中空纤维交换器及中空纤维交换式培养系统的制作方法

本发明属于细胞培养领域，具体涉及中空纤维交换器及中空纤维交换式培养系统。

背景技术：

生物治疗技术是一项在上世纪末新兴的分子及细胞生物学技术，其应用于生物免疫治疗具有很好的效果及应用前景。近年来，随着生物免疫疗法相关技术内容的快速拓展，其中将免疫细胞用于治疗的部分技术开始逐步地实用化，美国、欧洲、日本等国家的已有部分细胞治疗产品成功地通过药品批准正式进入临床使用。生物免疫疗法是从患者体内包括血液中收集并提取的免疫细胞，经过特异性抗原负载或转基因技术改造、体外扩增培养后，回输入患者本人的体内，通过大幅增强肿瘤识别及杀伤功能来抵抗肿瘤的治疗方法。据目前研究表明，生物免疫疗法要实现一定的治疗效果，其治疗疗程中需要回输一定量的细胞，但现有技术扩增培养免疫细胞需要投入大量的人力与时间，且对操作环境及操作人员熟练程度有着较高要求。

细胞大规模培养技术是指在细胞生物反应器或细胞培养工厂中通过人工提供细胞培养扩增的载体及其成长环境条件，从而进行高密度大规模培养细胞用于生产生物制品的技术。该技术现已广泛应用于细胞学、遗传学、免疫学、实验及临床医学等多领域。其原理在于提供给细胞大规模体外培养扩增的必需条件，包括细胞成长的空间条件、液体条件、气体条件、温度条件和洁净条件，具体为特定的细胞培养容器、基础细胞培养液和细胞生长因子、特定的气体浓度、培养液ph值和环境温度等条件。

目前细胞培养法可分为静态培养和动态培养。传统静态细胞培养一般采用细胞培养皿、细胞培养瓶或多孔培养板等在无菌培养室或培养箱中进行培养。静态培养因细胞生长代谢废物易积累，难以实现高密度细胞培养，小规模培养容器由于空间限制只能满足于小规模低密度的细胞培养。而动态细胞培养可在培养容器内更换基础培养液及添加细胞生长因子等，主要采用摇瓶、细胞培养罐或中空纤维等在无菌的环境下进行培养，动态细胞培养多应用于工程细胞株规模化生产以获取其表达的抗体或其他重组蛋白，其培养方式与临床级别的细胞需求仍有较大差距，比如摇瓶培养具有较广的容器开口，普通细胞罐培养则需要在每次生产之前对管路进行清洗和灭菌，存在较高的交差污染风险，再者此类动态培养方式较适用于耐受高速摇床及搅拌桨的工程细胞株，对于原代细胞则要求更为温和的培养条件，与工程细胞株收集表达产物舍弃细胞不同，免疫细胞培养收集细胞为终产品，因此需要细胞始终处于最佳状态。

目前免疫细胞类型可根据细胞生长培养的方式条件分为悬浮细胞培养和贴壁细胞培养两种。现有中空纤维培养系统往往针对某种类型细胞专门整体化设计，其应用范围很窄，通用性不强，且在培养方式上有诸多限制，细胞培养量上无法进一步提升规模，因此市面上适用于免疫细胞培养的培养系统并不多见。而随着国家对免疫细胞治疗监管的规范化势必对自动化封闭式的免疫细胞培养系统提出了更高的要求。

cn100337698c涉及一种离体式人工肝细胞支持装置，该支持装置专用于血液的特异性解毒代谢与生物作用，该支持装置包括培养液循环流动机构和患者血浆循环流动机构两部分，装置将少量正常人血浆在离开人体的情况下，通过反应器中高活性肝细胞对患者血浆进行解毒与净化。但由于其生物支持装置设计仅仅是保证高活性肝细胞对于血液的解毒与净化作用，且其流路设计对于大规模肝细胞在工作时代谢产生的废物交换不完全，大大影响其肝细胞的活性，该装置不能直接适用于大规模高密度的细胞培养。

cn158703a涉及一种微型细胞中空纤维反应器，该装置是将细胞用胶原凝胶包埋在中空纤维丝内，再将纤维丝放入由透气硅胶材料制成的硅胶管中，两端由透气硅胶塞封死。该装置借助纤维丝的传氧和传质能力，能够将细胞培养至一定的规模，对于药物的研究具有良好的意义。该装置仅适用于小规模的细胞培养，对于大规模高密度的细胞培养难以满足其要求。

cn104321419a涉及一种细胞培养系统和培养方法，该系统是由细胞培养槽、成分调整液存储槽、培养液成分调整部件、灌注部件和其相关连接管路组成。系统通过灌注部件将成分调整液存储槽中的培养液输送至细胞培养槽中进行培养液交换。该系统在考虑到细胞大规模高密度培养时其培养液的重要性，着重设计了培养液的输送和置换方式，但系统中未对细胞培养的类型进行区分设计，且培养时气体交换等其他部分条件并未提及。

cn104017727a涉及一种一次性无菌细胞培养袋培养系统，该装置是由搅拌单元、支架管路、温度控制单元、气路控制单元和控制器单元组成。系统着重针对细胞培养中气体控制部分进行了优化设计，搅拌单元设置有与中空气体分布器一体化设计的搅拌桨叶可有效提高培养溶液中溶氧量，但是搅拌系统本身剪切力比较大，多用于稳定细胞系的工业化大规模生产。

技术实现要素：

本文提供一种用于解决以上所述问题的中空纤维交换式培养系统，能够满足多类型细胞(尤其是免疫细胞)的大规模高密度培养。本文的中空纤维交换式培养系统针对细胞生长增殖所需的容器、液体、气体、温度、无菌性五大环境要素，包括培养容器、密封性的流路系统以及完整的液路置换、气路置换和温度控制。由于细胞生长增殖均在培养液中进行，因此要实现细胞大规模高密度培养，解决培养液中细胞生长代谢废物易累积的问题，液路置换更是重中之重。本发明系统的液路置换主要采用中空纤维对培养容器中的培养液进行持续置换。除液路置换外，本文的系统还拥有良好的气体置换、温控和自动控制系统，对整个培养过程进行实时监控、数据采集和有效反馈，保证培养环境的稳定性，不仅可满足于细胞大规模高密度培养，还具有操作自动化、稳定性好、安全可靠性高、污染风险性小的优点。本文提出的另外一种流路转换式中空纤维交换器，可使得液路置换体积量更大、效率更高，应用更广泛。

因此，本文第一方面提供一种中空纤维交换器，该中空纤维交换器包括外壁管、设置在外壁管内部的中空纤维丝、设置在外壁管两端的密封卡块和端盖、以及接口；

其中，所述密封卡块设置在外壁管两端的端口处的内部，填充所有纤维丝间以及纤维丝与外壁管之间的间隙，与外壁管的内部紧密贴合并起到密封的作用；

所述端盖用于封闭所述外壁管两端，在密封卡块与端盖之间形成纤维丝内缓冲区；

其中，所述中空纤维交换器中，由中空纤维丝的内部空间形成纤维丝内流路空间，在中空纤维丝外壁、外壁管内壁以及密封卡块之间形成纤维丝外流路空间，所述纤维丝内流路空间与所述纤维丝内缓冲区相连通。

在一个或多个实施方案中，所述中空纤维丝为中空的细丝，壁上具有不能通过细胞的微孔。

在一个或多个实施方案中，所述中空纤维丝与所述外壁管同向布置，不超出所述密封卡块外侧，优选与所述密封卡块外侧齐平。

在一个或多个实施方案中，所述密封卡块设置成不超出所述外壁管两端端口，优选与外壁管两端端口的距离在2～20mm的范围内。

在一个或多个实施方案中，所述接口包括设置在两端端盖上的两个接口，和设置在外壁管靠近两端的位置上的两个接口。

在一个或多个实施方案中，所述中空纤维交换器还包括设置在密封卡块和端盖之间的流路转换卡块。

在一个或多个实施方案中，所述流路转换卡块与外壁管紧密贴合且密封。

在一个或多个实施方案中，所述流路转换卡块上设有分隔区，所述分隔区将流路转换卡块与密封卡块之间的缓冲区划分成纤维丝内缓冲区和纤维丝外缓冲区。

在一个或多个实施方案中，所述纤维丝内缓冲区连通所述纤维丝内流路空间，所述纤维丝外缓冲区通过设置在所述密封卡块上的通孔连通所述纤维丝外流路空间。

在一个或多个实施方案中，所述流路转换卡块上设有呈180°布置的两个通孔，位置分别对应于所述纤维丝内缓冲区或所述纤维丝外缓冲区，用于连通所述纤维丝内缓冲区或所述纤维丝外缓冲区。

在一个或多个实施方案中，所述流路转换卡块上设有流路转换槽，为360°的圆环空间内槽。

在一个或多个实施方案中，设有流路转换卡块的中空纤维交换器中，两侧端盖上均各设置有2个接口，各接口分别具有外侧口与内侧口，外侧口用于连接外部管件，内侧口用于穿过所述流路转换卡块上的所述通孔，连通所述纤维丝内缓冲区或所述纤维丝外缓冲区。

在一个或多个实施方案中，所述内侧口边缘具有凸起的转换边，所述转换边在流路转换时在流路转换槽中转动180°，互换现有接口所连通的纤维丝缓冲区域。

在一个或多个实施方案中，在所述端盖与所述流路转换卡块之间还设有装于弹簧孔中的压紧弹簧，当接口内侧口穿过所述流路卡块的通孔连通于纤维丝内缓冲区和纤维丝外缓冲区时，压紧弹簧会提供预紧力，保证转换边与流路转换卡块的紧密贴合，防止漏液；所述流路转化卡块的后侧边缘还设有弹性卡扣，用于与端盖上设有的卡位配合。

本文第二方面提供一种中空纤维交换式培养系统，包括：细胞培养单元、中空纤维单元、培养液置换单元和气体置换单元，以及连通上述各单元的管路单元和系统总控单元。

在一个或多个实施方案中，所述中空纤维单元包括本文任一实施方案所述的中空纤维转换器。

在一个或多个实施方案中，所述细胞培养单元包括：培养容器，所述培养容器上设置有与中空纤维单元连通的出口与入口，即培养容器出口、培养容器入口；与气体置换单元连通的出口与入口，即气体置换出口与气体置换入口；和任选的传感器安装孔、备选接口和/或设置在所述出口与入口的过滤件。

在一个或多个实施方案中，所述细胞培养单元还包括设置在培养容器出口与中空纤维单元、培养容器入口与中空纤维单元之间的连通管路上的液路驱动装置。

在一个或多个实施方案中，所述细胞培养单元还包括混合容器及其与培养容器连通的连接部件和管路，和/或收获容器及其与培养容器连通的连接部件和管路。

在一个或多个实施方案中，所述细胞培养单元还包括设置在培养容器与混合容器、培养容器与收获容器之间的连通管路上的液路驱动装置。

在一个或多个实施方案中，所述培养容器置于支架上，支架可于一定角度范围内进行摆动。

在一个或多个实施方案中，所述培养液置换单元包括：置换容器，其上设置有与中空纤维单元连通的出口与入口，即置换容器出口与置换容器入口，和任选的备用接口和/或设置在所述出口与入口的过滤件。

在一个或多个实施方案中，所述培养液置换单元还包括设置在置换容器出口与中空纤维单元、置换容器出口与中空纤维单元之间的连通管路上的液路驱动装置。

在一个或多个实施方案中，所述培养液置换单元还包括新鲜培养液容器和/或废液容器，其通过连接部件和管路与置换容器连通。

在一个或多个实施方案中，所述培养液置换单元还包括设置在置换容器与新鲜培养液容器、置换容器与废液容器之间的连通管路上的液路驱动装置。

在一个或多个实施方案中，所述气体置换单元包括气源、混匀器、出气管口及滤件、以及气体管路、流量计与控制阀门；其中，所述混匀器直接连通培养容器的气体置换入口。

在一个或多个实施方案中，所述中空纤维交换式培养系统还包括温度控制单元，该温度控制单元置于能容纳整个培养系统固定夹套中，用来预设、调控和保持培养过程的温度。

在一个或多个实施方案中，所述系统总控单元用于控制该中空纤维交换式培养系统按预先设定的方案运行，执行数据采集、数据分析和数据记录功能，包括控制电路和用户软件。

在一个或多个实施方案中，所述系统总控单元包括显示器，用于控制该中空纤维交换式培养系统按预先设定的方案运行并实时显示该中空纤维交换式培养系统的运行状态。

本文第三方面提供本文所述的中空纤维交换器和中空纤维交换式培养系统在贴壁细胞培养、悬浮细胞培养以及贴壁细胞与悬浮细胞的混合培养中的应用。

附图说明

图1是表示本发明细胞培养系统的示意图。

图2是表示本发明细胞培养系统中采用流路转换式中空纤维交换器后的示意图。

图3是表示本发明细胞培养单元的培养容器5截面图。

图4是表示本发明传统中空纤维交换器的结构(局部剖视1/4)示意图。

图5是表示本发明流路转换式中空纤维交换器的结构(局部剖视1/4)示意图。

图6是表示本发明流路转换式中空纤维交换器的端盖处局部剖视放大图。

图7是表示本发明流路转换式中空纤维交换器的流路转换卡块37结构1/4剖视示意图。

图8是表示实例中dc-cik细胞混合培养的细胞密度变化的图表。

图9是表示实例中dc-cik细胞混合培养的细胞活率变化的图表。

具体实施方式

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成优选的技术方案。

本发明的中空纤维交换式培养系统包括：细胞培养单元、中空纤维单元、培养液置换单元和气体置换单元，以及连通上述各单元之间的管路单元和系统总控单元。

细胞培养单元

细胞培养单元包括培养容器。培养容器用于混合初始细胞、细胞生长因子和初始细胞培养液等，并可用作细胞培养增殖的空间场所。因此，适合用于本发明的培养容器可以是本领域内常见的一次性细胞培养袋或培养瓶等。通常，培养容器用于悬浮细胞的培养。

培养容器上设置有与中空纤维单元连通的出口与入口(称为培养容器出口、培养容器入口)。培养容器中的液体经由该培养容器出口流入中空纤维单元，在中空纤维单元与新鲜培养液交换后，经由该培养容器入口流回培养容器内。培养容器上还设有与气体置换单元连通的出口与入口(称为气体置换出口、气体置换入口)。来自气体置换单元的气体通过该气体置换入口进入培养容器内，置换培养容器中的气体，调节气体成分；气体置换出口则是气体从培养容器中排出的通道。

可在培养容器的培养容器出口与入口、气体置换出口与入口上设置过滤件。过滤件可用于阻隔细胞通过，但允许培养液和/或气体通过。通常，培养容器出口与入口上设置的过滤件允许培养液和气体通过，而气体置换出口与入口上设置的过滤件只允许气体通过。过滤件可直接固定安装于对应接口上，或采用连接卡扣或螺纹的形式灵活地根据用户的实验要求去选择安装或不安装。过滤件的材料可以是能够阻隔细胞且不易粘附细胞于其表面的材料，如聚乙烯、聚醚砜、尼龙、纤维素等，过滤件的平均孔径可在1～10μm的范围内。

培养容器上还可设置有传感器安装孔和/或备选接口。传感器安装孔可用于安装相关监测传感器，如ph传感器和溶氧传感器等，用于检测培养容器内的培养液ph值和溶氧值等环境指标情况。还可根据实际需要安装其他特定类型的传感器。备选接口可用于对接其它相关的容器或加入液体试剂。

培养容器可置于支架上。支架可于一定角度范围内进行摆动，以提供符合悬浮细胞生长的条件，保证培养容器内培养液的成分均匀性，避免局部位置废弃物的浓度过高，提高培养容器内气体与培养液的接触面积。

细胞培养单元还可包括混合容器及其与培养容器连通的连接部件和管路，和/或收获容器及其与培养容器连通的连接部件和管路。混合容器用于存放初始细胞、细胞生长因子和初始细胞培养液，以分别提供给培养容器，或用于混合初始细胞、细胞生长因子和初始细胞培养液等，然后再提供给培养容器。收获容器则用于收集和容纳最后已完成培养的细胞或培养过程中细胞的检测取样。培养容器与混合容器、培养容器与收获容器之间可设有液路驱动装置，用以保证液路的正常流通。

培养液置换单元

培养液置换单元包括置换容器，用于容纳和存储一定量的新鲜培养液。置换容器可以是本领域内常见的一次性细胞培养袋或培养瓶等。置换容器上设置有与中空纤维单元连通的出口与入口，分别称为置换容器出口与入口。置换容器内的新鲜培养液经由该置换容器出口进入中空纤维单元，在中空纤维单元内发生置换，置换后的培养液通过该置换容器入口流回置换容器中。置换容器上还可设有备用接口，用于对接其它相关的容器或加入液体试剂。可在置换容器的置换容器出口与入口上设置过滤件，该过滤件用于阻隔细胞通过，但允许培养液和/或气体通过。过滤件可直接固定安装于对应接口上，或采用连接卡扣或螺纹的形式灵活地根据用户的实验要求去选择安装或不安装。过滤件的材料可以是能够阻隔细胞且不易粘附细胞于其表面的材料，如聚乙烯、聚醚砜、尼龙、纤维素等，过滤件的平均孔径可在1～10μm的范围内。

培养液置换单元还可包括新鲜培养液容器和/或废液容器，它们可通过相应的连接部件和管路与置换容器连通。新鲜培养液容器用于储存新鲜细胞培养液；废液容器则用于回收和存储置换容器中失效的培养液。置换容器中的液体定期回收一部分体积至该废液容器中后，可从该新鲜培养液容器再向置换容器中补充加入相同体积的培养液，以保证置换容器中培养液有效成分的浓度。新鲜细胞培养液容器的设置有利于增大细胞培养液的置换体积，实现多次、分阶段的置换，还便于建立全封闭、全自动的培养(即在预先计算好所需细胞培养液的前提下仅需一次性添加细胞培养液即可)。置换容器与新鲜培养液容器、置换容器与废液容器之间可设有液路驱动装置，用以保证液路正常流通。

置换容器上还可设置任选的备用接口，用于对接其它相关的容器或加入液体试剂。

中空纤维单元

中空纤维单元是完成培养液交换的场所，是液路置换的核心部件，也是用于进行贴壁细胞培养的场所。中空纤维单元包括中空纤维交换器，该中空纤维交换器包括外壁管、设置在外壁管内部的中空纤维丝以及设置在外壁管两端的密封卡块和端盖。端盖在本文中位于外壁管两端的盖子，可以是具有一定深度的敞口盖子，可通过螺纹等方式与外壁管密闭连接。外壁管的材质可为本领域常用于细胞培养的生物相容性材料。中空纤维丝的材质可为生物相容性好的聚丙烯、聚砜、聚丙烯晴或聚乙烯等。

中空纤维丝与外壁管平行同向，为中空的细丝，其壁上布满孔径小于1μm的微孔。微孔的截留分子量可在10kda～1500kda的范围内，可进行小分子物质(如离子、小分子营养物质和气体分子)交换，但微孔不能通过细胞。中空纤维丝的长度范围为50～300mm，纤维壁厚30～50μm，膜内径100～500μm。中空纤维丝的数量不限，可根据实际的生产规模确定，例如可在100～1000根的范围内。

在外壁管两端的端口处内部分别设置密封卡块，密封卡块填充所有纤维丝之间以及纤维丝与外壁管之间的间隙，与外壁管的内部紧密贴合并起密封的作用。密封卡块可采用本领域常用的密封胶形成，包括但不限于环氧树脂、聚氨酯等密封胶。通常，对密封卡块的厚度没有特别限制，可在2～10mm的范围内，与外壁管以及中空纤维丝的外壁紧密贴合，以阻止液体或气体渗滤。

中空纤维丝在长度方向上不超出密封卡块的外侧，优选与密封卡块的外侧齐平。密封卡块的外侧设置成不超出外壁管两端端口，优选与外壁管两端端口的距离在2～20mm的范围内。当如下文所述在中空纤维交换器中设置流路转换卡块时，密封卡块外侧与外壁管端口的距离可更深，例如，可达30mm，以便在密封卡块和流路转换卡块之间留出2～20mm的缓冲区高度。当将端盖装到外壁管上后，在密封卡块外侧与端盖盖面内壁之间形成纤维丝内缓冲区，该缓冲区是液体流动压力均匀化的缓冲区，以保证每根中空纤维丝内的流动压力相同，提高交换器组件液体置换效率和均匀性。在某些实施方案中，端盖在安装到外壁管上之后，其盖面内壁与外壁管端口齐平，从而由该盖面内壁、外壁管内壁以及密封卡块外侧一起形成纤维丝内缓冲区。在密封卡块的外侧与外壁管端口齐平的情况下，则可由端盖与密封卡块外侧一起形成纤维丝内缓冲区。当然，在某些实施方案中，所形成的纤维丝内缓冲区可由外壁管端口侧的一部分内部空间以及端盖的一部分内部空间组成。

中空纤维交换器根据纤维丝内外空间分为纤维丝内流路空间和纤维丝外流路空间，纤维丝内流路空间和纤维丝外流路空间仅通过纤维丝壁上的微孔连通。纤维丝内流路空间与纤维丝内缓冲区相连通。

可在两端的端盖上分别设置连通细胞培养单元的培养容器出口(入口)的接口，在外壁管靠近两端的位置上分别设置连通培养液置换单元的置换容器出口(入口)的接口。从外壁管的俯视图看，外壁管上的两个接口之间的夹角可在0°到180°之间。连通细胞培养单元的培养容器出口的接口通过连接部件和管路与细胞培养单元的培养容器出口相连接；连通细胞培养单元的培养容器入口的接口通过连接部件和管路与细胞培养单元的培养容器入口相连接；连通培养液置换单元的置换容器出口的接口通过连接部件和管路与培养液置换单元的置换容器出口相连接；连通培养液置换单元的置换容器入口的接口通过连接部件和管路与培养液置换单元的置换容器入口相连接。

细胞培养单元与中空纤维单元连通，形成一个循环的细胞培养回路；培养液置换单元与中空纤维单元连通，形成一个循环的置换液回路。在细胞培养回路中，培养容器中的混合液流经中空纤维交换器的纤维丝内流路空间，再流回至培养容器内。在置换液回路中，置换容器中的新鲜培养液流经中空纤维交换器纤维丝外流路空间，再流回至置换容器内。细胞培养回路与置换液回路之间通过中空纤维丝上的微孔进行培养液的置换，带走混合液中细胞代谢产物，其中细胞培养回路与置换液回路在中空纤维交换器内的流路方向呈0～180°夹角，优选为0或180°流向夹角(即同向或反向)，更优选为180°使培养液的置换效率更高。可根据细胞培养回路与置换液回路的流路方向来确定中空纤维交换器端盖上的接口与培养容器出入口以及外壁管上的接口与置换容器出入口的连接方案。例如，当流路成180°流向夹角时，在一端盖上的接口与培养容器出口连通，在中空纤维交换器这一端的外壁管上的接口则应与置换容器入口连通；另一端盖上的接口与培养容器入口连通，该端外壁管上的接口则与置换容器出口连通。细胞培养回路与置换液回路的流动速度在0.2～5ml/min，通常置换液回路的流动速度是细胞培养回路流动速度的0.8～1.2倍，可以实现有效地置换。

本文的中空纤维交换器可设置成流路转换式中空纤维交换器。该类型的中空纤维交换器中，交换器内部流路可根据需要进行转换，以加大单次液路置换的体积量，提高液路置换的效率，快速调整培养容器中的培养液成分，应对培养中的突发状况等。尤其是在进行贴壁细胞培养时，该类型的交换器能够在纤维内或纤维外进行细胞培养；甚至同时在纤维丝内和纤维丝外进行细胞培养，提高贴壁细胞生长的空间，且培养时经常进行流路的转换，变换各空间内液体流路的方向，提高液路置换效率，保证中空纤维内细胞生长的均匀性，也解决了贴壁细胞生长可能会堵塞纤维丝微孔的情况。

本文所述的流路转换式中空纤维交换器包括中空纤维丝、外壁管、左右两端的密封卡块、流路转换卡块和端盖。两侧端盖上分别具有两个接口，分别为连通细胞培养单元的培养容器出口或入口的接口和连通培养液置换单元的置换容器出口或入口的接口。

流路转换卡块置于端盖与密封卡块之间，与外壁管紧密贴合且密封。通常，流路转换卡块的外侧可与外壁管端口齐平。流路转换卡块与密封卡块存在一定的距离，以形成缓冲区。对该缓冲区的高度无并特殊限制，例如可在2～20mm之间。流路转换卡块上有分隔区，其将流路转换卡块与密封卡块之间的空间划分成纤维丝内缓冲区和纤维丝外缓冲区。纤维丝内缓冲区连通纤维丝内流路空间；纤维丝外缓冲区通过设置在密封卡块上的通孔连通纤维丝外流路空间。流路转换卡块上设有两个通孔，呈180°布置，位置分别对应于纤维丝内缓冲区或纤维丝外缓冲区，用于连通纤维丝内缓冲区或纤维丝外缓冲区。流路卡块中还设有流路转换槽，流路转换槽为360°的圆环空间内槽。两侧端盖上分别设置有接口，各接口分别具有外侧口与内侧口，外侧口用于连接外部管件，内侧口用于穿过流路转换卡块上的通孔，连通纤维丝内缓冲区或纤维丝外缓冲区。内侧口边缘可具有凸起的转换边，流路转换时，转换边在流路转换槽中转动180°，互换现有接口所连通的纤维丝缓冲区域。端盖与流路转换卡块之间设有装于弹簧孔中的压紧弹簧。此外，流路转化卡块的后侧边缘还可设有弹性卡扣，用于与端盖上的卡位配合。当接口内侧口穿过流路转换卡块的通孔连通纤维丝内缓冲区或纤维丝外缓冲区时，压紧弹簧会提供一定的预紧力，同时弹性卡扣与端盖的卡位相扣，相对于外壁的端盖位置固定，可保证转换边与流路转换卡块紧密贴合，防止漏液的情况发生。需要流路转换时，暂停细胞培养回路和置换液回路，按下卡位，弹性卡扣弹开卡位，向外侧均拉开两侧端盖，转换边退回至流路转换槽中后转动180°，互换现有接口所连通的纤维丝缓冲区域。

气体置换单元

气体置换单元可包括气源、混匀器、出气管口及滤件、以及相关的气体管路、流量计与控制阀门等。气源用于提供空气、氧气和二氧化碳或其它合适的气体。气源可以是一个或数个储存所需气体的容器，每一个容器中可存有单独一种气体，也可存有预先配好比例的混合气体。混匀器是气体缓冲混匀区，用于空气、氧气、二氧化碳等单独进气或两者或三者混合后混匀的场所。混匀器可以是常见的气体混匀装置。

气体置换单元的混匀器直接连通培养容器，将外部气体直接输入至培养容器中，提供给细胞培养所需的气体环境。气体置换在培养容器的培养液的液面上方进行。气体从培养容器一侧的气体置换入口进入到容器中，气体停留在培养液液面上方，置换出原容器中的气体，稳定培养容器中气体的成分，提供并保证细胞所需的气体环境。被置换气体从气体置换出口流出。流量计与控制阀门为本领域内常见的气体流量计与阀门部件。

管路单元

本文中空纤维交换式培养系统的管路单元分别将该系统的细胞培养单元、中空纤维单元、培养液置换单元、液路驱动装置和气体置换单元相连接，用以提供所述系统所需的气体和液体的通道。

液路驱动装置

液路驱动装置用于驱动液体在管路中的流动，例如用于驱动细胞培养回路a和置换液回路b中液体的循环流动。液路驱动装置中的驱动单元可以是蠕动泵，更优选是双向蠕动泵。本文中，双向蠕动泵指该泵可驱动流体正向流动，也可驱动流体反向流动。可采用本领域常用的蠕动泵来实施本发明，通常，蠕动泵流量在1～100ml/min的蠕动泵都可用于实施本发明。

系统总控单元

系统总控单元用于控制该系统按预先设定的方案运行，包括数据采集、数据分析、数据记录、控制电路和用户软件，系统通过各类传感器对细胞培养过程进行实时监控，并采集整个培养过程中循环回路中流速和培养液ph值、溶氧量、温度等各项技术指标数据。用户可根据细胞的培养状态去调整液路置换、气体置换和温控系统的执行元件，保证细胞培养环境的稳定性。系统总控单元的控制系统还可被设置成可供用户预设标准技术指标数值及其对应的处理方案，系统可根据传感器反馈的实时数据自行选择并执行处理方案，使培养自动化、智能化。在某些实施方案中，所述系统总控单元还包括显示器，用于控制该培养系统按预先设定的方案运行并实时显示所述培养系统的运行状态。显示器可以是触屏显示器。

本文的中空纤维交换式培养系统可整体放置在特制的固定夹套中，固定夹套中有可用来预设、调控和保持培养过程适宜温度的温度控制单元，该温度控制单元的温控装置可以根据温度传感器的实时数据经控制系统进行加热或制冷。固定夹套具体可采用为本领域内常用的各型号细胞培养箱，细胞培养箱内一般会自带温控单元。在具体实施中，温度控制单元也可采用半导体制温芯片系统或水循环温控系统。

因此，在某些实施方案中，本文的中空纤维交换式培养系统包括固定夹套、细胞培养单元、中空纤维单元、培养液置换单元和气体置换单元，以及连通上述各单元的管路单元、系统总控单元以及温度控制单元。

图1示出了本文中空纤维交换式培养系统的一个实例。如图1所示，本发明的中空纤维交换式培养系统包括细胞培养单元1、培养液置换单元2、中空纤维单元3和气体置换单元4，以及连通上述各单元的管路单元和系统总控单元。这些单元可被安排、安装或容纳在构成所述系统支撑部分的外壳内或支架上，可采用常规的技术手段对其进行安装和固定。

细胞培养单元1包括培养容器5，用于提供培养悬浮类型细胞的容器。如图1、2和3所示，培养容器5上可设置有：培养容器出口6、培养容器入口7、气体置换出口8与气体置换入口9。培养容器出口6与培养容器入口7分别通过管路与中空纤维单元3连通，形成细胞培养回路a。气体置换入口9与气体置换单元4的混匀器32连通，混匀器32中的气体经由该气体置换入口9进入到培养容器5中，停留在培养液液面上方，置换出该培养容器5中原先存在的气体，提供并保证细胞所需的气体环境；被置换的气体则从气体置换出口8流出。细胞培养单元1与中空纤维单元3的连通管路上可设置有液路驱动装置6a和/或7a，用于驱动细胞培养液在细胞培养单元1和中空纤维单元3间循环。培养容器5上还可设置有传感器安装孔10，其用于安装进行相关监测的传感器。例如，传感器安装孔10通常可安装ph传感器和溶氧传感器，前者用于实时监测培养容器5中液体环境的ph值，后者用于实时监测培养容器5中液体环境的溶氧值。还可根据实际需要安装其他特定类型的传感器。培养容器5可置于支架501上，尤其是支架501可于一定角度范围内进行摆动，符合悬浮细胞的生长条件，不仅保证培养容器5内培养液的成分均匀性，避免局部位置废弃物的浓度过高，还可提高培养容器内气体与培养液的接触面积。

细胞培养单元1还可包括：任选的混合容器11，其用于容纳样本和基础培养液的混合进液；任选的收获容器12，其用于收集和容纳已完成培养的细胞或培养过程中细胞的检测取样；和任选的备用接口5’，其用于对接其他相关的容器或加入液体试剂。混合容器11和收获容器12可分别通过连接部件和管路连通至培养容器5，且连通管路上可分别设置有液路驱动装置11a和12a，保证液路的正常流通。

细胞培养单元1还可包括过滤件b，该过滤件允许培养液或气体通过，但细胞无法通过。过滤件b采用平均孔径为1～10μm、能够阻隔细胞且不易粘附细胞于其表面的材料，如聚乙烯、聚醚砜、尼龙、纤维素等材料，有通液与通气两种材料可选。过滤件b设置于培养容器5内，包括分别设置在培养容器出口6与培养容器入口7上的过滤件6b和7b，该过滤件可以通过液体与气体；和设置在气体置换出口8与气体置换入口9上的过滤件8b和9b，此过滤件只能通过气体。过滤件b可直接固定安装于对应接口上，或采用连接卡扣或螺纹的形式灵活地根据用户的实验要求去选择安装或不安装。

培养液置换单元2包括置换容器13，其用于容纳与存储新鲜培养液，用以进行液路置换。置换容器13上设置有置换容器出口14与置换容器入口15，分别通过管路与中空纤维单元3连通，从而形成置换液回路b。所述连通管路上可分别设置有液路驱动装置14a和/或15a，用于驱动液体在培养液置换单元2和中空纤维单元3间循环。置换容器13可为一次性生物细胞培养袋或培养瓶等。

培养液置换单元2还可包括：新鲜培养液容器16和废液容器17。置换容器13中的液体定期回收一部分体积至废液容器17中后，新鲜培养液容器16再向置换容器13中补充加入相同体积的培养液。新鲜培养液容器16储存用于定期替换的新鲜细胞培养液，有利于增大培养液的置换体积，从而可实现多次分阶段置换培养液，便于建立全封闭、全自动地培养体系。废液容器17用于回收和存储置换容器13中失效的培养液。新鲜培养液容器16和废液容器17通过连接部件和管路连通至置换容器13，可在连通管路上设置相应的液路驱动装置16a和/或17a，以保证液路的正常流通。置换容器2上还可设置有任选的备用接口13’，用于对接其它相关的容器或加入液体试剂。

培养液置换单元2也还可包括过滤件b，过滤件b设置于置换容器13内，包括分别设置在置换容器出口14与置换容器入口15上的过滤件14b和15b，该过滤件可以通过液体与气体；过滤件b可直接固定安装于对应接口上，或采用连接卡扣或螺纹的形式灵活地根据用户的实验要求去选择安装或不安装。

中空纤维单元3是培养液交换的场所，是液路置换系统的核心部件，也是用于进行贴壁类型细胞培养的场所。中空纤维单元3包括中空纤维交换器18。中空纤维交换器18上设置有分别连通培养容器出口6与入口7的接口19与20，和分别连通置换容器出口14与入口15的接口21与22。如图4所示，中空纤维交换器18包括中空纤维丝33、外壁管34和两端的密封卡块36和端盖35。接口19与20分别设置于两侧端盖35上，接口21与22则分别设置于外壁管34两端的壁上。接口19、20、21和22可分别设为出口与入口，在同一端的接口分别设置为出口和入口，例如接口19设为入口，则接口20设为出口，接口21设为入口，接口22设为出口。

中空纤维丝33平行于外壁管34。纤维上微孔的孔径小于1μm，截留分子量为10kda～1500kda，可进行小分子物质(如离子、小分子营养物质和气体分子)交换。中空纤维丝33的长度范围为50～300mm，纤维壁厚30～50μm，膜内径100～500μm。中空纤维丝33的数量不限，可根据实际的生产规模确定，例如可在100～1000根的范围内。对中空纤维交换器18的体积也无特殊限制，可根据实际的生产规模确定，例如可在10～100ml的范围内。纤维的材质可为生物相容性好的聚丙烯、聚砜、聚丙烯晴或聚乙烯等。密封卡块36设置在外壁管34的两端，用于填充中空纤维丝33之间以及中空纤维丝33与外壁管34之间的间隙。密封卡块36的材质可为环氧树脂、聚氨酯等密封胶。通常，中空纤维丝33与密封卡块36的外侧齐平。中空纤维丝33管内为纤维丝内流路空间。密封卡块36与端盖35之间的空间为纤维丝内缓冲区38，与纤维丝内流路空间连通，是液体流速的缓冲区，用以保证每根中空纤维丝内的流动压力相同，提高交换器组件液体置换的效率和均匀性。内缓冲区38的大小为1～50ml。中空纤维丝33管内的纤维丝内流路空间与内缓冲区38经由两侧端盖35的出口19与入口20连通细胞培养回路a。中空纤维丝33管外、外壁管34与密封卡块36之间形成纤维丝外流路空间，由外壁管34上的出口21与入口22连通置换液回路b。

细胞培养过程中液路置换时，培养容器5中的混合液由细胞培养回路a流经中空纤维交换器18的纤维丝内流路空间，再流回培养容器5；置换容器13中的新鲜培养液由置换液回路b流经中空纤维交换器18的纤维丝外流路空间，再流回置换容器13；纤维丝内流路空间内的混合液与纤维丝外流路空间的新鲜培养液通过中空纤维丝33的微孔进行交换，以新鲜富含细胞营养物的培养液置换混合液中的初始培养液，并将培养产生的废弃物带出。细胞培养回路a与置换液回路b在中空纤维交换器18内的流路方向相反。

气体置换单元4包括气源(空气26、氧气28、二氧化碳30)、混匀器32、出气管口及滤件24、以及相关的气体管路、流量计与控制阀门23、25、27、29和31。混匀器32是气体缓冲混匀区，用于空气、氧气、二氧化碳单独进气或两者或三者混合后混匀的场所。混匀器可以是常见的气体混匀装置或者是金属气罐。气体置换在培养容器5的培养液的液面上方进行，气体从培养容器5一侧的气体置换入口9进入到容器中，气体停留在液面上方，置换出原容器中的气体，提供并保证细胞生长所需的气体环境；气体从气体置换出口8流出。流量计与控制阀门为本领域内常见的气体流量计与阀门部件。

图2显示本文中空纤维交换式培养系统的另一种实施方式，该中空纤维交换式培养系统的中空纤维单元3采用流路转换式中空纤维交换器18’，液路置换体积量更大、置换效率更高，尤其是可快速地调整培养液体环境的ph值，可满足于细胞培养过程中的多种情况。

该流路转换式中空纤维交换器18’如图5、6和7所示，每侧端盖35上分别设置有两个接口，为分别连通培养容器5出口与入口的接口19与20，和分别连通培养液置换单元出口与入口的接口21与22。与流路转换式中空纤维交换器18不同的是，流路转换式中空纤维交换器18’除包括中空纤维丝33、外壁管34、两端的密封卡块36和端盖35外，还包括流路转换卡块37。流路转换卡块37置于端盖35与密封卡块36之间，与外壁管34紧密贴合且密封，与密封卡块36存在一定距离，以形成缓冲区。中空纤维丝33管内流路为纤维丝内流路空间；中空纤维丝33管外、外壁管34与密封卡块36流路形成为纤维丝外流路空间。

单侧的流路转换卡块37上设有分隔区，其将流路转换卡块37与密封卡块36之间的空间划分成两个流体区域，即纤维丝内缓冲区38和纤维丝外缓冲区39。纤维丝内缓冲区38连通纤维丝内流路空间；纤维丝外缓冲区39通过密封卡块36上的通孔40连通纤维丝外流路空间。

流路转换卡块37上设有两个通孔391、390，呈180°布置，位置分别对应于纤维丝内缓冲区38或纤维丝外缓冲区39，用于连通纤维丝内缓冲区38或纤维丝外缓冲区39。流路转换卡块37中设有流路转换槽42，流路转换槽42为360°的圆环空间内槽。一侧端盖35上设置有接口22、19。各接口分为外侧口与内侧口，外侧口用于连接外部管件，内侧口用于穿过流路转换卡块37上的通孔391或390，直接连通纤维丝内缓冲区38或纤维丝外缓冲区39。内侧口边缘具有向缓冲区凸起的转换边41，可在流路转换槽42中转动。端盖35与流路转换卡块37之间有压紧弹簧43，流路转换卡块37上均匀布置4个弹簧孔392，压紧弹簧43装于弹簧孔392内。流路转换卡块37后侧边缘有弹性卡扣44，与端盖35上的卡位45相配合。当接口22、19内侧口穿过流路转换卡块37的通孔连通纤维丝内缓冲区38或纤维丝外缓冲区39时，压紧弹簧43会提供一定的预紧力，同时弹性卡扣44与卡位45相扣，相对于外壁管34的端盖35位置固定。此时，保证转换边41与流路转换卡块37的紧密贴合，防止漏液的情况发生。需要流路转换时，需要同时调整端盖两侧，暂停细胞培养回路a和置换液回路b，按下卡位45，弹性卡扣44弹开，卡扣打开，向外侧均拉开两侧端盖，转换边41退回至流路转换槽42中转动180°，互换现有接口所连通的纤维丝缓冲区域。

对本文系统的上述各单元、容器以及管道的材料并无特殊限制。通常，管道以及容器等通常为生物相容性的塑料；其他的可为金属(如不锈钢)或塑料等材料。本文的各容器可以是腔、瓶、袋的形式。对各容器的大小也无特殊限制，可根据所容纳的对象而不同，通常在0.5～10l的范围内，例如1～5l。

上述管道和各容器以及各单元中的各部件均可是一次性耗材，所有的耗材组件形成一个封闭式培养系统，防止流体泄露，保证系统的无菌性。各容器可分别与各分支管道、以及各分支管道与各主流路管道之间以及各单元中的各部件都是可拆卸的。例如，中空纤维单元中的各部件之间是可拆卸的，端盖可从外壁管上拆卸下来，中空纤维丝两端可由密封卡块固定，固定所得的结构也可从外壁管内卸下。或者，各分支管道与主流路管道是一体的，而各容器与这些管道之间是可拆卸的。

本文基于多类型免疫细胞的大规模高密度培养所需的容器、液体、气体、温度、无菌性的五大环境要素，提出一种包括可满足多种类型细胞的自动化控制培养系统，在核心环境要素液路置换上采用中空纤维交换器，对细胞培养容器中培养液进行持续置换，同时培养系统主流路采用封闭性设计，在培养过程中严格控制并减小向系统中开放加液的次数，保证细胞培养环境的稳定性，具有操作自动化、稳定性好、可靠性高、污染风险性小的优点。采用本文的中空纤维交换式培养系统能提高细胞处理效率、降低操作风险，增强细胞培养效果，增进应用疗效。

本文的中空纤维交换式培养系统不仅可适用于贴壁细胞培养或悬浮细胞培养，还可用于贴壁细胞与悬浮细胞的混合培养，以解决目前只能单一类型细胞的培养，可实现多种类型细胞的共培养，适应不同的细胞治疗应用。可采用本系统进行培养的细胞可以是本领域内已知的各种细胞，优选是哺乳动物来源的细胞，更优选的是人免疫细胞。合适的细胞包括但不限于外周血细胞、造血细胞、神经干细胞，更具体而言，包括但不限于红细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、外周血单核细胞，抗原递呈细胞或淋巴细胞等。在某些实施方案中，细胞包括但不限于dc-cik(贴壁dc细胞与悬浮cik细胞)、dc-ctl(贴壁dc细胞与悬浮ctl细胞)、dc、til(悬浮til细胞)和car-t(悬浮car-t细胞)。

如图1所示的实施方式中，仅悬浮细胞培养时，将细胞、初始培养液和细胞生长因子置于培养容器5中，培养容器出口6与培养容器入口7的过滤件6b和7b接通，阻隔悬浮细胞流出培养容器5中，悬浮细胞将在培养容器5中进行生长增殖，培养液置换单元2中加入新鲜培养液；需要对培养容器5中进行培养液置换时，启动细胞培养回路a和置换液回路b，在中空纤维单元3中纤维管内流路空间中培养液通过微孔与纤维管外流路空间新鲜培养液进行交换，释放废弃物，获取营养物质，保证培养容器5中细胞的培养状态。仅贴壁细胞培养时，先不接通过滤件6b和7b，将初始细胞混合液由培养容器5加入至中空纤维单元3中，接通过滤件6b和7b；再将初始培养液和细胞生长因子置于培养容器5中，培养液置换单元2中加入新鲜培养液，启动细胞培养回路a，贴壁细胞粘附于中空纤维丝内进行生长增殖；同时启动置换液回路b，新鲜培养液置换中空纤维管中的废弃物，营养细胞。悬浮细胞与贴壁细胞混合培养时，先将贴壁细胞混合液置于中空纤维交换器18中，接通过滤件6b和7b；再将悬浮细胞、初始培养液和细胞生长因子置于培养容器5中，培养液置换单元2中加入新鲜培养液，启动细胞培养回路a和置换液回路b，同时开启温控、气体置换。

如图2所示的实施方式中，仅悬浮细胞培养或仅贴壁细胞培养或悬浮细胞与贴壁细胞混合培养的方案均与上述实施方式相同，但本方案中中空纤维交换器18’在培养过程中可每隔一定周期进行一次流路转换，增大单次液体置换的体积，提高液路置换效率。

两种不同类型的细胞在同一套系统不同功能区域中实现同时培养，不仅大大提高细胞处理效率，降低操作风险，不同细胞间分泌的生长刺激因子也有助于免疫细胞的共同生长，例如在dc-cik治疗中，细胞培养后期常将这两种细胞进行共培养以增强细胞培养效果，增进疗效。

适用于本文的细胞培养液可以是至少能够提供各种细胞生长的溶液成分和环境的溶液。其具体的成分组成与培养细胞的特性相匹配。细胞培养液可依据细胞的类型自行添加组分进行配制，也可以直接选用本领域内市面上的培养基。

因此，在某些方面，本文还包括使用本文所述的中空纤维交换式培养系统培养悬浮细胞的方法，该方法包括以下步骤：在所述中空纤维交换式培养系统的细胞培养单元中提供待培养的悬浮细胞及其培养液；设置培养容器出口与培养容器入口的过滤件，以阻止细胞通过；设置培养液置换单元中新鲜培养液；启动细胞培养回路a和置换液回路b，对细胞培养单元中的培养液进行置换。

本文还包括使用本文所述的中空纤维交换式培养系统培养贴壁细胞的方法，该方法包括以下步骤：在中空纤维单元中提供待培养的贴壁细胞及其培养液；设置培养容器出口与培养容器入口的过滤件，以阻止细胞通过；设置培养液置换单元中新鲜培养液；和启动细胞培养回路a和置换液回路b，对细胞培养单元中的培养液进行置换。

在其它方面，本文还包括使用本文所述的中空纤维交换式培养系统培养悬浮细胞和贴壁细胞的方法，该方法包括以下步骤：在中空纤维单元中提供待培养的贴壁细胞及其培养液；设置培养容器出口与培养容器入口的过滤件，以阻止细胞通过；在细胞培养单元中提供悬浮细胞及其培养液；设置培养液置换单元中新鲜培养液；和启动细胞培养回路a和置换液回路b，对细胞培养单元中的培养液进行置换。

下文将以具体实施例的方式阐述本发明。应理解，此实施例仅仅是阐述性的，并不意图用于限制本发明的范围。

实施例1：中空纤维反应器用于dc-cik混合培养

利用图1所示系统实施本实施例。中空纤维交换器18的体积为50ml，缓冲区为10ml，其中纤维丝材料为聚丙烯，长度100mm，纤维壁厚40μm，内径300μm，截留分子量为300kda。

从患者外周血采集总量约为1×10⁹的外周血单核细胞(pbmc)，经过密度梯度离心后，去除多余红细胞及血浆，将pbmc与gibcoaim-v无血清培养基混合稀释至4×10⁶个细胞/ml密度，置于培养瓶中培养2小时后，将悬浮细胞与贴壁细胞分开，其中悬浮cik细胞先置于-80℃冷冻保存，dc细胞采用腺病毒进行转染处理(周期8天)。

对-80℃保存的悬浮cik细胞进行复苏，与成功转染获得抗原负载的dc细胞混合培养。按照起始细胞密度为1×10⁶个细胞/ml准备相应体积的gibco培养基，dc细胞混合液按照贴壁细胞置于中空纤维交换器18中，接通过滤件6b和7b；再将悬浮cik细胞置于培养容器5中，加入1000mlgibco培养基，还加入干扰素-γ等刺激因子。置换容器13中加入1000mlgibco培养基，新鲜培养液容器16预置1000ml培养基。培养温度37℃，5％co2培养箱中培养，支架501支撑培养容器5缓慢摆动，启动细胞培养回路a和置换液回路b。共培养24小时后，向培养容器5中加入cd3抗体，再培养6天。最终培养的细胞总数可以达到0.5～2×10¹⁰。本实例中最终细胞密度7.36×10⁶个细胞/ml。