一种生物反应器的制作方法

本发明涉及医疗器械，尤其是一种生物反应器。

背景技术：

生物血液净化系统是与正常肝脏最为接近的人工肝支持系统，通过将肝细胞培养技术与血液净化技术相结合，可以比较全面地替代肝脏解毒、生物合成和分泌代谢等功能，有望成为重型肝炎、肝衰竭患者最具有创新性与挑战性的治疗措施。

生物血液净化系统的基本原理是将体外培养增殖的肝细胞置于特殊的生物反应器内，通过与肝细胞进行物质交换和生物作用，利用肝细胞分泌内源性活性物质和转化外源性毒素而发挥生物血液净化的作用，其中内源性活性物质包括各种蛋白、代谢酶和活性因子等。生物反应器和肝细胞是生物血液净化系统的核心部分，其性能直接关系到人工肝支持的效率和效果。

目前研究及应用的生物反应器主要有以下几种：(1)中空纤维生物反应器：中空纤维反应器有内腔及外腔，常将肝脏细胞黏附于中空纤维的外腔，根据不同来源的细胞选择合适截留分子量的生物膜，避免发生异种细胞产物所引起的免疫反应，但是肝细胞在这种生物反应器中分布不均，易造成细胞活力下降。(2)平板单层生物反应器：是将细胞种植在平板上培养，其优点是细胞分布均匀，微环境一致，但表面积与体积之比下降。(3)灌注床或支架生物反应器：该生物反应器是将肝细胞种植在灌注床或支架上，其优点是与细胞直接接触，而增加了物质的转运，也促进三维结构的形成，同时也容易扩大细胞容量；其缺点是灌注不均匀，易堵塞。(4)包被悬浮生物反应器：该生物反应器是将肝细胞用材料包裹，制成多孔微胶囊，然后进行灌注培养。其优点是所有细胞有相同的微环境，有大量细胞培养的空间，减少免疫反应的发生；缺点是细胞稳定性差，物质交换能力受限。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出一种用于生物血液净化系统中的新型生物反应器。

一种生物反应器，包括壳体、顶盖和多个细胞培养板，其中：

所述壳体具有开放的上端和封闭的下端，其中下端设置有与壳体内部流体连通的进口；

所述顶盖覆盖壳体的开放上端并且设置有与壳体内部流体连通的出口；

所述多个细胞培养板彼此间隔开并平行地设置在壳体内部，每个细胞培养板设置有位于中心处的通孔和围绕所述通孔分布的多个小孔，并且多个细胞培养板的通孔彼此对准形成通道。

优选地，在本发明提供的生物反应器中，最靠近顶盖的顶层细胞培养板的通孔封闭，由此密封通道的上端。

优选地，在本发明提供的生物反应器中，所述通孔在所述细胞培养板的一侧具有第一端，第一端的四周设置有环形安装带，环形安装带上设置从环形安装带凸起的限位基座，限位基座上设置从限位基座凸起的卡扣；所述通孔在所述细胞培养板的另一侧具有第二端，第二端的四周设置有环形基座，环形基座上设置有下凹的卡扣槽。

此外，在本发明提供的生物反应器中，所述细胞培养板上的卡扣设置在相邻的另一个细胞培养板上的卡扣槽内，由此使多个细胞培养板在壳体内部彼此间隔开并平行地连接在一起。

通过如上设置，在本发明的生物反应器中，多个细胞培养板可以通过其中心处的通孔四周设置的各部件彼此连接在一起，由此叠置在壳体内部，并且多个细胞培养板的通孔彼此对准形成通道。

优选地，在本发明提供的生物反应器中，所述细胞培养板上一侧的限位基座和卡扣与另一侧的卡扣槽为数量相同的多个，并且多个限位基座在环形安装带上彼此均匀间隔开分布，并且相应地，多个卡扣槽在环形基座上彼此均匀间隔开分布。

此外，细胞培养板上的限位基座和相邻的另一个细胞培养板上的环形基座贴合。

优选地，在细胞培养板上围绕环形基座，还设置有多个缺口。缺口可以用作肝细胞悬液或待净化的血浆进入到培养板上的通道。缺口例如是围绕环形基座的狭缝。

优选地，在本发明提供的生物反应器中，一个细胞培养板的多个小孔与相邻的另一个细胞培养板的多个小孔分别对准形成多个外周通道。

通过如上设置，在本发明的生物反应器中，多个细胞培养板叠置在壳体内部，由每个细胞培养板中心处的通孔形成通道，通道沿生物反应器的竖直方向延伸，但是在顶层细胞培养板处封闭。此外，通道任选地可以与出口和进口在竖直方向上对准。由小孔形成的外周通道沿生物反应器的竖直方向延伸。进口、出口、通道和外周通道彼此流体连通。

优选地，在本发明提供的生物反应器中，每个细胞培养板的通孔为圆形，所述多个小孔在细胞培养板上相对于通孔径向分布，并且多个小孔彼此以相同距离间隔开，形成围绕通孔的一个或多个环。

优选地，所述细胞培养板和所述小孔分别为圆形。

优选地，最接近通孔的小孔与通孔之间的距离(圆心之间)与细胞培养板的半径的比为1:2～3，优选为1:2.7。

优选地，所述小孔的直径与通孔的直径的比为1:3～5，优选为1:4；

优选地，所述小孔的直径与细胞培养板的直径的比为1:80～100，优选为 1:90.7；

优选地，所述通孔的直径与细胞培养板的直径的比为1:20～30，优选为 1:22.7。

根据本发明的具体实施方式，壳体为圆柱体，内部沿竖直方向叠置了66 个厚度为1mm的细胞培养板，各个细胞培养板之间通过通孔两侧的4个卡扣和4个卡扣槽连接在一起，相邻细胞培养板之间的最大间隔为1mm；此外，每个细胞培养板的直径为136mm，通孔的直径为6mm，小孔的直径为 1.5mm，最接近通孔的小孔与通孔之间的距离为25mm，相邻小孔之间的距离为10mm；每个细胞培养板上具有112个小孔。

生物血液净化系统中的生物反应器通过其内预先培养好的肝细胞对进入生物反应器的血浆发挥净化作用，该血浆通常来自重型肝炎、肝衰竭等患者，对所述患者的血液进行分离之后获得，经肝细胞的净化作用后的血浆将循环回到患者体内。相对于现有技术，本发明的生物反应器有如下特征：

第一，本发明的生物反应器将进口设置在壳体的下端，使得待净化的血浆从壳体下端进入反应器内部，同时最靠近顶盖的顶层细胞培养板的通孔封闭，由此形成了自下而上且顶端封闭的血浆通道。发现通过这样设置，从下端进口流入的待净化的血浆将在顶部出口处受阻，只能通过相邻细胞培养板之间的间隙朝向培养板两端侧向流动，保证了细胞培养板间隙的液体流动，剪切力最小，有利于对流交换。

第二，本发明的生物反应器内，细胞培养板之间并非直接固定在生物反应器内或其内的任何部件中，而是在细胞培养板的通孔四周设置卡扣与卡扣槽，通过卡扣与卡扣槽的配合将多个细胞培养板连接并固定在一起。这种设置使得细胞培养板的安装更为灵活，且能够方便地调整生物反应器内细胞培养板的数量，进而调整生物反应器的实际有效工作面积、细胞在细胞培养板上的载量、细胞与待净化的血浆之间的有效交换面积；同时减少并简化了生物反应器的部件，降低制造成本。

第三，在本发明生物反应器的细胞培养板上，将小孔定位在与通孔的一定距离处或之外，并且以相对于通孔的径向方向呈放射状分布；换言之，多个小孔相对通孔形成了围绕通孔的多个环的图案，且增大了最靠近通孔的环以通孔为圆心的半径。通过这样设置，细胞培养板间的液体更容易向两端流动，有利于待净化的血浆与肝细胞的对流交换。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1为生物反应器内部结构示意图。

图2为生物反应器外部结构示意图。

图3为细胞培养板示意图。

图4为细胞培养板一侧示意图。

图5为细胞培养板另一侧示意图。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的药材原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。

实施例1本发明的生物反应器的设计

(一)进口位置、层板间距与流场分析

分别将生物反应器中的顶层和底层细胞培养板中心处的通孔封闭，不让液体直接流过，同时分别将细胞培养板设置成0.5mm和2mm两种间距，考察液体的流动情况。

(1)底层培养板通孔封闭VS顶层培养板通孔封闭

从液体流动情况来看，底层细胞培养板的通孔封闭后，上端进口流入的液体在最下层会强制向两端流动，进而通过最底层细胞培养板上的小孔再继续垂直向上流动，这种情况下相当于最底层细胞培养板上每个小孔近似一个独立的液体流入入口，提供垂直向上的流动，这样上方所有细胞培养板间的液体横向流动很弱，缺少相应的对流交换。

相比之下，当顶层细胞培养板的通孔封闭后，下端进口流入的液体在顶部出口受阻，只能通过层层间隙横向向两端流动，保证了细胞培养板间隙的液体流动，有利于对流交换。

因此，本发明的生物反应器选择将最靠近顶盖的顶层细胞培养板的通孔封闭，同时将进口设置于壳体的下端。

(2)0.5mm间距VS 2.0mm间距

从液体流动情况来看，相邻细胞培养板之间距离大的情况下，细胞培养板间隙中液体流动更快，但是这会牺牲整套装置的细胞承载量，需要在反应器中细胞培养板的间距与反应器的细胞承载量以及细胞与待净化血液的物质交换之间建立一个平衡关系。

因此，本发明的生物反应器选择将相邻细胞培养板之间的间距设置为 1.0mm。

(二)小孔位置与流场分析

在细胞培养板上，围绕通孔设置多圈小孔，在小孔以及其他设置均相同的情况下，考察围绕通孔少设置一圈小孔时液体的流动情况。

从液体流动情况来看，少一圈孔时细胞培养板间的液体更容易向两端流动，有利于对流交换。

实施例2本发明的生物反应器

图1至图5示出，一种生物反应器，包括壳体1，顶盖2，和多个细胞培养板6，壳体1具有开放的上端和封闭的下端，其中下端设置有与壳体 1内部流体连通的进口3，顶盖2覆盖壳体1的开放上端并且设置有与壳体1 内部流体连通的出口4，多个细胞培养板6彼此间隔开并平行地设置在壳体 1内部，每个细胞培养板6设置有位于中心处的通孔51和围绕通孔51分布的多个小孔61，并且多个细胞培养板的通孔51彼此对准形成通道5。

最靠近顶盖2的顶层细胞培养板62的通孔51封闭，由此密封通道5的上端。

通孔51在细胞培养板6的一侧具有第一端，第一端的四周设置有环形安装带601，环形安装带601上设置从环形安装带601凸起的限位基座602，限位基座602上设置从限位基座602凸起的卡扣603；通孔51在细胞培养板 6的另一侧具有第二端，第二端的四周设置有环形基座605，环形基座605 上设置有下凹的卡扣槽606。

细胞培养板6上的卡扣603可以设置在相邻的另一个细胞培养板6上的卡扣槽606内，由此使多个细胞培养板6在壳体1内部彼此间隔开并平行地连接在一起。

细胞培养板6上一侧的限位基座602和卡扣603与另一侧的卡扣槽606 为数量相同的多个(图示为4个)，并且多个限位基座602彼此在环形安装带601上均匀间隔开分布，并且相应地，多个卡扣槽606在环形基座605上彼此均匀间隔开分布。

细胞培养板6上的限位基座602和相邻的另一个细胞培养板6上的环形基座605贴合。在细胞培养板6上围绕环形基座605，还设置有多个缺口52 (图示为4个)。

一个细胞培养板6的多个小孔61与相邻的另一个细胞培养板6的多个小孔61分别对准形成多个外周通道7。

通过如上设置，在本发明的生物反应器中，多个细胞培养板6叠置在壳体1内部，由每个细胞培养板6中心处的通孔51形成通道5，通道5沿生物反应器的竖直方向延伸，但是在顶层细胞培养板62处封闭。此外，通道5 任选地可以与出口4和进口3在竖直方向上对准。由小孔61形成的外周通道7沿生物反应器的竖直方向延伸。进口3、出口4、通道5和外周通道7 彼此流体连通。

每个细胞培养板6的通孔51为圆形，多个小孔61在细胞培养板6上相对于通孔51径向分布，并且彼此以相同距离间隔开，形成围绕通孔51的一个或多个环(图示为4个)。

并且，壳体1为圆柱体，内部沿竖直方向叠置了66个厚度为1mm的细胞培养板6，各个细胞培养板6之间通过通孔51两侧的卡扣603和卡扣槽 606连接在一起，相邻细胞培养板6之间的最大间隔为1mm；此外，每个细胞培养板6的直径为136mm，通孔51的直径为6mm，小孔61的直径为1.5mm，最接近通孔51的小孔61与通孔51之间的距离为25mm，相邻小孔 61之间的距离为10mm；每个细胞培养板上具有112个小孔61。

实施例3本发明的生物反应器的使用

采用实施例2的生物反应器。

打开顶盖2上的出口4，从壳体1下端的进口3输入肝细胞悬液，待悬液基本充满整个生物反应器后，关闭进口3，静置3-4个小时，使细胞在细胞培养板表面上贴壁生长。

将生物反应器通过生物血液净化系统的其他部件与人体连接，开始待净化血浆的循环。

以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。