[发明专利]双向灌注式生物反应器控制系统和方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及生物医学技术领域，尤其涉及一种双向灌注式生物反应器控制系统和方法。

【背景技术】

肝功能衰竭是各种肝病的终末期表现，患者病情危重，病死率高，预后极差。肝脏移植手术是目前公认的最为有效的治疗方法，但由于供体缺乏、技术难度高等原因，极大地限制了肝移植手术的广泛开展。以体外培养肝细胞为基础的生物人工肝等治疗手段的出现，有望像人工肾曾使肾衰竭治疗产生革命性变化一样，为肝衰竭的现代治疗提供有效手段，然而，如何合理设计新型生物反应器，实现体外肝细胞的长期大规模培养，仍是目前强烈限制生物人工肝发展的瓶颈问题，也是目前亟待解决的重要课题。

生物反应器是生物人工肝的核心部分，其性能直接关系到人工肝的支持效果。目前研究及应用的众多生物反应器主要分为以下几种类型，虽然已有部分生物人工肝生物反应器已进入临床实验，但目前仍未有一种理想的生物反应器可充分满足临床运用需要：

1、中空纤维型生物反应器：是目前研究及应用最为广泛的一类反应器。其优点是异种蛋白可以隔离，同时防止人体内针对异种细胞抗原的预存抗体对装载细胞的杀伤作用。因而比较适合异种细胞类(如猪肝细胞)生物反应器。目前该反应器仍存在以下问题：(1)容积有限，细胞装载量小，培养液与肝细胞交换面积有限，不利于体外规模化扩增；(2)半透膜的侧孔易被细胞团堵塞，影响交换效率，亦不利于肝细胞的功能与活力的长期有效维持；因此中空纤维型生物反应器不是最佳的生物人工肝生物反应器。

2、平板生物反应器：该类反应器是将肝细胞直接种植于平板上，它的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，反应器细胞为单层培养，不能长期有效存活并保持功能与活性，且不易放大，无法达到临床要求。

3、微囊悬浮生物反应器：该生物反应器是将肝细胞用一种半透膜材料包裹，制成多孔微囊，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.缺点是由于半透膜的存在以及肝细胞间的相互聚集，导致囊内外物质能量的交换受限。此外，Hoshiba[11]等研究亦表明，肝细胞为贴壁依赖性细胞，如失去对支架材料的贴附，可促发细胞发生凋亡。因此，这类生物反应器亦不是体外规模化培养肝细胞的最佳选择。

4、搅拌式生物反应器是一类开发较早且在研究和生产中应用广泛的灌注床/支架生物反应器。该反应器是通过搅拌来使细胞及支架材料达到悬浮状态，在罐体顶端还装有传感器，可连续监测培养物的温度、pH、pO2、葡萄糖消耗等参数，其最大优点是能培养各种类型的动物细胞、培养工艺容易放大，但这种生物反应器也有美中不足之处，即机械搅拌会产生一定剪切力，容易对细胞造成较大程度上的损伤，因而限制了其进一步的运用。

鉴于对目前各种类型生物反应器设计思路的分析，有必要借鉴一些现有技术来进行优化。

请参阅1999年11月23日公开的US5989913号专利申请，其公开的一种培养器，该培养器包括：一筒形器皿，具有第一和第二端壁和置于该两个端壁之间的一筒形壁，一入口，一出口，及第一和第二过滤器，所述第一和第二过滤器具有多个开口，该开口允许液体培养基和细胞代谢废料通过并阻止细胞和细胞簇通过；一培养室，由所述筒形壁、第一和第二端壁，以及所述第一和第二过滤器共同定义，该培养室具有一通透的纵长轴；一装置，用于围绕水平的纵长轴旋转该筒形器皿；一泵，用于维持液态培养基脉流通过该培养室。

目前由美国航空航天局(NASA)设计并应用于微重力生命科学领域的旋转培养系统(RCCS)，经过近二十几年的相关研究，已成功广泛地运用于兔角膜细胞、骨骼肌细胞、成骨细胞等多个组织工程领域中。其系列产品中的最新成员旋转灌注微重力生物反应器(RCMW)，具有与前述US5989913号专利申请相应的结构，可通过培养容器水平旋转来达到使容器中的微载体与细胞克服重力而达到悬浮状态，并通过外置蠕动泵来实现容器内氧气、营养物质与代谢产物的双向循环。但是，本申请人在前期运用该生物反应器的过程中发现，该反应器目前仍存在营养供应不足、灌注不均一及易堵塞等瓶颈问题，主要表现在：

首先，培养器皿内双向物质交换效率低：由于培养器皿内部的纵长轴的出口及入口均被滤膜所包覆，导致一部分培养基穿过滤膜后与膜外培养室内的培养基进行养分和氧气的交换，实现“有效循环”；另一部分培养基则以滤膜与该纵长轴之间的间隙为通道，直接流出培养器皿之外，不能完成养分和氧气交换的功能，会导致培养器皿内的细胞组织营养供应不足，成为“无效循环”。