫米的槽沟(18 ),间隔1厘米，供嵌入固定分隔梳板 (15 )用。分隔梳板齿宽150微米，齿间间隙330微米。纤维管外径为330微米， 壁厚33微米；通气纤维管采用聚乙烯或聚丙烯管，管壁孔径0.05-0.1微米；通液管
采用聚醚砜管或聚砜管，管壁截流孔径70Kd ,壁厚33微米。分别将不同组的纤维 膜管用齿宽630微米，齿间隔330微米的两个排管梳(21 )排成单层(放大镜下操 作)，用1.5毫米宽，50微米厚的聚酯波纹状膜片(波峰宽960微米，峰高150微 米)间隔3厘米从纤维管单层下面，横向胶粘(环氧树脂或聚氨酯)固定纤维管单 层；并按筒身长度分别裁截通气纤维管(27厘米)，第二组通液纤维管(29厘 米)，第一组通液管(31厘米)。然后将横向固定的单层纤维膜管两端逐层疊加嵌 入分隔梳板相应的齿间隙(放大镜下操作)，用适量环氧树脂封固。各组纤维膜管 两端均长出相应分隔梳板5毫米，保证开口不被胶粘剂封闭。先将分隔梳板嵌入固 定在筒身槽沟内，再逐层封固各组纤维膜管层。然后封固盖板和两端带开口的套 头。最后分别从各ECS开口 ，通气开口和液体灌流口注入5到6毫升环氧树脂或其 它封固用树脂，离心法封固确保分隔梳板的隔绝密封。制好的生物反应器用环氧乙 烷或Gamma射线灭菌。
权利要求
1、一种由多组中空纤维膜管构成的多功能中空纤维膜管生物反应器(1，2，3)。其特征是由一方柱形或圆柱形容器和封装其内的二到四组中空纤维膜管(4)组成；各组纤维膜管在容器侧壁或两端有独立的开口(5，6，7，8)与外界相通；各组纤维膜管内形成独立的毛细管内空间(9)，供灌流不同的介质如营养培养基和气体，接种病毒或转染外源性基因等；各组纤维膜管的外壁(10)与容器的内壁(11)之间形成共同的毛细管外空间(12)，供培养动物细胞以及细胞分泌产物用；毛细管外空间在容器侧壁有开口(13)供接种细胞和收集细胞及细胞产物用。
2、 如权力要求1所述的多种中空纤维膜管构成的多功能中空纤维膜管生物反应器， 其特征是方柱形或圆柱形容器，首选方柱形；由透明或半透明的生物兼容性材料制 备，如聚苯乙烯、聚丙烯、聚氨酯或聚碳酯等，首选聚碳酯。
3、 如权力要求1所述的多种中空纤维膜管构成的多功能中空纤维膜管生物反应器， 其特征是3a. 二到四组纤维膜管，纤维膜管外径为200-400微米，内径为160到320微米，管 壁厚20到40微米；纤维膜管长度为5到40厘米，各组纤维膜管的长度不同，按1.5 到2厘米递增；3b.各组纤维膜管的制备材料和特性不同，通气用纤维膜管选用但不限于聚乙烯管或 聚丙烯管，管壁截流孔径为0.05-0.1微米；通液用管选用但不限于聚醚砜管、聚砜管 或醋酸纤维素管，管壁截流分子量为5到1000kd ;感染病毒或转染外源性基因选用 管壁孔径0.45-1微米的纤维管；3c.各组纤维膜管按设计的管间间隔分层排列，在各层纤维膜管纵轴向每2-4厘米的 间隔用波纹状聚酯或其它材料膜片(14 )横向胶粘固定；不同组纤维膜管层横向固定 位置交替错开0.5到1厘米；固定后的各层纤维膜管两端分别嵌入容器两端的分隔梳 板(15 )的齿间间隙(16 );纤维膜管空缺位置可用塑料细棒(17 )填充，逐层用环 氧树脂或聚氨酯或其它合适封固材料封固。
4、 如权力要求3c.所述的分隔梳板，其特征是分隔梳板选用但不限于聚丙烯制备， 厚3-5毫米，尺寸为1x1到10x10厘米，或直径为1-10厘米；分隔梳板的左，右侧 边和底边为0.5-1.5毫米的实边，嵌入容器管壁相对应的槽沟(18 )内而被固定位置； 分隔梳板的齿(19 )宽为100-200微米，齿间间隙为200-400微米。
5、 如权利要求3c.所述的波纹状膜片，其特征是用1-1.5毫米宽，25-50微米厚的 聚酯或其它生物相容性塑料制备，波峰间距为2x (齿宽+纤维管外径)，波峰高为1/2 到2/3纤维管外径。
全文摘要
一种多组中空纤维膜管构成的生物反应器及制备工艺。涉及用于动物细胞大规模培养的中空纤维膜生物反应器。特征是二到四组中空纤维管均匀混合平行排列封装于圆筒状或方筒状容器内，长度不同的各组纤维管两端管口通过分隔梳板分隔开，在容器侧壁或两端有各自独立的开口与外界相通。制备时各组纤维管分层规则排列，两端嵌入各组分隔梳板并用树脂逐层封固；各层纤维管按一定间隔用波纹状塑料条片横向胶粘固定，维持设定的纤维管间距和均匀分布。各组纤维管内形成独立的毛细管内空间，可分别用于灌流培养基和气体等不同介质，或接种病毒和转染外源性基因；均可直接作用于共同的供培养动物细胞和细胞分泌产物用的毛细管外空间，并具有相同的最大弥散距离。
文档编号C12M1/12GK101096639SQ200710028039
公开日2008年1月2日 申请日期2007年5月16日 优先权日2007年5月16日
发明者波 宁 申请人:波 宁