组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器

摘要

本发明公开了一种组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器，交换器壳体的腔室设有循环培养液入口和出口，壳体上设置新鲜培养液入口和出口，腔室内设置用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束连通新鲜培养液的入口、出口，壳体上设置气体出口和气体入口，腔室内设置用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束连通气体的入口、出口，使壳体的腔室形成密闭空间。不需开仓就能使氧和二氧化碳、新鲜培养液、循环培养液在交换器中完成气/液和液/液交换更新，并通过密闭腔室保证新鲜培养液、循环培养液的脉冲式循环，为实现组织工程组织仿生培育提供支持。

权利要求

1.一种组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器，其特征在于：包括带腔室的壳体，壳体的腔室设有用于与培养室相连的循环培养液入口和出口，壳体上设置用于与新鲜培养液储存器相连的新鲜培养液入口和出口，腔室内设置用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束连通新鲜培养液的入口、出口，壳体上设置气体出口和用于与气源相连的气体入口，腔室内设置用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束连通气体的入口、出口，使壳体的腔室形成密闭空间。

2.根据权利要求1所述的组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器，其特征在于：所述用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束与用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束呈交错状态分布在壳体的腔室内。

3.根据权利要求1或2所述的组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器，其特征在于：所述亲水性中空纤维生物半透膜、疏水性中空纤维生物半透膜均采用聚醚砜膜。

4.根据权利要求1所述的组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器，其特征在于：所述壳体为筒状体，筒状体的筒壁上分别设置有作为循环培养液入口、出口的连接嘴，筒状体的两端分别设置密封盖，气体和新鲜培养液的入口、出口分别设于筒状体两端的密封盖上。

5.根据权利要求4所述的组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器，其特征在于：所述密封盖包括内盖、外盖，内盖连接在筒状体上，内盖上分别设有固定用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束的端部的孔，和固定用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束的端部的孔，其中一个孔设有连接嘴穿过外盖外伸，另一个孔为通孔，外盖连接在筒状体或内盖上，外盖与内盖之间形成空腔，外盖上设有另一连接嘴与空腔相通。

6.根据权利要求1所述的组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器，其特征在于：所述壳体为袋状体，袋状体相对的两侧分别设置作为循环培养液的入口和出口的连接嘴，袋状体相对的两侧分别设置有气体和新鲜培养液的入口、出口，用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束的两端分别连接于气体的入口、出口，用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束的两端分别连接于新鲜培养液的入口、出口，气体和新鲜培养液的入口、出口均设有连接嘴。

7.根据权利要求1、2或4～6任一所述的组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器，其特征在于：所述壳体的材料采用聚碳酸酯材料。

说明书

组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器

技术领域

[0001] 本发明涉及生物医学工程组织培育领域，特别涉及一种组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器。

背景技术

[0002] 生物组织工程化培育，需要将所培育的组织放置在工程化组织培育系统的培养室内的培养液中进行培育，由培养液为培育的组织提供所需的营养。由于培养液使用一段时间后其中的营养物质将消耗，因此需要对培养室内的培养液的进行更新，使新鲜培养液能够将营养物质带入培养室内，让培养室中的培养液能够保持足够的营养成分，为培育的组织提供营养。通常现有的工程化组织培育系统使用时的培养液更换，是采用将培养室开仓更换新鲜培养液，即打开培养室取出部分使用过的培养液，再注入新鲜培养液，这种开仓更换培养液的方式，在每次更换培养液的过程中容易破坏培养过程生物化学微环境的稳态，并且随取出的培养液丢失部分组织分泌的活性因子，影响组织培养的效果；而且这种开仓更换培养液操作繁琐，容易引起细菌污染，导致组织培养失败。公开号为CN1155690C的《循环和生理应力模拟工程化组织三维培养装置》的技术方案，提供了一种连续灌注使培养液循环流动的培养装置，它通过设置循环培养液储存瓶，循环培养液储存瓶通过硅胶管与培养室连通形成循环，循环培养液储存瓶的新培液进口通过一硅胶管连通新鲜培养液储存瓶，培养室通过硅胶管与废液收集瓶连通，使循环培养液储存瓶中的循环培养液在液流驱动装置的驱动下经过培养室形成循环和排放，以及使新鲜培养液储存瓶中的新培液在液流驱动装置的驱动下向循环培养液储存瓶补充新鲜培养液，这种培养装置能够使循环培养液形成循环流经培养室，避免了培养室在培育过程中多次开仓更换新培液，与传统的培养装置相比有所进步，但是这种新鲜培养液储存瓶与循环培养液储存瓶之间没有循环结构，新鲜培养液只是添加注入循环培养液储存瓶中与循环培养液混合，而且要向循环培养液储存瓶中注入添加一定量的新鲜培养液，就必须排放一定量的循环培养液，这样会导致新鲜培养液储存瓶中的新鲜培养液量越来越少，直至用完，只能满足较短时间的培养液用量，对于较长时间组织工程组织培养，还需开瓶添加新鲜培养液，虽然减少了开瓶添加新鲜培养液的次数，与传统的培养装置相比有所进步，仍存在污染的可能；并且这种装置只是完成循环培养液和新鲜培养液的量的更换，并不能形成循环培养液与新鲜培养液的营养成分的交换，而组织培养过程中组织分泌的活性因子同样会随着培养液的排放而部分丢失，不能再利用。同时，该装置的循环培养液储存瓶为空腔结构，循环培养液储存瓶的上端设有排气口与外界大气相通，一根与气体钢瓶连通的硅胶管从循环培养液储存瓶上端的进口插入，硅胶管端部设有的微孔气体注入器插入循环培养液储存瓶中的培养液中，而且新鲜培养液储存瓶上端同样设有排气口与外界大气相通，致使循环培养液储存瓶内、新鲜培养液储存瓶内都没有形成密闭空间，因此循环培养液的循环驱动只适合采用蠕动泵作为液流驱动装置的灌注式循环，如采用脉冲式伸缩泵将使循环培养液储存瓶中的培养液在伸缩泵的驱动压力下从排气口喷射出，因此无法形成模拟心脏运动的脉冲式仿生循环，不能构成真正意义的组织工程组织仿生培育。鉴于上述的原因，目前组织工程组织培育领域中没有能够同时模拟肺脏气体交换功能、肾脏排泄代谢废物功能和人体营养供给功能的装置，还不能实现真正意义的物质交换仿生，因此需要一种既不开仓就能更新培养液，又能实现培养液营养成分和气体成分的更新的装置，来实现组织工程组织的仿生培育。

[0003] 而且，目前组织工程组织培育领域中气液交换的方式主要有：培养瓶上端不密封，让空气与培养液液面接触，形成空气与培养液自然交换；在培养瓶中插入氧气管，在氧气管端设置微孔气体注入器，通过向培养液中注入氧气产生气泡与培养液接触充氧，这种方式的缺点是气泡会导致液面产生大量泡沫，容易滋生细菌形成污染，导致组织培养失败；还有一种采用半透膜将培养室口封闭，培养液充满培养室，通过半透膜实现气液交换，虽然减少了气液交换所导致污染的机会，但交换效率低，不适应组织工程组织工业化生产。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器，它通过设置在壳体的腔室内的用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束和用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束，不需开仓就能使氧和二氧化碳、新鲜培养液、循环培养液在交换器中完成气/液和液/液交换更新，并通过密闭腔室保证新鲜培养液、循环培养液的脉冲式循环，为实现组织工程组织的仿生培育提供支持。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：包括带腔室的壳体，壳体的腔室设有用于与培养室相连的循环培养液入口和出口，壳体上设置用于与新鲜培养液储存器相连的新鲜培养液入口和出口，腔室内设置用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束连通新鲜培养液的入口、出口，壳体上设置气体出口和用于与气源相连的气体入口，腔室内设置用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束连通气体的入口、出口，使壳体的腔室形成密闭空间。

[0006] 由于采用了上述方案，壳体的腔室设有用于与培养室相连的循环培养液入口和出口，使该腔室能够与培养室形成循环通道，让循环培养液能够在本交换器与培养室之间循环，为培养室内的培育组织提供营养。在壳体上设置用于与新鲜培养液储存器相连的新鲜培养液入口和出口，腔室内设置用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束连通新鲜培养液的入口、出口，使新鲜培养液能够从亲水性中空纤维生物半透膜的腔内经过形成相对独立的循环，同时新鲜培养液在经过亲水性中空纤维生物半透膜的腔内时，能够利用亲水性中空纤维生物半透膜的亲水性性能，与腔室内的循环培养液通过亲水性中空纤维生物半透膜进行营养物质和代谢产物的交换，增添循环培养液中的营养物质，同时带走循环培养液中的代谢产物，由此使循环培养液的营养成分得到补充，组织代谢产物得到排除，模拟肾脏功能实现培养液的液体与液体之间交换。由于新鲜培养液与循环培养液具有各自相对独立的循环系统，并且还能够相互进行交换，因此培养液的循环驱动能够采用伸缩泵模拟人体心脏跳动的脉冲方式，使培养液进行循环为培育的组织提供营养。在壳体上设置气体出口和用于与气源相连的气体入口，腔室内设置用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束连通气体的入口、出口，使含有O2的混合气体能够在经过疏水性中空纤维生物半透膜的腔内时向循环培养液供O2，并同时带走培养液中的CO2，模拟肺功能实现气/液交换，促进培养液的更新。由于用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束形成一个相对独立的气体通道，而液体不能从该通道流走，故使壳体的腔室形成一个密闭空间，即使在伸缩泵模拟人体心脏跳动的脉冲方式的压力下，壳体腔室内的培养液也不会喷射出壳体。本发明组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器形成气/液和液/液一体化交换，能够实现不开仓就能更新培养液，并且使氧和二氧化碳、新鲜培养液、循环培养液在交换器中完成气/液和液/液交换更新，而且培养液在密闭空间内循环和交换更新，培养液的液面也不会产生泡沫，完全杜绝培养液被污染，又能实现培养液脉冲式循环更新，从而实现真正意义的人体血液循环的脉冲式仿生培育。由于培养液在密闭空间内循环和交换更新，在组织培育过程中不会排放培养液，培养液总量不会减少，因此用较少量的新鲜培养液就能够完成较长时间的组织工程组织培育过程，既减少新鲜培养液的用量，降低成本，又使组织工程组织培育具备了产业化生产的条件。并且由于气/液和液/液交换均采用中空纤维生物半透膜集束，若干中空纤维生物半透膜组成的集束能够使交换面积增加，提高交换效率。以本气/液和液/液交换器作为组织工程组织制备系统中的重要设备，能够使组织工程组织的制备形成产业化生产。

[0007] 同时，本发明的壳体采用聚碳酸酯材料制作成筒状体或袋状体，能够降低成本，用于临床的一次性使用，避免重复使用因清洗消毒不严而导致的污染。

[0008] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

[0009] 图1是本发明交换器壳体为筒状体的一种实施例结构示意图；

[0010] 图2是本发明交换器壳体为筒状体的另一种实施例结构示意图；

[0011] 图3是本发明交换器壳体为袋状体的一种实施例结构示意图；

[0012] 图4是本发明交换器壳体为袋状体的另一种实施例结构示意图

[0013] 附图中，1为壳体，2为内盖，3为外盖，4为气体入口，5为新鲜培养液入口，6为循环培养液入口，7为亲水性中空纤维生物半透膜集束，8为疏水性中空纤维生物半透膜集束，9为循环培养液出口，10为气体出口，11为新鲜培养液出口。

具体实施方式

[0014] 参见图1，本实施例的组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器，包括采用聚碳酸酯材料制作的带腔室的壳体1，壳体1的腔室设有用于与培养室相连的循环培养液入口6和出口9，壳体1上设置用于与新鲜培养液储存器相连的新鲜培养液入口5和出口11，腔室内设置用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束7连通新鲜培养液的入口5、出口11，壳体1上设置气体出口10和用于与气源相连的气体入口4，腔室内设置用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束8连通气体入口4、出口10，使壳体的腔室形成密闭空间。本实施例的壳体1制作为筒状体，筒状体的筒壁上分别设置有分别作为循环培养液入口6和循环培养液出口9的连接嘴，循环培养液入口6的连接嘴、循环培养液出口9的连接嘴与筒状体一体成型，循环培养液入口6的连接嘴用于连接硅胶管，并通过设置的伸缩泵与培养室出口相连，循环培养液出口9的连接嘴用于与培养室的进口相连的硅胶管连接。所述筒状体的两端分别设置密封盖，气体和新鲜培养液的入口、出口分别设于筒状体两端的密封盖上。所述密封盖包括内盖2、外盖3，内盖2粘接在筒状体上形成密封，或者内盖2螺纹连接在筒状体上并用密封圈密封。内盖2上分别设有固定用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束的端部的孔，和固定用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束的端部的孔，其中一个孔设有连接嘴穿过外盖外伸，另一个孔为通孔。所述设有连接嘴的孔为固定用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束的端部的孔，连接嘴穿过外盖外伸作为气体入口4或气体出口10，连接嘴与外盖之间采用密封胶或密封圈密封，外盖3粘接在筒状体或内盖上形成密封，或外盖3通过螺纹连接在筒状体或内盖上并用密封圈形成密封，使外盖3与内盖2之间形成密闭空腔，外盖3上一体成型另一连接嘴与空腔相通，该连接嘴作为新鲜培养液入口5或新鲜培养液出口11；内盖2上的另一孔为固定用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束的端部的通孔。用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束8的两端分别粘接固定在筒状体两端内盖2上的设有连接嘴的孔中，所述用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束7的两端分别粘接固定在筒状体两端内盖2上的固定用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束的端部的通孔中。参见图2，为了提高交换效果，所述用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束8与用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束7呈交错状态分布在壳体1的腔室内。所述亲水性中空纤维生物半透膜、疏水性中空纤维生物半透膜均采用聚醚砜膜效果为佳。

[0015] 参见图3，本实施例的组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器，包括采用聚碳酸酯材料制作的带腔室的壳体1，壳体1的腔室设有用于与培养室相连的循环培养液入口6和出口9，壳体1上设置用于与新鲜培养液储存器相连的新鲜培养液入口5和出口11，腔室内设置用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束7连通新鲜培养液的入口5、出口11，壳体1上设置气体出口10和用于与气源相连的气体入口4，腔室内设置用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束8连通气体入口、出口，使壳体的腔室形成密闭空间。本实施例的壳体1制作为袋状体，袋状体相对的两侧分别设置作为循环培养液入口6和循环培养液出口9的连接嘴，循环培养液入口6的连接嘴用于连接硅胶管，并通过设置的伸缩泵与培养室出口相连，循环培养液出口9的连接嘴用于与培养室的进口相连的硅胶管连接。袋状体相对的两侧分别设置气体入口4、气体出口10和新鲜培养液入口5、新鲜培养液出口11，用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束8的两端分别粘接于气体入口、出口内，用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束7的两端分别粘接于新鲜培养液入口、出口内，气体和新鲜培养液的入口、出口均设有连接嘴。所述循环培养液入口6、循环培养液出口9、气体入口4、气体出口10、新鲜培养液入口5、新鲜培养液出口11的连接嘴均与袋状体的壳体一体成型，或者通过热合固定连接在袋状体壳体上。在袋状体壳体内设置好用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束8和用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束7后，将袋状体壳体热合密封。参见图4，为了提高交换效果，所述用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束8与用于新鲜培养液经过且与循环培养液进行液/液交换的亲水性中空纤维生物半透膜集束7呈交错状态分布在壳体1的腔室内。所述亲水性中空纤维生物半透膜、疏水性中空纤维生物半透膜均采用聚醚砜膜效果为佳。

[0016] 本发明组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器使用于组织工程组织仿生培育系统装置时，本交换器的循环培养液入口、出口与组织工程组织仿生培育系统装置的培养室连通，通过循环培养液入口和培养室出口之间的伸缩泵使培养液形成循环流动；本交换器的新鲜培养液入口、出口与组织工程组织仿生培育系统装置的新鲜培养液储存瓶连通，通过新鲜培养液入口和新鲜培养液储存瓶出口之间的伸缩泵使新鲜培养液形成循环流动，新鲜培养液在流经亲水性中空纤维生物半透膜集束时，部分新鲜培养液从亲水性中空纤维生物半透膜渗透到膜外的腔室中，向循环培养液摄入营养物质，同时循环培养液也渗透进亲水性中空纤维生物半透膜内，使循环培养液中的代谢产物随在亲水性中空纤维生物半透膜集束内循环的新鲜培养液被带走，由此形成新鲜培养液与循环培养液的液/液交换；本交换器的气体入口通过三通分别与O2、CO2、N2的储气瓶相通，气体出口通过出气管连通外界，O2、CO2、N2的储气瓶在电脑控制下分别通过节流阀为本交换器供给所需的混合气体，混合气体从气体入口进入用于气体经过且与循环培养液进行气/液交换的疏水性中空纤维生物半透膜集束的腔内，利用混合气体的分压性质向新鲜培养液和循环培养液中摄入O2，提供培养液所需的O2，并同时使循环培养液中的CO2进入疏水性中空纤维生物半透膜集束随气流经出气管排出，完成气/液交换，培养液的PH值、PCO2、PO2等培养条件更稳定，利于培育组织细胞的培养。使用本组织工程组织仿生培育的培养液气/液和液/液交换器后，驱动新鲜培养液和循环培养液循环流动的伸缩泵，在电脑的控制下模拟人体血液流动的脉冲方式驱动培养液循环流动，而气/液和液/液一体化交换，不须开仓增添新鲜培养液和排放循环培养液，仅用250ml新鲜培养液就可使用21天，完成一次长期培育的周期，实现了医学领域真正意义的组织工程组织仿生培育。