[发明专利]一种双层循环系统的灌注式生物反应器及其应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器械中的生物反应器技术领域，更具体地，涉及一种双层循环系统的灌注式生物反应器及其应用方法。

背景技术

现有生物反应器的结构如图1所示，其功能是在体外制造一个与体内相似的环境，以加速培养细胞、形成组织乃至器官的系统，可广泛应用于器官缺损患者替代、构建、保持或增强其组织功能，以及生物制药等领域。其原理为根据细胞在体内生长微环境的生理、物理、化学特性，利用工程技术，在体外构建一套装置，使其能提供与体内相近的微环境，以利于细胞在该体外微环境中进行增殖、分化，以及形成组织乃至器官。

图1为现有的灌注式生物反应器的结构示意图，图1中，培养液储存罐2中的培养液通过导管由蠕动泵6抽取到培养罐7中支架8的入口，透过支架8，流入到培养罐7中，培养罐7中的培养液通过导管由蠕动泵4从培养罐7中抽出，通过三通阀5，回流到培养液储存罐2或从导管3流入废弃液储存罐1中。含有氧气的气体从导气管9中加到培养液中，培养液中的废气也可通过导气管9排出。支架8多为多孔介质材料，种植在支架8内的细胞与流过支架的培养液之间存在营养物质与新陈代谢排泄物的交换过程。细胞可在反应器中进行大规模增殖，也可进而进行细胞分化。

细胞在体外培养过程中，需要相对稳定的微环境，同时又需要能进行高效物质交换的动态环境，这是一对矛盾的需求，现有灌注式生物反应器的培养液循环流动方式，无法有效兼顾这个矛盾需求；生物反应器中为细胞提供营养物质的培养液中需保持一定的溶氧度，为此需向培养液中加注含有氧气的混合气体，现有灌注式生物反应器在加注该混合气体时，存在一些问题。即现有灌注式生物反应器主要存在以下不足：

（1）、现有灌注式生物反应器难以克服培养液在循环流动过程中存在的矛盾需求：从细胞所需的营养物质与其新陈代谢排泄物的有效传输角度，需要培养液不间断地连续循环灌注；然而，从细胞生长的微环境角度，需要维持相对稳定的微环境，如果细胞培养的微环境变换过快，会稀释细胞分泌的生长促进因子，不利于细胞增殖（参考文献：王甜甜，干细胞体外三维培养的研究进展，[J]国际检验医学杂志，２０１２年３月第３３卷第６期），为此，需要培养液维持相对稳定。现有灌注式生物反应器的常规解决办法是动态培养与静态培养相结合，即先静置培养一段时间，此过程中培养液不循环流动，细胞在宏观静止的微环境中培养，然后循环灌注培养一段时间，即启动培养液循环灌注功能，通过在培养罐与培养液储存罐间循环流动培养液，在动态培养细胞的同时，将反应罐内的培养液换为新鲜的培养液。交替进行这两种静态与动态培养过程。这种常规的解决方法，由于存在一段时间的静态培养，使得细胞培养的效率与质量不高。

（2）、现有灌注式生物反应器在含氧混合气体的加注方式上存在问题。现有的灌注式生物反应器一般是在图1中的培养液储存罐2中通过导气管9将含有氧气的混合气体（包含氧气、二氧化碳、氮气）加入培养液储存罐2内的培养液中，这种加注气体的方式，使得培养液中的溶氧率较低，分布也不够均匀，并且容易导致产生的气泡随培养液进入培养罐7中，而气泡破裂时会对培养的细胞产生破坏作用。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种双层循环系统的灌注式生物反应器，以解决细胞在培养过程中对培养液循环流动的矛盾需求问题，并能有效提高培养液中氧的溶解度及其分布的均匀度，有利于培养液中废气的排出，并能有效消除气泡进入细胞培养区域；进一步的，提供应用所述生物反应器的方法，该方法步骤简洁。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种双层循环系统的灌注式生物反应器，其中，包括培养罐、设于培养罐外部的外层循环系统、设于培养罐内部的内层循环系统和气体加注系统；

本方案中，通过外层循环系统实现培养罐内培养液从外部的培养液储存处获得更新；通过内层循环系统实现培养罐内培养液在培养罐内部进行循环流动。气体通过气体加注系统加入到搅拌室内的空气中，并排出未溶解入培养液的多余气体及细胞新陈代谢排泄的废气。

在生物反应器中设计了内、外双层循环灌注系统，外层循环灌注系统确保培养罐内培养液的营养物质浓度维持在有利于细胞进行物质交换的范围内；内层循环灌注系统实现了固定空间内的局部循环。在内层循环系统中，采用了桨叶搅拌的流体驱动与细胞培养区的分区域但共室的设计技术，使得细胞培养区的流体运动为平缓的层流，这种固定空间内的局部平缓层流，可确保细胞生长的微环境成分保持相对稳定，又能有利于细胞与培养液间物质交换的有效进行。