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人工肝用扩张床载微胶囊反应器

阅读：579发布：2020-08-22

专利汇可以提供人工肝用扩张床载微胶囊反应器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提供一种高效的生物人工肝系统的构建方法，操作方式是血液或血浆经精心设计的液体分布器，从床层底部泵入，床内的微胶囊以不同程度向上扩张，当微胶囊颗粒的沉降速度与流体向上的流速相等时，扩张床达到平衡，即微胶囊比较均匀、稳定且疏松地分布于床层内，液体的返混程度极小，血液或血浆可以顺利通过微胶囊床层。该技术能够提供充分的液体流动及物质交换环境，有利于包裹于微胶囊中肝种子细胞维持其活性并发挥其解毒功能，能够显著强化肝种子细胞与血液的物质交换和种子细胞自身的物质代谢效率。，下面是人工肝用扩张床载微胶囊反应器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种人工肝用扩张床载微胶囊反应器，包括扩张床反应器，液体分布器，其中扩张床反应器内装载包埋有肝种子细胞的微胶囊，微胶囊内未包埋或包埋有相应密度的固相颗粒，微胶囊具有粒径分布，有利于在床层内形成稳定的流化状态，提供充分的液体流动及物质交换环境。
2.如权利要求1所述的人工肝用扩张床载微胶囊反应器，其特征在于：扩张床反应器包括下端液体分布器，扩张床底部为下端液体分布器，液体分布器确保流体均匀分布进入床层，下端液体分布器包括一个下分布头和一个丝网，丝网在下分布头上部，丝网的上部和下分布头的下部为垫环和O型环，以密封下分布头，下分布头外为套管。
3.如权利要求1所述的人工肝用扩张床载微胶囊反应器，其特征在于：扩张床反应器包括上部可调节高度的活塞，扩张床反应器上部为可调节高度的活塞，通过高度调节器能够调节扩张床柱体上部的活塞保持在扩张的微胶囊液面上方，所述活塞包含或不包含上端液体分布器，上端液体分布器包括一个上分布头、一个丝网和一个连接杆，丝网位于上分布头的下部，连接杆为中空结构，用于连接上分布头，连接杆外为套管，套管下部为垫环和O型环，柱体上部为固定装置，用于固定连接杆，连接杆上部或其它合适位置为固定装置，用于压紧垫环和O型环，固定活塞的位置并密封上分布头。
4.如权利要求1所述的人工肝用扩张床载微胶囊反应器，其特征在于：扩张床反应器上部的可调节高度的活塞保持在扩张的微胶囊液面上方1～2cm处。
5.如权利要求1所述的人工肝用扩张床载微胶囊反应器，其特征在于：扩张床反应器包括柱体，所述柱体的内表面光滑，柱体为上下等径柱体或其它衍生形状，径高比0.1～50，柱体材质为玻璃、石英或金属合成或非合成材料，柱体外壳未设有或设有一个或多个带阀门的采样及微胶囊灌注口。
6.如权利要求1所述的人工肝用扩张床载微胶囊反应器，其特征在于：扩张床反应器装载包埋有肝种子细胞的微胶囊，所述微胶囊内未包埋或包埋有介质密度大于1g/ml的微粒，所述包埋的微粒介质包括天然或人工合成的物质，包埋的微粒介质粒径在5纳米～50微米，微胶囊粒径分布范围为50～500微米。
7.如权利要求1所述的人工肝用扩张床载微胶囊反应器，其特征在于：扩张床反应器装载包埋有肝种子细胞的微胶囊，所述肝种子细胞为肝癌细胞系、定向诱导分化的肝干细胞以及原代肝细胞。
8.如权利要求1所述的人工肝用扩张床载微胶囊反应器，其特征在于将高度过程集成化的蛋白质扩张床层析技术引入人工肝系统，开发了高效的微胶囊和扩张床集成技术构建生物人工肝系统的方法，该技术能够提供非常充分的液体流动及物质交换环境，有利于包裹于微囊中肝种子细胞的活性及功能，能够显著强化肝种子细胞与血液的物质交换和种子细胞自身的物质代谢效率。

说明书全文

人工肝用扩张床载微胶囊反应器

技术领域

[0001] 本发明涉及生物医学设备技术领域，涉及一种临床治疗急性肝衰竭的人工肝系统，即高效生物人工肝系统的开发，即用微胶囊和扩张床集成技术构建高效生物人工肝系统的方法。

背景技术

[0002] 肝移植是治疗终末期肝病最有效的方法。过去几十年来部分肝切除术已成为肝脏肿瘤的常见治疗手段。在肝移植或部分肝切除手术后，部分患者由于残余肝体积不够而发展成术后肝衰竭，导致死亡。

[0003] 人工肝是通过体外循环代替肝衰竭患者肝脏功能的装置。人工肝装置包括非生物型人工肝与生物型人工肝。生物型人工肝在体外完成肝脏的解毒及代谢功能，较非生物型人工肝更具优势。因此，目前生物人工肝的研究受到广泛关注。其核心为大量高质量的肝种子细胞。如何较长时间维持肝种子细胞的活性，是现实存在的挑战。

[0004] 近年来，微胶囊在生物技术领域的应用引起了学术界和产业界的重视。前期在生物人工肝研究中选用微囊化技术制备的细胞支架材料具有如下两方面优势：第一，微囊内肝种子细胞具有三维立体结构，通透性较好、表面积与体积比较大，物质交换效率高；第二，微囊化肝种子细胞悬浮于培养液中，细胞密度较大，易于进行大规模培养。然而，在实际上装置后，受制于已有生物反应器(例如填充床式和流化床式生物反应器)的限制，物质交换和物质代谢效率并不理想。

[0005] 扩张床吸附技术是近一二十年来出现的一种新型生物分离模式，其充分体现了生物分离技术中过程集成化的思想。我们和众多学者的研究表明，该技术兼备流化床和填充床的优势，显著提高了目标产物收率，降低了纯化时间和费用。关键之处是该技术能够提供非常充分的液体流动及物质交换环境。目前该技术在蛋白质纯化分离中的应用及相关研究报道较多，有些已达生产规模。但是在生物人工肝等领域还未见报道。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服已有的生物反应器(例如填充床式和流化床式生物反应器)中肝种子细胞和血液的物质交换和物质代谢效率低的缺点。考虑扩张床技术能够提供充分的液体流动及物质交换环境。因此，本发明将高度过程集成化的蛋白质扩张床层析技术引入生物人工肝系统，开发了高效的微胶囊和扩张床集成技术替代传统的生物人工肝装置，简化了操作步骤，缩短了操作时间，克服了填充床等装置床层压降大、微胶囊易破碎等缺点，同时有利于包裹于微胶囊中肝种子细胞的活性及功能，显著强化了物质交换和物质代谢效率。

[0007] 本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

[0008] 一种人工肝用扩张床载微胶囊反应器，包括扩张床反应器，液体分布器，其中扩张床反应器内装载包埋有肝种子细胞的微胶囊，微胶囊内未包埋或包埋有具有相应密度介质的微粒，微胶囊在扩张床内形成可控的稳定流化工作状态。

[0009] 所述人工肝用扩张床载微胶囊反应器包括扩张床反应器，扩张床反应器包括上端和下端液体分布器以及柱体。扩张床底部为下端液体分布器，液体分布器确保流体均匀分布进入床层。下端液体分布器包括一个下分布头和一个丝网；丝网在下分布头上部；丝网的上部和下分布头的下部为垫环和O型环，以密封下分布头；下分布头外为套管。

[0010] 所述人工肝用扩张床反应器上部为可调节高度的活塞，通过高度调节器能够调节扩张床柱体上部的活塞保持在扩张的微胶囊液面上方适当位置处(例如，1～2cm处)。活塞含上端液体分布器，上端液体分布器包括一个上分布头、一个丝网和一个连接杆，丝网位于上分布头的下部，连接杆为中空结构，用于连接上分布头；连接杆外为套管，套管下部为垫环和O型环，柱体上部为固定装置，用于固定连接杆，连接杆上部或其它合适位置为固定装置，用于压紧垫环和O型环，固定活塞的位置并密封上分布头。

[0011] 所述人工肝用扩张床反应器包括柱体，所述柱体的内表面光滑，柱体为上下等径柱体或其它衍生形状，径高比0.1～50。

[0012] 所述人工肝用扩张床载微胶囊反应器，扩张床反应器装载包埋有肝种子细胞的微胶囊，所述微胶囊内未包埋或包埋有密度大于1g/ml的微粒，所述包埋的微粒介质包括天然或人工合成的物质，包埋的微粒介质粒径在5纳米～50微米。微胶囊粒径分布范围为50～500微米。

[0013] 所述的人工肝种子细胞为肝癌细胞系、定向诱导分化的肝干细胞以及原代肝细胞等。

[0014] 与现有技术相比，本发明提供的人工肝装置使用微胶囊和扩张床集成技术，通过选用合适粒径分布的微胶囊和操作条件，确保床层内的液相返混程度控制在经典的蛋白质扩张床层析范围内，从而实现肝种子细胞和血液或血浆之间充分的液体流动及物质交换，达到替代肝脏进行解毒的功能。本发明提供的方法能够降低反应器内压力，可大幅减轻剪切损伤，减少微胶囊破损。微胶囊通过内置高密度固相内核，以及控制微胶囊粒径尺寸的分布，能够确保在较宽流速范围内维持微胶囊在反应器内的扩张状态，大幅减少固相返混和死角、回流以及短路，满足扩张床的装填和操作要求。附图说明

[0015] 图1为本发明的人工肝用扩张床载微胶囊反应器柱体结构示意图。

[0016] 图2为平均粒径为300微米的不同密度的微胶囊的扩张特性(a)，以及载微胶囊扩张床内轴向的混合程度(b)。扩张床的扩张比定义为床层稳定扩张高度(H)与填充高度(H0)之比。

[0017] 图中：1.窄管，2.活塞，3.采样及微胶囊添加口，4.垫圈，5.丝网，6.薄板，均匀分布直径1-5毫米的孔，7.固定用螺钉，示意三个，8.套管，9.顶部管外开螺扣，配螺母，10.管路，11.配套开螺扣。

具体实施方式

[0018] 如图1所示，一种人工肝用扩张床载微胶囊反应器，包括扩张床反应器，液体分布器，其中扩张床反应器内装载包埋有肝种子细胞的微胶囊，微胶囊内未包埋或包埋有具有相应密度介质的微粒，微胶囊在扩张床内形成可控的稳定流化工作状态。

[0019] 实施例

[0020] 肝种子细胞的制备

[0021] 通过灌流法从肝组织中获得原代肝细胞。或者利用肝癌细胞系HepG2，或者利用其他永生化肝细胞等作为肝种子细胞，应用转瓶培养获得足量肝细胞。例如，将细胞接种于5L转瓶中，300ml含有血清的DMEM培养基，37摄氏度5％二氧化碳条件下培养，两至三天更换培养基。

[0022] 包埋有微粒的载肝种子细胞的微胶囊制备

[0023] 介质微粒为硅胶、Fe2O3等微粒，粒径5纳米～50微米，1.9％海藻酸钠溶液0.22微米滤膜除菌，肝细胞和1.9％海藻酸钠混悬，细胞密度为1×107cells/ml，应用微囊发生器或高压静电制备仪滴入氯化钙溶液中，形成的海藻酸钙胶珠与多聚赖氨酸或壳聚糖的溶液反应30～40分钟成膜，生理盐水清洗微囊，加入含血清的培养基在37摄氏度5％二氧化碳培养箱内培养。

[0024] 未包埋有微粒的载肝种子细胞的微胶囊制备

[0025] 1.9％海藻酸钠溶液0.22微米滤膜除菌，肝细胞和1.9％海藻酸钠混悬，细胞密度7
为1×10cells/ml，应用微囊发生器或高压静电制备仪滴入氯化钙溶液中，形成的海藻酸钙胶珠与多聚赖氨酸或壳聚糖的溶液反应30～40分钟成膜，生理盐水清洗微囊，加入含血清的培养基在37摄氏度5％二氧化碳培养箱内培养。

[0026] 两种方法制备的微胶囊在成膜性能和机械强度等方面无明显差异，经体外对制备的包埋有微粒和未包埋有微粒的载肝种子细胞的微胶囊内肝种子细胞的活性及功能检测，证明两种方法制备的微胶囊内肝种子细胞的性能相近。

[0027] 人工肝用扩张床载微胶囊反应器

[0028] 反应器的反应腔室为柱形，柱体的内表面光滑，柱体为上下等径柱体或其它衍生形状，径高比0.1～50。上端和下端设有液体分布器。液体分布器带密封圈的法兰封闭反应器。见附图1。

[0029] 扩张床反应器扩张性能

[0030] 选择平均粒径为300微米的包埋Fe2O3微粒的微胶囊和未包埋微粒的微胶囊装填扩张床，填充高度2cm，床层扩张高度随操作流速的变化见图2a。随流速增大，床层的扩张率增大。未包埋微粒的微胶囊，相同流速下床层的扩张率增大。包埋微粒的微胶囊，相同流速下其床层扩张率明显减少，扩张床的操作流速范围增大。未包埋微粒的微胶囊在80ml/min的操作流速下床层高度膨胀至原来的4倍左右，包埋微粒的微胶囊在该操作流速下，床层高度仅膨胀了大约1.6倍。此外，包埋有Fe2O3微粒的微胶囊扩张床的轴向分散系数很小，数量级-5 2在10 m /s(图2b)，符合经典蛋白质扩张床层析的流体力学范围。表明扩张床的固相返混小，物质交换和物质代谢效率高，扩张床载微囊反应器能够在较大的操作流速范围内实现稳定操作。

[0031] 本发明请求保护的范围并不局限于具体实施方式的描述。

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