纳米纤维网片叠加式生物反应器

摘要

本发明涉及医疗设备，旨在提供一种纳米纤维网片叠加式生物反应器。该反应器的反应器外壳内布置若干纵向叠加的纳米纤维网片，纳米纤维网片由纳米纤维混合中空纤维编织而成；若干竖向布置的中空纤维穿过前述纳米纤维网片的网格的中心，中空纤维是聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维；反应器外壳的底端设细胞悬液入口和液体入口，顶端设细胞悬液出口和液体出口，侧壁对向设置气体入口和气体出口。本发明实现了三维立体培养，易于组织化；有利于高密度、高活性肝细胞的获得和长久培养，并有促进干细胞诱导分化的功能；液流阻力小，使细胞所受剪切力小，易于放大；物质交换效率高，并兼具氧合和免疫阻隔功能。

权利要求

1.一种纳米纤维网片叠加式生物反应器，包括反应器外壳，其特征在于，反应器外壳内布置若干纵向叠加的纳米纤维网片，纳米纤维网片由纳米纤维混合中空纤维编织而成；若干竖向布置的中空纤维穿过前述纳米纤维网片的网格的中心，所述中空纤维是聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维；反应器外壳的底端设细胞悬液入口和液体入口，顶端设细胞悬液出口和液体出口，侧壁对向设置气体入口和气体出口；

所述用于混合编织纳米纤维网片的中空纤维的内部是气体通道，其一端连接气体入口，另一端连接气体出口；所述竖向布置的中空纤维的内部是液体通道，其一端连接液体入口，另一端连接液体出口；所有纤维的外壁与反应器外壳的内壁共同构成肝细胞的三维生长空间，与细胞悬液入口和细胞悬液出口连通；

所述纳米纤维网片由两个方向的纳米纤维混合中空纤维上下交叉编织而成，在一个方向上为纳米纤维编织成的微米级纤维束平行排列，在另一个方向上为纳米纤维编织成的微米级纤维束与中空纤维平行间隔排列。

2.根据权利要求1所述的纳米纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述细胞悬液入口和细胞悬液出口处分别装有滤菌器，以旋盖固定于反应器外壳上。

3.根据权利要求1所述的纳米纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述用于编织纳米纤维网片的纳米纤维是下述纳米纤维中的至少一种：壳聚糖纳米纤维、聚己内酯纳米纤维或聚乙烯醇纳米纤维。

4.根据权利要求1所述的纳米纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述用于混合编织纤维网片的中空纤维是透气不透水的纤维连接蛋白修饰的聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维。

5.根据权利要求1所述的纳米纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述竖向布置的中空纤维是孔径0.2μm、分子截留量50～100kD，且未经修饰的聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维。

6.根据权利要求1所述的纳米纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述纳米纤维网片的网格边长为1mm。

7.根据权利要求1所述的纳米纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，纳米纤维网片按照300μm的间距纵向粘合叠加。

8.根据权利要求1所述的纳米纤维网片叠加式生物反应器，其特征在于，所述反应器外壳是长方体或圆柱体透明有机玻璃外壳。

说明书

纳米纤维网片叠加式生物反应器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种医疗设备，具体地说，是一种生物型或混合型人工肝治疗的核心装置，或者一种干细胞培养和诱导分化的装置，即纳米纤维网片叠加式生物反应器。

背景技术

[0002] 生物反应器(即反应器)是生物型和混合型人工肝治疗的核心装置，既为外源性肝细胞和患者血液或血浆提供物质交换的场所，又为肝细胞提供适宜的生长环境，应用前景广阔。理想的人工肝用生物反应器，应当符合以下基本要求：1、充足的肝细胞生长空间，支持一名肝衰竭患者约需10％的正常肝脏质量，折合肝细胞数约150亿。2、良好的生物相容性，能保证肝细胞的活性和功能。3、中小物质双向传输，大分子物质免疫阻隔。

[0003] 迄今生物反应器主要有四种类型：中空纤维型、平板单层培养型、灌流床式/支架型和细胞包裹/悬浮型。目前，临床应用最多的是中空纤维型反应器，它具有氧合和免疫阻隔作用，细胞受剪切力小等优点。但存在以下缺点：1、传统的中空纤维反应器内，纤维平行紧密排列，肝细胞生长空间不足；2、只能为肝细胞提供二维培养，不能提供三维立体培养环境，细胞活性及功能不佳，难以组织化；3、细胞易堆积在反应器底部，分布不均匀；4、细胞易堵塞半透膜，影响物质交换。在动物实验和细胞培养方面应用也较多的另一类反应器是灌流床式/支架型反应器，它具有能为肝细胞提供三维培养环境，容易放大，物质交换良好的优点。但存在以下问题：1、缺乏免疫隔离的安全隐患；2、支架内部孔隙多是不规则不均匀的，易产生灌流不均，支架整体的中心及边缘地带易产生无效腔、死腔；3、通过大量支架的阻力大，所需的灌流强度大，致细胞受剪切力大，难以放大。如何综合不同种类反应器的优势，扬长避短，克服缺陷，成为新近国内外研究的热点。

[0004] 近年来，生物支架材料的研究有了长足进展，新兴的纳米纤维材料、海藻酸-壳聚糖等天然材料以及半乳糖、肝素等修饰的高分子聚合物材料大量涌现并广泛应用于细胞培养。尤其是新兴的纳米纤维材料，被证实更能促进肝细胞的生长和繁殖，有利于肝细胞球形体的生成，以及细胞功能活性的发挥和长久维持，并有促进干细胞诱导分化的功能。纳米纤维还可以按照一定规则编织成微米级或毫米级的纤维束，编织后的纤维束具有良好的强度。生物材料，尤其是纳米纤维材料的迅猛发展为新型生物反应器的研制，创造了巨大的契机。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于为了克服现有技术中的不足，提供一种纳米纤维网片叠加式生物反应器。

[0006] 本发明中的纳米纤维网片叠加式生物反应器，包括反应器外壳；反应器外壳内布置若干纵向叠加的纳米纤维网片，纳米纤维网片由纳米纤维混合中空纤维编织而成；若干竖向布置的中空纤维穿过前述纳米纤维网片的网格的中心，所述中空纤维是聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维；反应器外壳的底端设细胞悬液入口和液体入口，顶端设细胞悬液出口和液体出口，侧壁对向设置气体入口和气体出口；

[0007] 所述用于混合编织纳米纤维网片的中空纤维的内部是气体通道，其一端连接气体入口，另一端连接气体出口；所述竖向布置的中空纤维的内部是液体通道，其一端连接液体入口，另一端连接液体出口；所有纤维的外壁与反应器外壳的内壁共同构成肝细胞的三维生长空间，与细胞悬液入口和细胞悬液出口连通。

[0008] 作为一种改进，所述细胞悬液入口和细胞悬液出口处分别装有滤菌器，以旋盖固定于反应器外壳上。

[0009] 作为一种改进，所述纳米纤维网片由两个方向的纳米纤维混合中空纤维上下交叉编织而成，在一个方向上为纳米纤维编织成的微米级纤维束平行排列，在另一个方向上为纳米纤维编织成的微米级纤维束与中空纤维平行间隔排列。

[0010] 作为一种改进，所述用于编织纳米纤维网片的纳米纤维是下述纳米纤维中的至少一种：壳聚糖纳米纤维、聚己内酯纳米纤维或聚乙烯醇纳米纤维。

[0011] 作为一种改进，所述用于混合编织纤维网片的中空纤维是透气不透水的纤维连接蛋白修饰的聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维。

[0012] 作为一种改进，所述竖向布置的中空纤维是孔径0.2μm、分子截留量50～100kD，且未经修饰的聚醚砜中空纤维或聚砜中空纤维。

[0013] 作为一种改进，所述纳米纤维网片的网格边长为1mm。

[0014] 作为一种改进，纳米纤维网片按照300μm的间距纵向粘合叠加。

[0015] 作为一种改进，所述反应器外壳是长方体或圆柱体透明有机玻璃外壳。

[0016] 本发明的有益效果是：

[0017] 本发明利用纳米纤维编织成的微米级纤维束与中空纤维的空间组合，不引入三维生物支架，却实现了三维立体培养，肝细胞的活性和功能均优于传统的二维培养，且易于组织化；纤维束中的纳米有序结构，更能促进肝细胞的生长和繁殖，促进肝细胞球形体的生成，更有利于高密度、高活性肝细胞的获得和长久培养，并有促进干细胞诱导分化的功能；纤维组合构成的立体孔隙微小，有利于固定细胞，使细胞分布均匀；纤维组合构成的立体孔隙规则均匀，液流阻力小，使细胞所受剪切力小，易于放大；利用不同特性纤维(能促进肝细胞生长繁殖的纳米纤维、经修饰易于肝细胞生长且能供氧的中空纤维，以及具有免疫阻隔作用的中空纤维)的组合，改善了细胞易堵塞半透膜的缺陷，物质交换效率高，并兼具氧合和免疫阻隔功能。该发明的反应器功能强大，能用于生物型或混合型人工肝，亦能用于干细胞的培养和诱导分化。

附图说明

[0018] 图1为本发明的反应器纵向剖面结构示意图；

[0019] 图2为本发明的反应器横向剖面结构示意图；

[0020] 图3为生物型人工肝支持系统应用示意图。

[0021] 附图标记：纳米纤维网片1、竖向布置的中空纤维2、肝细胞的三维生长空间3、纳米纤维编织成的微米级纤维束4、纳米纤维网片中的中空纤维5、反应器外壳6、液体入口7、液体出口8、气体入口9、气体出口10、细胞悬液入口11、细胞悬液出口12、滤菌器13、旋盖14、患者或实验动物15、血浆分离器16、体外循环池17。

具体实施方式

[0022] 本发明的纳米纤维网片叠加式生物反应器，纳米纤维网片的间距、网格大小以及反应器规模可根据实际应用放大或缩小。

[0023] 下面结合实施例对本发明进一步详述：

[0024] 本实施例中的纳米纤维网片叠加式生物反应器，包括一个长方体透明有机玻璃反应器外壳6。反应器外壳6的底端设细胞悬液入口11和液体入口7，顶端设细胞悬液出口12和液体出口8，侧壁对向设置气体入口9和气体出口10。细胞悬液入口11和细胞悬液出口12处均装有滤菌器13，并以旋盖14固定于反应器外壳6上。

[0025] 反应器外壳6内布置若干纵向叠加的纳米纤维网片1，纳米纤维网片1由纳米纤维按照一定规则编织成的微米级纤维束4，混合表面适合肝细胞生长的、透气不透水的纤维连接蛋白修饰的聚醚砜中空纤维5编织而成。纳米纤维网片1一个方向上为微米级纤维束4平行排列，另一个方向上为微米级纤维束4与中空纤维5平行间隔排列。纳米纤维网片1上密布着边长为1mm的网格，各层纳米纤维网片按照300μm的间距粘合叠加。网片中的纳米纤维的材质，可以是天然材料，如壳聚糖等，或者生物相容性优的高分子化合物，如聚己内酯、聚乙烯醇等中的一种或几种。网片中的中空纤维5的内部是氧气和二氧化碳混合气体的通道，其一端连接气体入口9，另一端连接气体出口10。

[0026] 若干竖向布置的中空纤维2穿过纳米纤维网片1的网格的中心，竖向布置的中空纤维2是孔径0.2μm、分子截留量50～100kD且未经修饰的聚醚砜中空纤维，具备良好生物相容性和免疫隔离效果，竖向的中空纤维2表面未经修饰可减小肝细胞在其表面快速生长堵塞纤维孔的风险。竖向布置的中空纤维2的内部是血浆或培养液的通道，其一端连接液体入口，另一端连接液体出口。

[0027] 网片中的中空纤维5的特点是：透气不透水，且表面易于肝细胞生长；竖向布置的中空纤维2的特点是：透气透水、具有免疫阻隔作用，具有良好生物相容性，表面不必很易于肝细胞生长，以减少细胞在其表面生长过快而堵塞纤维孔的风险。按照这个标准，还可选用聚砜等具备同样特性的材质作为中空纤维。

[0028] 所有的纤维的外壁与反应器外壳6的内壁共同构成肝细胞的三维生长空间3，该空间与细胞悬液入口11和细胞悬液出口12连通。肝细胞主要黏附于纳米纤维网片1的表面，部分黏附于竖向布置的中空纤维2的表面，呈三维立体生长，易于组织化。

[0029] 与细胞悬液入口11和细胞悬液出口12在反应器内交织的部分纤维可以撤去，以便于肝细胞悬液的流入和流出。

[0030] 本实施例用于干细胞诱导分化的使用过程如下：

[0031] 1、干细胞的接种。干细胞可以选用骨髓间充质干细胞等。

[0032] (1)用培养液配制成合适浓度的干细胞悬液。

[0033] (2)打开细胞悬液入口11的旋盖14，将细胞悬液注入反应器内，至细胞悬液充满反应器从顶部的细胞悬液出口12溢出为止。干细胞黏附于纤维外壁，经过一定时间后贴附牢固。

[0034] (3)从细胞悬液入口11灌入新鲜培养基，经过反应器自细胞悬液出口12流出，冲去未贴壁的干细胞。

[0035] 2、将该反应器与体外循环池17等按图3虚线框内所示，连成细胞培养循环通路，新鲜的培养基分别从液体入口7和液体出口8流入和流出反应器，为细胞提供养分并带走代谢产物。

[0036] 3、利用该细胞培养循环通路进行干细胞培养和诱导。

[0037] 本实施例用于生物型人工肝支持系统的使用过程如下：

[0038] 患者或实验动物15的血液引出体外后，首先经血浆分离器16分离为细胞成份和血浆成份，其中血浆成份进入体外循环池17，然后从液体入口7进入反应器内，由竖向的中空纤维2的内腔流出，与肝细胞的三维生长空间3中的肝细胞(肝细胞为预先接种和培养)充分接触后，流回竖向的中空纤维2的内腔，自下而上至反应器顶部的液体出口8流出，返回循环池17。经过多次循环后，再与血液中的细胞成份一起回输体内。

[0039] 肝细胞可选用原代人、猪肝细胞或肝细胞系等，简述接种和培养步骤如下：

[0040] 1、用培养液配制成合适浓度的肝细胞悬液。

[0041] 2、打开细胞悬液入口11的旋盖14，将肝细胞悬液注入反应器内，至细胞悬液充满反应器从顶部的细胞悬液出口12溢出为止。肝细胞黏附于纤维外壁，约24小时后贴附牢固。

[0042] 3、从细胞悬液入口11灌入新鲜培养基，经过反应器自细胞悬液出口12流出，冲去未贴壁的肝细胞。

[0043] 4、将该反应器与体外循环池17等按图3虚线框内所示，连成肝细胞培养循环通路，新鲜的培养基分别从液体入口7和液体出口8流入和流出反应器，为肝细胞提供养分并带走代谢产物。

[0044] 5、培养合适时间后，可以按图3连接组合成生物型人工肝支持系统。

[0045] 最后，还需要注意的是，以上公布的仅是本发明的具体实施例。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。