一種基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含有兩個循環(huán)通路的混合型人工肝支持系統(tǒng)，包含裝載有微囊化肝細胞的往復式生物反應器，血漿分離器，儲血池，血液透析器，膜式氧合器。血液先后經血漿分離器、血液透析器，進入儲血池，經由蠕動泵，進入生物反應器，有效地解決了人體對血液體外高流速循環(huán)的不耐受性與生物人工肝血漿高通過率需求之間的矛盾。同時生物人工肝通路采用往復式流向變動，實現(xiàn)反沖及提高混合效果，能有效減少微膠囊在反應器一端篩網堆積造成的流動阻塞，降低反應器內壓力以及減少持續(xù)施壓造成的微膠囊破損，同時能在高流速及高肝細胞密度條件下實現(xiàn)較好的物質混合，肝衰竭血漿能與肝細胞充分接觸，有效避免灌注死腔和無效灌注，較少剪切損傷，能夠最大限度地發(fā)揮人工肝的治療作用。
【專利說明】一種基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種醫(yī)療設備，特別是一種臨床治療急性肝衰竭的混合型人工肝支持系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]急性肝衰竭是常見的危重疾病，死亡率高達65-95%，目前肝臟移植是治療急性肝衰竭唯一有效的方法，但是肝源嚴重短缺，大多數(shù)患者在等待肝源的過程中死亡，因此有必要發(fā)展體外人工肝支持系統(tǒng)，暫時代償肝臟功能，幫助患者自身肝臟恢復再生，或者幫患者橋接過渡到肝臟移植期。載有高活性肝細胞的生物型人工肝能有效的執(zhí)行肝臟合成、轉化等功能，同時為了較少代謝物對肝細胞的損傷，強化解毒功能，聯(lián)合物理型人工肝構成的混合型人工肝，能有效的發(fā)揮肝臟功能，為肝衰竭病人提供支持。
[0003]生物反應器是生物型人工肝的核心部件，其基本要求:1.高密度的細胞載量；
2.高通量的物質交換；3.—定免疫隔離作用。目前應用最多的反應器是中空纖維生物反應器，其優(yōu)點是比表面積大，便于代謝物的轉運，且反應器死腔較小，但由于肝細胞在反應器中分布不均，也易造成細胞活力的下降、缺氧和交換效率低。因而有學者嘗試采用海藻酸鈣凝膠珠包埋技術實現(xiàn)肝細胞的高密度包埋，裝載到一定容積的反應器內，與血漿進行物質交換，這種凝膠珠型生物反應器操作簡便，易放大，同時肝細胞的三維生長可以重建細胞生長微環(huán)境，促進細胞-細胞相互作用，有助細胞分化功能的表達。但是凝膠珠強度有限，容易出現(xiàn)細胞泄露等問題，因而在海藻酸鈣膠珠表面交聯(lián)陽離子聚合物，形成強度較好的微膠囊，有效減少細胞泄露，同時增加免疫隔離性。早期的凝膠珠或微膠囊型反應器采用的是固定床直接灌注，固定床反容易形成堵塞和短路，形成固有通道，從而導致灌注死腔和無效灌注，并且高流速下，高剪切力和持續(xù)的柱壓力易造成膠珠或微囊破碎。最近開發(fā)的凝膠珠型或微膠囊型反應器大多數(shù)為流化床形式，在穩(wěn)定流化狀態(tài)下，凝膠珠或微膠囊在反應內自上而下的往復運動，從而實現(xiàn)充分的混合和均勻的傳質。但是流化床反應器反應器體積相對較大，膠囊的填充率較低，需要較大空腔體積來實現(xiàn)流化；另外由于微膠囊或凝膠珠本身物性所限，其流化速率較低，流化床反應器的血漿通過率很低。
[0004] 肝細胞由于其旺盛的代謝作用，對營養(yǎng)物質消耗需求也較大，尤其是氧氣，據(jù)報道肝細胞耗氧速率為0.59-0.70nmo l/106cells/s,按治療所需最少細胞量IO9計，則所需最小的血漿流量應在160ml/min，而人體肝臟血液流量約為1.5L/min，可見生物型人工肝要達到理想的效果，則要求較高的血漿通過。由于急性肝衰竭患者對血液體外循環(huán)總體積有一定的耐受上限，因而反應器體積不宜過大，同時由于技術以及病人耐受問題，血漿分離循環(huán)通路流量通常在200ml/min以下。因此需要開發(fā)新型反應器及人工肝系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)細胞與血漿(血液)良好的物質交換，提供肝細胞充足的營養(yǎng)物質(包含氧氣)，肝細胞分泌的功能分子能及時進入血漿(血液)發(fā)揮作用；保持細胞生長代謝活性；保護細胞免受剪切和免疫殺傷等。
【發(fā)明內容】

[0005]因此，本發(fā)明設計的一種基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝，具有兩個流向和流速相對獨立通路，從而能在人體耐受前提下，實現(xiàn)高通過容量的血漿灌注；同時生物反應器兩端往復式調節(jié)流向，減少堵塞和無效灌注，能在較小的反應器體積內實現(xiàn)微膠囊、血漿的充分混合，增加傳質效率。
[0006]本發(fā)明采用的技術方案為:
[0007]—種混合型人工肝支持系統(tǒng)，包括包含裝載有微囊化肝細胞的生物反應器，血漿分離器，儲血池，血液透析器，膜式氧合器，細胞濾膜，除泡器，其中通過儲血池構成兩個相對獨立的物理型和生物型人工肝通路，生物型人工肝通路流向往復式變化。
[0008]所述的人工肝支持系統(tǒng)中物理型人工肝通路包括血漿分離器，血漿分離器包括血液輸入端、血漿輸出端和血細胞輸出端，血漿分離器血漿輸出端依次經蠕動泵、肝素泵、血液透析器，接儲血池，儲血池另一端經除泡器，與血漿分離器的血細胞輸出端匯合。
[0009]所述的人工肝支持系統(tǒng)中生物型人工肝通路，包括一端與物理型人工肝通路相連通的儲血池，依次經蠕動泵、載微膠囊生物反應器、細胞篩網，接儲血池，與儲血池相連接的兩接口都在血液液面下方。
[0010]所述的人工肝支持系統(tǒng)具有兩個流速、流向相對獨立的物理型和生物型人工肝通路，生物型人工肝通路可自行調節(jié)流量在100-1000ml/min。
[0011]所述的物理型和生物型人工肝通過儲血池連接，儲池體積在50-500ml，其內部耦
合有膜式氧合器，能夠為微囊化細胞提供充足的氧。
[0012]所述的物理型人工肝通路，血液透析器位于儲血池之前，血漿經透析器處理后進入生物型人工肝通路。
[0013]所述的生物反應器為上下等徑柱體或者不等徑錐形柱及其衍生形狀，徑高比
0.1-10，體積在200-2000ml，微膠囊裝載體積在50% -100%。
[0014]所述的生物反應器上下兩端具有10-100 μ m的篩網。
[0015]所述的生物型人工肝通路能通過蠕動泵配套相應的外控設備和程序或者電磁閥實現(xiàn)自動往復式流向轉換，轉換頻率0.0002HZ-0.02Hz。
[0016]所述的細胞可以為有限消化或培養(yǎng)形成的細胞團，包括同源、異源原代肝細胞、永生化細胞株、肝癌細胞株、定向誘導分化的干細胞或前體細胞，細胞密度為5X 106-5X IO8
細胞每毫升微膠囊。
[0017]所述的微膠囊為靜電絡合、共價交聯(lián)形成的中空或含固相內核的生物微膠囊，其材料為天然或人工合成的具有良好生物相容性的高分子化合物，其粒徑在100-1000 μ m。
[0018]本發(fā)明公開了一種含有兩個循環(huán)通路的混合型人工肝支持系統(tǒng)，包含裝載有微囊化肝細胞的往復式生物反應器，血漿分離器，儲血池，血液透析器，膜式氧合器。血液先后經血漿分離器、血液透析器，進入儲血池，經由蠕動泵，進入生物反應器，有效地解決了人體對血液體外高流速循環(huán)的不耐受性與生物人工肝血漿高通過率需求之間的矛盾。同時生物人工肝通路采用往復式流向變動，實現(xiàn)反沖及提高混合效果，能有效減少微膠囊在反應器一端篩網堆積造成的流動阻塞，降低反應器內壓力以及減少持續(xù)施壓造成的微膠囊破損，同時能在高流速及高肝細胞密度條件下實現(xiàn)較好的物質混合，肝衰竭血漿能與肝細胞充分接觸，有效避免灌注死腔和無效灌注，較少剪切損傷，能夠最大限度地發(fā)揮人工肝的治療作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的結構示意圖，其中:1為血漿分離器；2為蠕動泵；3為肝素泵；4為血液透析器；5為儲血池；6為膜式氧合器；7為蠕動泵；8為載微膠囊生物反應器；9為包埋有肝細胞的微膠囊；10為細胞濾膜；11為除泡器；a為血液；b為血衆(zhòng)；c為血細胞；d為氧氣。
[0020]圖2為往復式生物反應器流量隨時間變化的曲線，實線為未采用往復式轉換流向時的流量變化，虛線為采用往復式轉換流向時流量變化。
[0021]圖3為往復式生 物反應器連續(xù)灌注6小時后(每十五分鐘轉換一次流向)微膠囊的形態(tài)。
【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，一種混合型人工肝支持系統(tǒng)，包含裝載有微囊化肝細胞的往復式生物反應器，血漿分離器，血液透析器，儲血池，氧合器。
[0023]所述的人工肝支持系統(tǒng)中物理型人工肝通路包括血漿分離器，血漿分離器包括血液輸入端、血漿輸出端和血細胞輸出端，其血液輸入端與人體輸血管的輸出端連接，血漿分離器血漿輸出端依次經蠕動泵、肝素泵、血液透析器，接儲血池，儲血池另一端經除泡器，與血漿分離器的血細胞輸出端匯合，經輸血管輸回人體。
[0024]所述的人工肝支持系統(tǒng)中生物型人工肝通路，包括管路，管路一端與物理型人工肝通路的儲血池相連通，管路依次經蠕動泵、載微膠囊生物反應器、細胞篩網，接儲血池，與儲血池相連接的管路兩接口都在血液液面下方。
[0025]實施例1
[0026]肝衰竭病人血液經血漿分離器1，由蠕動泵2泵入物理型人工肝回路，經血液透析器4，去除部分毒素后進入儲血池5，過程中肝素泵3持續(xù)注射肝素；儲血池5體積50-500ml，上端通過空氣濾膜連通大氣，含有膜式氧合器6，血漿適當補充氧氣后進入生物型人工肝通路，由于物理型人工肝通路和生物型人工肝通路通過儲血池連接，因而兩循環(huán)通路相對獨立，流量、流向互不干擾。血漿由蠕動泵7泵入生物反應器8(體積200-1000ml)，與微囊化肝細胞(粒徑100-1000 μ m ;裝載體積占反應器體積50% -100%)進行物質交換，反應器8上下端口有50-100 μ m的軟質篩網，能防止微膠囊隨血漿帶出反應器，蠕動泵7連接配套的外控設備或電磁閥，通過相應的程序控制，實現(xiàn)流向往復式轉變，達到反沖與混合效果，回路中配備1-5 μ m細胞濾膜，防止可能的泄漏細胞進入血液通路。
[0027]實施例2
[0028]肝細胞聚集體制備:灌注法或機械法得到的肝細胞，通過有限消化，形成細胞團，或消化后的單細胞經旋轉培養(yǎng)形成100-300 μ m的細胞團。
[0029]微囊化肝細胞制備:細胞團和海藻酸鈉混懸，細胞密度lX107-lX108Cells/ml，經高壓靜電制備儀滴入鈣液中，形成的海藻酸鈣膠珠和聚賴氨酸或殼聚糖溶液反應成膜。實驗室自制多通道制備儀，能在IOmin制備100ml的微囊化肝細胞，減少了制備過程對細胞活性的損傷。[0030]生物反應器:反應器設計體積200-2000ml，徑高比小于0.1_10，上下兩端口有50-100 μ m的軟質篩網，微囊化細胞從上端裝載，裝載體積在50% -100%，帶密封圈的法蘭封閉反應器。[0031]往復式流向轉換設備:帶外部控制-輸入的蠕動泵，蠕動泵配件外控模塊(通訊控制方式RS485)，計算機(上位機)，通訊轉換模塊(上位機通訊控制方式RS232轉為RS485)，計算機調試軟件(由蠕動泵廠家編譯，可自動控制流向，流速，泵啟動等)。計算機調試軟件提供數(shù)字控制信號，經通訊轉換模塊和泵外控模塊轉換成蠕動泵可接收的電平信號，從而控制蠕動泵自動完成往復式的流向轉換。
[0032]血漿灌注:肝衰竭病人血液經股動脈導出，經血漿分離系統(tǒng)，分離的血漿由蠕動泵驅動進入物理型人工肝回路，經血液透析器去除部分毒素后，從上端口進入儲血池(50-200ml)，儲罐上部預留1/5空體積，去除可能產生的氣泡，膜式氧合器管補充氧氣為生物反應器中細胞代謝提供足夠氧氣，血漿經蠕動泵驅動進入生物型人工肝回路，從上端口(下端口)進入生物反應器，由下端口(上端口)返回儲血池，電腦軟件驅動蠕動泵外控設備，產生往復電平,使蠕動泵往復式地改變流向(往復時間30s-3000s)，經處理的血漿經細胞篩網去除可能泄漏的細胞，血漿與分離的血細胞重新混合后輸回病人體內，為了防止儲血池中可能出現(xiàn)的“短路”現(xiàn)象，儲罐連接物理型人工肝回路的進出口為上下兩端，連接生物型人工肝回路的進出口為儲罐左右兩壁中下部，呈對稱式分布。
[0033]載微膠囊往復式生物反應器灌注實施例:采用微膠囊為高壓靜電法制備的海藻酸鈉-聚賴氨酸固化核心微膠囊，膜厚15-20 μ m,粒徑400-500 μ m。采用的反應器為中壓層析柱Φ IOmmX 80mm，微膠囊填充量高度為50mm，灌注液為0.9% NaCl溶液。泵速恒定40rpm，未填充微膠囊時對應流量為16ml/min,起始灌注方向為自上而下,通過外控設備控制螺動泵每20分鐘變換流向。從附圖2可以看出，填充床單一流向灌注，隨著灌注時間增長，流量逐漸減少如圖2實線部分，表明在持續(xù)的柱壓下，微膠囊填充床層出現(xiàn)堵塞，而通過每15分鐘往復式變流向，可以使流量穩(wěn)定在起始灌注流量16ml/min,如圖2虛線部分。另外,反應器內連續(xù)灌注6小時后，反應器內的微膠囊形態(tài)完整，破碎率小于1%如圖3，表明往復式生物反應器能夠有效減少填充床灌注堵塞現(xiàn)象，同時避免了在單向灌注持續(xù)柱壓造成的微膠囊破碎現(xiàn)象。
【權利要求】
1.一種基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝，包括包含裝載有微囊化肝細胞的生物反應器(8)，血漿分離器(1)，儲血池(5)，血液透析器(4)，膜式氧合器(6)，細胞濾膜(10)，除泡器(11)，其中通過儲血池構成兩個相對獨立的物理型和生物型人工肝通路，生物型人工肝通路流向往復式變化。
2.按照權利要求1所述基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝，其特征在于:所述的人工肝支持系統(tǒng)中物理型人工肝通路包括血漿分離器(1)，血漿分離器(I)包括血液輸入端、血漿輸出端和血細胞輸出端，血漿分離器血漿輸出端依次經蠕動泵(2)、肝素泵(3)、血液透析器(4)，接儲血池(5)，儲血池另一端經除泡器(11)，與血漿分離器的血細胞輸出端匯合。
3.按照權利要求1所述基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝，其特征在于:所述的人工肝支持系統(tǒng)中生物型人工肝通路，包括一端與物理型人工肝通路的儲血池(5)相連通，依次經蠕動泵(7)、載微膠囊生物反應器(8)、細胞篩網(10)，另一端再接儲血池，與儲血池相連接的兩接口都在血液液面下方。
4.按照權利要求1所述基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝，其特征在于:所述的人工肝支持系統(tǒng)具有兩個流速、流向相對獨立的物理型和生物型人工肝通路，生物型人工肝通路可自行調節(jié)流量在100-1000ml/min。
5.按照權利要求1所述基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝，其特征在于:所述的物理型人工肝通路，血液透析器位于儲血池之前，血漿經透析器處理后進入生物型人工肝通路； 所述的物理型和生物型人工肝通過儲血池連接，儲池體積在50-500ml，其內部耦合有膜式氧合器，能夠為微囊化細胞提供充足的氧。
6.按照權利要求1所述基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝，其特征在于:所述的生物反應器為上下等徑柱體或者不等徑錐形柱及其衍生形狀，徑高比0.1-10，體積在200-2000ml，微膠囊裝載體積在50% -100%。
7.按照權利要求1所述基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝，其特征在于:所述的生物反應器上下兩端具有10-100 μ m的篩網。
8.按照權利要求1所述基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝，其特征在于:所述的生物型人工肝通路能通過蠕動泵配套相應的外控設備和程序或者電磁閥實現(xiàn)自動往復式流向轉換，轉換頻率0.0002Hz-0.02Hz。
9.按照權利要求1所述基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝，其特征在于:所述的細胞可以為有限消化或培養(yǎng)形成的細胞團，包括同源、異源原代肝細胞、永生化細胞株、肝癌細胞株、定向誘導分化的干細胞或前體細胞，細胞密度為5X 106-5X IO8細胞每毫升微膠囊。
10.按照權利要求1或9所述基于載微膠囊往復式生物反應器的混合型人工肝，其特征在于:所述的微膠囊為靜電絡合、共價交聯(lián)形成的中空或含固相內核的生物微膠囊，其材料為天然或人工合成的具有良好生物相容性的高分子化合物，其粒徑在100-1000 μ m。
【文檔編號】A61M1/16GK103520787SQ201210234149
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年7月6日 優(yōu)先權日:2012年7月6日
【發(fā)明者】馬小軍, 陳立, 張英, 于煒婷, 李娜, 馬穎, 李珅, 王雨 申請人:中國科學院大連化學物理研究所