专利名称：一种生物反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种生物反应器，特别涉及一种用于临床实验的杂化(或生物)人工肝体外支持系统生物反应器。
背景技术：
目前在用于临床实验的杂化(或生物)人工肝体外支持系统中使用较多的是中空纤维生物反应器。其结构和原理就是血液透析器。只是膜材料和孔径的选择有所不同。由半透膜制成的中空纤维被密封在柱型容器之中，这样就形成了内外腔。被培养肝细胞和流经的患者血液分别在这两个腔体之中，借助半透膜进行双向物质交换。
中空纤维生物反应器由于其结构的限制可容纳细胞数量较少，难以满足杂化(或生物)人工肝的治疗需求。在培养过程中由于细胞分布不均匀，交换面积有限和供氧不足等原因，细胞容易沉积于反应器底部结成团块既影响细胞的生长又不利于物质交换。死亡的细胞无法及时排出生物反应器，形成污染物的集积。
在现存的生物反应器系统中无法对被培养细胞的功能活性进行在线测试。而被培养肝细胞的状态是会直接影响到杂化(或生物)人工肝体外支持作用的效果。
实用新型内容本实用新型的目的是为杂化(或生物)人工肝以及细胞培养研究提供的生物反应器。它避免了中空纤维生物反应器的缺点，利于肝细胞的高密度培养，并可以根据需求对被培养细胞的总量进行扩充。对于从载体上脱落的死细胞，依靠专用装置可以及时地排出生物反应器。控制计算机除了对生物反应器的常规物理量进行检控外，还通过与细胞状态在线定性检测装置的配合实现了对培养罐内被培养肝细胞的实时检测。一旦发现被培养肝细胞功能活性出现异常，就可以及时地提醒操作人员对生物反应器的运行参数进行调整。如果被培养肝细胞的状态继续恶化，本生物反应器从结构上保证了可及时、安全地更换被培养肝细胞。这样就可以从生物反应器使用的肝细胞这个环节上为杂化(生物)人工肝体外支持的疗效提供保障。
本实用新型采用的技术方案本实用新型生物反应器置于一个底部安有转向轮的立式机箱内。机箱的下部放置恒温水浴箱，配气罐、主培养罐和从培养罐置于恒温水浴箱的恒温槽内。机箱的中部放置蠕动泵和交换柱。机箱内上部放置控制计算机，用于系统控制。除泡罐被置于机箱外的顶部，用于消除当气体溶于培养液时在配气罐内产生的泡沫。
配气罐与除泡罐之间、配气罐与主培养罐之间、主培养罐与从培养罐之间分别装有蠕动泵和硅胶导管，硅胶导管嵌入蠕动泵头的管槽内，分别把配气罐与除泡罐，配气罐与主培养罐、配气罐与主培养罐连接起来。置于机箱中部的蠕动泵工作时，泵头主动轮的旋转使泵头上安装的滚轮周而复始地压紧和放松泵头管槽内的硅胶导管，使管内产生负压，这样就从输出容器中吸取液(气)体源源不断地送到接收的容器中。
本实用新型中，配气罐与培养罐之间构成一个培养液的循环，在此循环内完成对培养液溶氧和酸碱度的调控。与此同时，培养罐与交换柱之间形成另一个培养液的循环，在此循环内完成培养液与患者血液/血浆内目标物质的交换。
在配气罐上固定有不锈钢上端盖，在此上端盖上沿圆周安装泡沫出口接头、进气管集成部件、抽液接口集成部件和加气管集成部件。在主培养罐的不锈钢上端盖上沿圆周安装溶氧仪集成部件、温度计接口集成部件、取死细胞接口集成部件、酸碱度计接口集成部件、进液接口集成部件。在主培养罐内安放上吊篮集成部件和下吊篮集成部件。在上、下吊篮集成部件之间的空间内放置用于被培养肝细胞贴附的载体，被培养肝细胞在此空间内存活。
为给被培养肝细胞建立适宜的存活环境，在配气罐内空气、氧气、二氧化碳气和氮气在系统计算机控制之下按照需求溶入培养液之内。伴随气泡的破裂而产生的泡沫，通过连接在配气罐与除泡罐之间的乳胶管道被送入除泡罐。在除泡罐内，从中心喷管内喷出的气流把泡沫推向环型壁网。在压力的作用下泡沫破裂，泡沫内的气体从除液罐顶溢出。泡沫破裂后的液体在除液罐底部汇集，并在蠕动泵驱动之下被送回配气罐。酸碱度适宜并饱含氧分子的培养液在蠕动泵驱动之进入培养罐。
被培养肝细胞存放于主培养罐内。并可根据人工肝体外支持或实验的总细胞量需求决定是否需要在从培养罐内也放入被培养肝细胞。当从培养罐内也放入被培养肝细胞时，培养液由主培养罐的培养液循环管路一起提供。
温度、溶氧和酸碱度传感器安放于主培养罐之内，实时监测其变化。细胞状态在线定性检测装置可以通过接于培养罐与交换柱连接硅胶导管之上的三通接头吸取定量的培养液进行分析。及时反映培养罐内被培养细胞的状态，并将测试结果传给系统计算机。系统计算机将及时地提醒操作人员对生物反应器的运行参数进行调整。
交换柱选用常规血液净化设备内的透析器，它由成百上千根多孔空心毛细纤维管组成。中空纤维呈平行排列，置于圆柱型密封仓内，在纤维管半透膜内外形成两个独立的腔隙，即管内腔和管外腔。当分别流通过内外两腔的液体中物质分子量小于半透膜的分子截流量时，就可以进行双向物质交换。含有被培养细胞产物的培养液在蠕动泵的驱动下从培养罐被输送入交换柱的内腔，患者的血液/血浆送入外腔。当半透膜孔径选在0.2μm时分子截流量在50-100KD。这样可以保障由被培养细胞合成分泌的有益活性物质，如白蛋白、凝血因子、肝再生因子等能补充到病人的体内，发挥杂化(生物)人功肝的生物合成功能。同时有利于患者体内的代谢产物、毒性物质由在培养罐内的被培养肝细胞摄取、转化、代谢、发挥杂化(生物)人工肝转化与解毒代谢功能。半透膜孔径的选取限制大分子的免役球蛋白透过，一方面可使被培养肝细胞免受患者免疫系统的影响，另一方面可阻止被培养肝细胞产生的异种蛋白进入患者血液循环，避免发生过敏或排异反应。
本实用新型使用恒温水浴箱作为配气罐和培养罐的恒温设备，亦可用带有温控器的电热丝包裹在罐体外部达到恒温目的。使用恒温水浴箱时，配气罐和培养罐的罐体可用对肝细胞无毒副作用的一次性塑料或硼硅玻璃制成。当选用带有温控器的电热丝包裹在罐体外部达到恒温目的时，配气罐和培养罐只能采用硼硅玻璃制成的罐体。
本实用新型可使操作人员能够及时掌握被培养肝细胞的状态。通过对本实用新型生物反应器的运行参数进行调整，使被培养肝细胞的功能活性处于最佳状态达到保障杂化(生物)人工肝体外支持疗效的目的。
本实用新型的有益效果1、结构上采用了分罐的形式，减小了由于气泡爆裂对被培养肝细胞的影响。
2、培养液双循环的流通方式以及交换柱的应用避免了被培养肝细胞与患者血液/血浆的直接接触，使得被培养肝细胞在可以得到更好的供氧和营养物质的同时又可避免患者免疫系统的影响。
3、从载体上脱落的死细胞可以及时地排出培养罐，避免了有害物质在生物反应器内的集积。
4、被培养细胞的总量可以根据需要方便的调整，容易放大或缩小。特别是当对患者肝脏进行体外支持过程中有更换被培养肝细胞需求时，操作方便。
本实用新型用于体外杂化(生物)人工肝时，它作为核心部件，可以更好地发挥人工肝支持与治疗作用。特别是当支持治疗过程有更换生物材料需求时，此分体结构方便操作。本实用新型也可以作为实验室的研究设备，进行细胞培养实验、细胞载体实验和提取细胞产物。
图1为本实用新型的系统构成示意图；图中1配气罐；2主培养罐；3从培养罐；4交换柱；5除泡罐；6废液罐；7细胞状态在线定性检测装置；81、82、83、84蠕动泵；9气体；10泡沫；11培养液；12患者血液/血浆；图2为配气罐示意图；图中201.泡沫出口接头202.进液管集成部件；203.抽液管集成部件；204.回液接口集成部件；205.加气管集成部件；206.不锈钢上端盖；图3为主培养罐示意图；图中301溶氧计接口集成部件；302温度计接口集成部件；303取死细胞接口集成部件；304pH计接口集成部件；305进液接口集成部件；306上吊篮集成部件；307下吊篮集成部件；图4为机箱安装示意图；图中401放置恒温水浴箱位置；402安装气体接口位置；403放置蠕动泵位置；404放置交换柱位置；405放置计算机位置；406放置除泡罐位置；407放置废液罐位置；408折叠托板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，配气罐1、主培养罐2、从培养罐3和交换柱4组成本实用新型生物反应器。本实用新型生物反应器置于一个底部安有转向轮的立式机箱内，如图4所示。图4中，机箱的最下部是放置恒温水浴箱的位置401。配气罐1、主培养罐2、和从培养罐3置于恒温水浴箱的恒温槽内。蠕动泵81、82、83、84安装于机箱的中部放置蠕动泵处403。交换柱4安装于机箱的中部放置交换柱处404。计算机安放在机箱内的上部放置计算机处405。除泡罐5安放在机箱外的顶上部放置除泡罐处406。
如图1所示，配气罐1与除泡罐5之间用硅胶导管相连。除泡罐5用于消除当气体9溶于培养液时在配气罐内产生的泡沫10。泡沫10在除泡罐5中破裂后，形成的培养液11在除液罐5底部汇集，并在蠕动泵81驱动之下被送回配气罐。配气罐1与主培养罐2之间用硅胶导管相连，硅胶导管嵌入蠕动泵82泵头的管槽内。主培养罐2与从培养罐3之间用硅胶导管相连。主培养罐2与交换柱4之间用硅胶导管相连，硅胶导管嵌入蠕动泵84泵头的管槽内。废液罐6与主培养罐2之间用硅胶导管相连，硅胶导管嵌入蠕动泵83泵头的管槽内。废液罐6安放在图4机箱下层放置废液罐处407。细胞状态在线定性检测装置7安放在机箱中部的折叠托板408上。
图2是配气罐1示意图。配气罐1罐体是中空圆柱型玻璃罐，在配气罐1上固定不锈钢上端盖206。在此端盖上沿圆周安装泡沫出口接头201、进液管集成部件202、抽液管集成部件203、回液接口集成部件204、加气管集成部件205。
图3是主培养罐2的示意图。主培养罐2罐体是中空圆柱型玻璃罐，在主培养罐2上端口固定不锈钢上端盖。在此上端盖上沿圆周安溶氧计接口集成部件301、温度计接口集成部件302、取死细胞接口集成部件303、pH计接口集成部件304、进液接口集成部件305。在主培养罐内先放入下吊篮集成部件307；然后再放入上吊篮集成部件306。
本实用新型的工作原理和过程如下述。
如图1所示，配气罐1与主培养罐2之间构成一个培养液的循环，在此循环内完成对培养液溶氧和酸碱度的调控。与此同时，主培养罐2与交换柱4之间形成另一个培养液的循环。在此循环内完成培养液与患者血液/血浆内目标物质的交换。为了调控系统内培养液的溶氧度和酸碱度，将空气、氧气、二氧化碳气和氮气按照一定的比例混合后的气体9送入配气罐1内。伴随气泡破裂产生的泡沫10被送入除泡罐5除泡。酸碱度适宜并饱含氧分子的培养液11在蠕动泵驱动之下被送入培养罐2。被培养肝细胞存放于主培养罐2或从培养罐3内。细胞状态在线定性检测装置7可以通过接于主培养罐2与交换柱4连接硅胶导管之上的三通接头吸取定量的培养液进行分析。及时反映培养罐内被培养细胞的状态，并将测试结果传给系统计算机。
系统计算机将根据检测到的数据通过执行机构对生物反应器的物理环境进行调控。含有被培养细胞产物的培养液11在蠕动泵84的驱动下被输送入交换柱4的一个腔体，患者的血液/血浆12送入另外一个腔体。在这里借助半透膜进行双向物质交换。培养罐内从载体上脱落的死细胞可以在蠕动泵81的驱动下排入废液罐6避免在培养罐内形成污染物的集积。
权利要求1.一种生物反应器，包括配气罐[1]、细胞培养罐、交换柱[4]、废液罐[6]，其特征在于还包括除泡罐[5]、恒温水浴箱、蠕动泵[8]，细胞培养罐包括主培养罐[2]和从培养罐[3]、计算机、交换柱[4]和细胞状态在线定性检测装置[7]；恒温水浴箱放置在底部装有转向轮的立式机箱内的最下部，配气罐[1]、主培养罐[2]和从培养罐[3]置于恒温水浴箱的恒温槽内，机箱的中部放置蠕动泵[81]、[82]、[83]、[84]和交换柱[4]，机箱内上部放置计算机，机箱外的顶部放置除泡罐[5]；配气罐[1]与除泡罐[5]之间用硅胶导管相连，并装有蠕动泵[81]；配气罐[1]与主培养罐[2]之间用硅胶导管相连，并装有蠕动泵[82]；主培养罐[2]与从培养罐[3]之间用硅胶导管相连；主培养罐[2]与交换柱[4]之间用硅胶导管相连，并装有蠕动泵[84]；废液罐[6]与主培养罐[2]之间用硅胶导管相连，并装有蠕动泵[83]；硅胶导管嵌入蠕动泵[81]、[82]、[83]、[84]泵头的管槽内。
2.按照权利要求1所述的生物反应器，其特征在于配气罐[1]上固定不锈钢上端盖[206]，上端盖[206]上沿圆周安装泡沫出口接头[201]、进液管集成部件[202]、抽液接口集成部件[203]、回液接口集成部件[204]和加气管集成部件[205]；在主培养罐[2]上端口固定不锈钢上端盖，在此上端盖上沿圆周安放溶氧计集成部件[301]、温度计接口集成部件[302]、取死细胞接口集成部件[303]、pH计接口集成部件[304]、进液接口集成部件[305]，主培养罐[2]内底部为下吊篮集成部件[307]，下吊篮集成部件[307]之上为上吊篮集成部件[306]。
3.按照权利要求1所述的生物反应器，其特征在于所述的恒温水浴箱亦可用带有温控器的电热丝包裹在罐体外部替代。
4.如权利要求1或3所述的生物反应器，其特征在于使用恒温水浴箱时，配气罐[1]和培养罐[2]、[3]的罐体用对肝细胞无毒副作用的一次性塑料制成；使用带有温控器的电热丝包裹在罐体外部达到恒温目的时，配气罐[1]和培养罐[2]、[3]的罐体制作材料为硼硅玻璃。
专利摘要一种生物反应器，涉及用于临床实验的杂化(或生物)人工肝体外支持系统生物反应器。主要由配气罐[1]、主培养罐[2]和从培养罐[3]和交换柱[4]组成。配气罐[1]与主培养罐[2]之间用硅胶导管相连，并装有蠕动泵[82]；主培养罐[2]与交换柱[4]之间用硅胶导管相连，并装有蠕动泵[84]；硅胶导管嵌入蠕动泵[81]、[82]泵头的管槽内。配气罐[1]与主培养罐[2]之间构成一个培养液的循环。主培养罐[2]与交换柱[4]之间形成另一个培养液的循环。在本实用新型中，患者的血液与被培养细胞没有直接接触。在培养过程中可根据需要增加或更换细胞培养罐。罐体由恒温水浴箱保持恒温。本实用新型生物反应器内细胞培养的环境可由计算机调控。
文档编号A61B17/00GK2761164SQ20042012103
公开日2006年3月1日 申请日期2004年12月30日 优先权日2004年12月30日
发明者李明, 霍荣龄, 刘剑蜂, 项红生 申请人:中国科学院电工研究所