[發明專利]生物反應器及其控制系統和方法

無效

• 申請號: 201010130360.5
• 申請日: 2010-03-19
• 公開（公告）號: CN101838610A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 高毅;周煥城;潘明新;徐小平;汪艷
• 申請（專利權）人: 南方醫科大學珠江醫院
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00;A61F2/00
• 代理公司: 北京市立方律師事務所 11330
• 代理人: 閔磊

【技術領域】

本發明涉及生物醫學技術領域，尤其涉及一種生物反應器及其控制系統和方法。

【背景技術】

肝功能衰竭是各種肝病的終末期表現，患者病情危重，病死率高，預后極差。肝臟移植手術是目前公認的最為有效的治療方法，但由于供體缺乏、技術難度高等原因，極大地限制了肝移植手術的廣泛開展。以體外培養肝細胞為基礎的生物人工肝等治療手段的出現，有望像人工腎曾使腎衰竭治療產生革命性變化一樣，為肝衰竭的現代治療提供有效手段，然而，如何合理設計新型生物反應器，實現體外肝細胞的長期大規模培養，仍是目前強烈限制生物人工肝發展的瓶頸問題，也是目前亟待解決的重要課題。

生物反應器是生物人工肝的核心部分，其性能直接關系到人工肝的支持效果。目前研究及應用的眾多生物反應器主要分為以下幾種類型，雖然已有部分生物人工肝生物反應器已進入臨床實驗，但目前仍未有一種理想的生物反應器可充分滿足臨床運用需要：

1、中空纖維型生物反應器：是目前研究及應用最為廣泛的一類反應器。其優點是異種蛋白可以隔離，同時防止人體內針對異種細胞抗原的預存抗體對裝載細胞的殺傷作用。因而比較適合異種細胞類(如豬肝細胞)生物反應器。目前該反應器仍存在以下問題：(1)容積有限，細胞裝載量小，培養液與肝細胞交換面積有限，不利于體外規模化擴增；(2)半透膜的側孔易被細胞團堵塞，影響交換效率，亦不利于肝細胞的功能與活力的長期有效維持；因此中空纖維型生物反應器不是最佳的生物人工肝生物反應器。

2、平板生物反應器：該類反應器是將肝細胞直接種植于平板上，它的優點是細胞分布均勻，微環境一致，但表面積與體積之比下降，反應器細胞為單層培養，不能長期有效存活并保持功能與活性，且不易放大，無法達到臨床要求。

3、微囊懸浮生物反應器：該生物反應器是將肝細胞用一種半透膜材料包裹，制成多孔微囊，然后進行灌注培養.其優點是所有細胞有相同的微環境，有大量細胞培養的空間，減少免疫反應的發生.缺點是由于半透膜的存在以及肝細胞間的相互聚集，導致囊內外物質能量的交換受限。此外，Hoshiba[11]等研究亦表明，肝細胞為貼壁依賴性細胞，如失去對支架材料的貼附，可促發細胞發生凋亡。因此，這類生物反應器亦不是體外規模化培養肝細胞的最佳選擇。

4、攪拌式生物反應器是一類開發較早且在研究和生產中應用廣泛的灌注床/支架生物反應器。該反應器是通過攪拌來使細胞及支架材料達到懸浮狀態，在罐體頂端還裝有傳感器，可連續監測培養物的溫度、pH、pO2、葡萄糖消耗等參數，其最大優點是能培養各種類型的動物細胞、培養工藝容易放大，但這種生物反應器也有美中不足之處，即機械攪拌會產生一定剪切力，容易對細胞造成較大程度上的損傷，因而限制了其進一步的運用。

鑒于對目前各種類型生物反應器設計思路的分析，有必要借鑒一些現有技術來進行優化。

請參閱1999年11月23日公開的US5989913號專利申請，其公開的一種培養器，該培養器包括：一筒形器皿，具有第一和第二端壁和置于該兩個端壁之間的一筒形壁，一入口，一出口，及第一和第二過濾器，所述第一和第二過濾器具有多個開口，該開口允許液體培養基和細胞代謝廢料通過并阻止細胞和細胞簇通過；一培養室，由所述筒形壁、第一和第二端壁，以及所述第一和第二過濾器共同定義，該培養室具有一通透的縱長軸；一裝置，用于圍繞水平的縱長軸旋轉該筒形器皿；一泵，用于維持液態培養基脈流通過該培養室。

目前由美國航空航天局(NASA)設計并應用于微重力生命科學領域的旋轉培養系統(RCCS)，經過近二十幾年的相關研究，已成功廣泛地運用于兔角膜細胞、骨骼肌細胞、成骨細胞等多個組織工程領域中。其系列產品中的最新成員旋轉灌注微重力生物反應器(RCMW)，具有與前述US5989913號專利申請相應的結構，可通過培養容器水平旋轉來達到使容器中的微載體與細胞克服重力而達到懸浮狀態，并通過外置蠕動泵來實現容器內氧氣、營養物質與代謝產物的雙向循環。但是，本申請人在前期運用該生物反應器的過程中發現，該反應器目前仍存在營養供應不足、灌注不均一及易堵塞等瓶頸問題，主要表現在：

首先，培養器皿內雙向物質交換效率低：由于培養器皿內部的縱長軸的出口及入口均被濾膜所包覆，導致一部分培養基穿過濾膜后與膜外培養室內的培養基進行養分和氧氣的交換，實現“有效循環”；另一部分培養基則以濾膜與該縱長軸之間的間隙為通道，直接流出培養器皿之外，不能完成養分和氧氣交換的功能，會導致培養器皿內的細胞組織營養供應不足，成為“無效循環”。