本發(fā)明屬于生物人工肝技術領域，尤其涉及一種半透膜分層一體式生物反應器。
背景技術：
我國乙型肝炎病毒攜帶者約占總人口的十分之一，而肝功能衰竭即可由單型病毒或兩種甚至兩種以上的病毒混合感染引起，另外食物藥物中毒和缺氧性肝損傷等原因亦可造成肝衰竭。中國肝衰竭病人眾多，尋求新的肝衰竭的有效治療手段成為亟待解決的問題。肝功能衰竭是一類嚴重的臨床疾病，有效治療手段少，多預后不良，原位肝移植是目前治療該病最為有效的手段之一。然而，由于供體器官的嚴重短缺、手術費用昂貴、長期使用免疫抑制劑引發(fā)嚴重感染、惡性腫瘤及慢性移植物失功等原因，目前只有少部分患者能夠獲得肝移植的機會，大部分患者因為等待時間過長或在等待肝移植手術過程中死亡。在這樣的背景下，旨在取代部分肝功能，為患者等待肝源或自身肝臟再生架起橋梁的人工肝支持系統(tǒng)得以發(fā)展。
人工肝支持系統(tǒng)包括物理人工肝和生物人工肝，物理人工肝系統(tǒng)雖可以去除體內代謝產生的一些毒素如膽紅素和膽汁酸等，但同時也可吸附一些有益蛋白和凝血因子等，治療效果不理想。近年來，生物人工肝系統(tǒng)已成為臨床研發(fā)熱點，生物人工肝系統(tǒng)即是將活性肝細胞(或具有肝功能的其他細胞)加入到系統(tǒng)內，由于肝細胞具有解毒、合成、生物轉化等肝功能，因此當患者血液流經反應器時，通過半透膜或直接接觸的方式與培養(yǎng)的細胞進行物質交換，可有效替代肝臟的解毒功能和合成功能，從而達到支持和治療目的。
生物反應器是生物人工肝系統(tǒng)的核心部分，一個理想的生物反應器應能達到如下要求：(1)為肝細胞提供良好的長期生長代謝環(huán)境；(2)能發(fā)揮必需的肝臟功能；(3)體積要盡可能地??；(4)要盡可能的減少死腔。就結構而言，生物反應器可分成以下四種：中空纖維管式、單層/多層平板式、灌流床/支架式和微囊懸液式。目前研究及應用最為廣泛的一類為中空纖維型，該反應器雖然設計經典，但也存在一些問題，如容積有限，細胞裝載量小，另外，細胞生長時易堵塞纖維絲，影響膜內外的物質交換。因此，如何設計研發(fā)生物反應器使其滿足日益擴大的需求越發(fā)重要。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的生物反應器容積有限，細胞裝載量小，血漿與肝細胞交換面積有限的問題；提供一種半透膜分層一體式生物反應器，它具有裝載細胞方便、裝載量大、提高物質的交換效率及均勻程度的特點。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設計的半透膜分層一體式生物反應器，包括腔體，設置在腔體一側的血漿分離器及設置在腔體另一側的生物反應器；血漿分離器和生物反應器通過分隔半透膜間隔開；
位于血漿分離器所在一側的腔體上開設有血液入口和血細胞出口，血漿分離器內部填充有多根中空纖維絲；所述中空纖維絲一端與血液入口連通，另一端與血細胞出口連通；
位于生物反應器所在另一側的腔體的頂部開設有血漿出口，生物反應器內水平設置有多層過濾半透膜，所述過濾半透膜用于阻隔游離細胞穿過且相鄰的兩個過濾半透膜與生物反應器的側壁一起形成一個獨立的濾層空間，每個獨立的濾層空間對應的腔體上設有肝細胞灌注口；最上層的過濾半透膜與生物反應器頂部保持分離；最下層的過濾半透膜與生物反應器底部形成夾層，所述夾層內填充有透氣纖維絲且所述夾層對應的腔體上設有進氣口，所述進氣口僅與透氣纖維絲連通；
所述血漿分離器和生物反應器通過設有分離泵的分離泵連接管將兩者連通；所述分離泵連接管的入口端位于所述血漿分離器所在一側的腔體的側壁下端，出口端位于所述生物反應器所在一側的腔體的底部。
進一步地，所述過濾半透膜及分隔半透膜均為平片膜元件，所述平片膜元件的周邊與腔體貼合固定。
優(yōu)選地，所述過濾半透膜的孔徑按照遠離所述分離泵連接管出口端的方向逐個遞減。
上述優(yōu)選方案的有益效果是：通過將過濾半透膜的表面細孔直徑采用逐個遞減的方式設置，不僅可以防止過濾半透膜發(fā)生堵塞，也能保證血漿流速均勻穩(wěn)定。
進一步地，所述血漿出口內設有阻止細胞透過的阻隔半透膜。
上述進一步方案的有益效果是：通過阻隔半透膜的作用，能避免細胞或細胞產物進入血液，阻隔大分子物質透過，防止過敏。
再進一步地，所述夾層在所述進氣口與透氣纖維絲之間還設有用于阻隔血漿/預充液的密封支架板；所述密封支架板與所述進氣口間距設置；所述密封支架板上開設有多個小孔；所述透氣纖維絲一端卡設在小孔內，且通過密封支架板與進氣口之間的空間與所述進氣口相連通。
優(yōu)選地，所述濾層空間對應的腔體上還設有備用出口及壓力傳感器。
上述優(yōu)選方案的有益效果是：通過壓力傳感器檢測是否有過濾半透膜發(fā)生堵塞，當發(fā)生堵塞時，通過備用的連接管接通兩個備用出口，防止過濾半透膜發(fā)生堵塞時造成循環(huán)中斷，使血漿通過備用的連接管進入下一個沒有過濾半透膜堵塞的濾層空間，使治療繼續(xù)進行。
進一步地，所述血液入口處設有與其連通的高氧水入口；所述分離泵連接管上還設有壓力檢測裝置。
上述進一步方案的有益效果是：通過高氧水入口向生物反應器內通入高氧水以氧合血漿同時保證細胞供氧，細胞培養(yǎng)效果更佳。
可選地，所述夾層對應的腔體上設有出氣口/預留口。
可選地，所述一體式生物反應器還包括設于腔體外的37℃保溫加熱套及搖床。
上述可選方案的有益效果是：通過加熱套的作用，使得本發(fā)明的半透膜分層一體式生物反應器控溫為37℃，并通過搖床的作用，使其可持續(xù)搖動，避免細胞堆積，使治療效果發(fā)揮到最佳。
進一步地，所述分隔半透膜的孔徑為0.3～5微米，最下層的過濾半透膜的孔徑為5微米。
本發(fā)明的有益效果是：通過改進現(xiàn)有人工肝系統(tǒng)中生物人工肝反應器的結構，將血漿分離器與生物反應器拼接或直接將血漿分離器置于生物反應器中，設計更簡單實用；通入高氧水以氧合血漿同時保證細胞供氧，通過透氣纖維絲的作用進一步提供足量的氧氣，能為細胞提供適宜代謝環(huán)境，保障細胞活性，使細胞培養(yǎng)效果更佳，有利于細胞功能的維持，提高治療效果；分離的血漿通過設有分離泵的分離泵連接管進入生物反應器，通過夾層后，再逐層透過間距設置的過濾半透膜，與濾層空間內的細胞進行物質交換，這樣可使血漿始終保持穩(wěn)定的均勻流速，細胞與血漿之間充分接觸，有利于提高兩類物質的交換效率，降解血漿效果更好；增大了細胞存放空間，加大了裝載量；通過過濾半透膜、阻隔半透膜的作用降低了細胞隨血漿進入人體的風險；過濾半透膜采用多層設置，相對于并聯(lián)生物反應器而言提高了細胞的使用效率；另外通過控溫和持續(xù)搖動，有利于細胞功能的發(fā)揮，使治療效果發(fā)揮到最佳。
附圖說明
圖1為本發(fā)明半透膜分層一體式生物反應器的結構示意圖。
圖中，血漿分離器1、生物反應器2、分隔半透膜3、血液入口4、血細胞出口5、中空纖維絲6、血漿出口7、過濾半透膜8、肝細胞灌注口9、濾層空間10、備用出口11、壓力傳感器12、透氣纖維絲13、高氧水入口14、正向蠕動泵15、阻隔半透膜16、管路17、出氣口/預留口18、血漿分離器備用加樣口19、壓力檢測裝置20、腔體21、分離泵22、分離泵連接管23、進氣口24、夾層25、密封支架板26。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
如圖1所示的半透膜分層一體式生物反應器，包括腔體21，設置在腔體21一側的血漿分離器1及設置在腔體21另一側的生物反應器2；血漿分離器1和生物反應器2通過分隔半透膜3間隔開；
位于血漿分離器1所在一側的腔體21上開設有血液入口4和血細胞出口5，血漿分離器1內部填充有多根中空纖維絲6；中空纖維絲6一端與血液入口4連通，另一端與血細胞出口5連通；
位于生物反應器2所在另一側的腔體21的頂部開設有血漿出口7，生物反應器2內水平設置有多層過濾半透膜8，過濾半透膜8用于阻隔游離細胞穿過且相鄰的兩個過濾半透膜8與生物反應器2的側壁一起形成一個獨立的濾層空間10，每個獨立的濾層空間10對應的腔體21上設有肝細胞灌注口9；最上層的過濾半透膜8與生物反應器2頂部保持分離；最下層的過濾半透膜8與生物反應器2底部形成夾層25，夾層25內填充有透氣纖維絲13且夾層25對應的腔體21上設有進氣口24，進氣口24僅與透氣纖維絲13連通；
血漿分離器1和生物反應器2通過設有分離泵22的分離泵連接管23將兩者連通；分離泵連接管23的入口端位于血漿分離器1所在一側的腔體21的側壁下端，出口端位于生物反應器2所在一側的腔體21的底部。
過濾半透膜8及分隔半透膜3均為平片膜元件，平片膜元件的周邊與腔體21貼合固定。
過濾半透膜8的孔徑按照遠離分離泵連接管23出口端的方向逐個遞減。通過將過濾半透膜8的表面細孔直徑采用逐個遞減的方式設置，不僅可以防止過濾半透膜8發(fā)生堵塞，也能保證血漿流速均勻穩(wěn)定。
血漿出口7內設有阻止細胞透過的阻隔半透膜16。通過阻隔半透膜16的作用，能避免細胞或細胞產物進入血液，阻隔大分子物質透過，防止過敏。
夾層25在進氣口24與透氣纖維絲13之間還設有用于阻隔血漿/預充液的密封支架板26；密封支架板26與進氣口24間距設置；密封支架板26上開設有多個小孔；透氣纖維絲13一端卡設在小孔內，且通過密封支架板26與進氣口24之間的空間與進氣口24相連通。
濾層空間10對應的腔體21上還設有備用出口11及壓力傳感器12。通過壓力傳感器12檢測是否有過濾半透膜8發(fā)生堵塞，當發(fā)生堵塞時，通過備用的連接管(圖未示)接通兩個備用出口，防止過濾半透膜8發(fā)生堵塞時造成循環(huán)中斷，使血漿通過備用的連接管進入下一個沒有過濾半透膜8堵塞的濾層空間10，使治療繼續(xù)進行。
血液入口4處設有與其連通的高氧水入口14；分離泵連接管23上還設有壓力檢測裝置20。通過高氧水入口向生物反應器內通入高氧水以氧合血漿同時保證細胞供氧，細胞培養(yǎng)效果更佳。
夾層25對應的腔體21上設有出氣口/預留口18。
一體式生物反應器還包括設于腔體21外的37℃保溫加熱套(圖未示)及搖床(圖未示)。通過加熱套的作用，使得本發(fā)明的半透膜分層一體式生物反應器控溫為37℃，并通過搖床的作用，使其可持續(xù)搖動，避免細胞堆積，使治療效果發(fā)揮到最佳。
分隔半透膜3的孔徑為0.3～5微米，最下層的過濾半透膜8的孔徑為5微米。
血細胞出口5與血漿出口7通過管路17連接匯合，在匯合后的管路17上設有正向蠕動泵15；通過正向蠕動泵15拉動系統(tǒng)循環(huán)的進行。血漿分離器1上還開設有血漿分離器備用加樣口19。
本發(fā)明的原理如下
本發(fā)明的肝細胞灌注為微載體灌注法，即將貼附在微載體上的細胞連同微載體通過每個肝細胞灌注口9灌注入，灌注體積約為濾層空間10體積的2/3。
當血液從血液入口4進入血漿分離器1中，在中空纖維絲6的作用下，血液被分離，血細胞和部分血漿從血細胞出口5流出，剩余部分血漿通過分離泵連接管23進入生物反應器2內；血漿首先處于設有透氣纖維絲13的夾層25內，進氣口24向夾層25內充入氧氣，之后血漿透過最下層的過濾半透膜8進入濾層空間10，并與該濾層空間10內的細胞進行充分反應，反應后進入下一個濾層空間10，依次進行，逐層穿過過濾半透膜8，直至血漿透過最上層的過濾半透膜8，最后通過血漿出口7排出，并與血細胞出口5排出的血細胞和部分血漿混合后輸入人體。由于靠近分離泵連接管23出口端的過濾半透膜8更易發(fā)生堵塞，因此采用將過濾半透膜8的孔徑按照遠離分離泵連接管23出口端的方向逐個遞減的設計，使得過濾半透膜8既可以穩(wěn)定血漿流速，又能防止堵塞；同時壓力傳感器12能夠檢測是否有過濾半透膜8發(fā)生堵塞，當發(fā)生堵塞時，通過備用的連接管接通兩個備用出口11，防止過濾半透膜8發(fā)生堵塞時造成循環(huán)中斷，使血漿通過備用的連接管進入下一個沒有堵塞的過濾半透膜8之前，使治療繼續(xù)進行。