一種雙層循環系統的灌注式生物反應器技術方案

本實用新型專利技術涉及醫療器械中的生物反應器技術領域，更具體地，涉及一種雙層循環系統的灌注式生物反應器。一種雙層循環系統的灌注式生物反應器，其中，包括培養罐、設于培養罐外部的外層循環系統、設于培養罐內部的內層循環系統和氣體加注系統；解決細胞在培養過程中對培養液循環流動的矛盾需求問題，并能有效提高培養液中氧的溶解度及其分布的均勻度，有利于培養液中廢氣的排出，并能有效消除氣泡進入細胞培養區域。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
一種雙層循環系統的灌注式生物反應器
本技術涉及醫療器械中的生物反應器
，更具體地，涉及一種雙層循環系統的灌注式生物反應器。
技術介紹
現有生物反應器的結構如圖1所示，其功能是在體外制造一個與體內相似的環境，以加速培養細胞、形成組織乃至器官的系統，可廣泛應用于器官缺損患者替代、構建、保持或增強其組織功能，以及生物制藥等領域。其原理為根據細胞在體內生長微環境的生理、物理、化學特性，利用工程技術，在體外構建一套裝置，使其能提供與體內相近的微環境，以利于細胞在該體外微環境中進行增殖、分化，以及形成組織乃至器官。圖1為現有的灌注式生物反應器的結構示意圖，圖1中，培養液儲存罐2中的培養液通過導管由蠕動泵6抽取到培養罐7中支架8的入口，透過支架8，流入到培養罐7中，培養罐7中的培養液通過導管由蠕動泵4從培養罐7中抽出，通過三通閥5，回流到培養液儲存罐2或從導管3流入廢棄液儲存罐I中。含有氧氣的氣體從導氣管9中加到培養液中，培養液中的廢氣也可通過導氣管9排出。支架8多為多孔介質材料，種植在支架8內的細胞與流過支架的培養液之間存在營養物質與新陳代謝排泄物的交換過程。細胞可在反應器中進行大規模增殖，也可進而進行細胞分化。細胞在體外培養過程中，需要相對穩定的微環境，同時又需要能進行高效物質交換的動態環境，這是一對矛盾的需求，現有灌注式生物反應器的培養液循環流動方式，無法有效兼顧這個矛盾需求；生物反應器中為細胞提供營養物質的培養液中需保持一定的溶氧度,為此需向培養液中加注含有氧氣的混合氣體,現有灌注式生物反應器在加注該混合氣體時，存在一些問題。即現有灌注式生物反應器主要存在以下不足:(I)、現有灌注式生物反應器難以克服培養液在循環流動過程中存在的矛盾需求:從細胞所需的營養物質與其新陳代謝排泄物的有效傳輸角度，需要培養液不間斷地連續循環灌注；然而，從細胞生長的微環境角度，需要維持相對穩定的微環境，如果細胞培養的微環境變換過快，會稀釋細胞分泌的生長促進因子，不利于細胞增殖(參考文獻:王甜甜，干細胞體外三維培養的研究進展，[J]國際檢驗醫學雜志，2 O I 2年3月第3 3卷第6期)，為此，需要培養液維持相對穩定。現有灌注式生物反應器的常規解決辦法是動態培養與靜態培養相結合，即先靜置培養一段時間，此過程中培養液不循環流動，細胞在宏觀靜止的微環境中培養，然后循環灌注培養一段時間，即啟動培養液循環灌注功能，通過在培養罐與培養液儲存罐間循環流動培養液，在動態培養細胞的同時，將反應罐內的培養液換為新鮮的培養液。交替進行這兩種靜態與動態培養過程。這種常規的解決方法，由于存在一段時間的靜態培養，使得細胞培養的效率與質量不高。(2)、現有灌注式生物反應器在含氧混合氣體的加注方式上存在問題。現有的灌注式生物反應器一般是在圖1中的培養液儲存罐2中通過導氣管9將含有氧氣的混合氣體(包含氧氣、二氧化碳、氮氣)加入培養液儲存罐2內的培養液中，這種加注氣體的方式，使得培養液中的溶氧率較低，分布也不夠均勻，并且容易導致產生的氣泡隨培養液進入培養罐7中，而氣泡破裂時會對培養的細胞產生破壞作用。
技術實現思路
本技術為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷，提供一種雙層循環系統的灌注式生物反應器，以解決細胞在培養過程中對培養液循環流動的矛盾需求問題,并能有效提高培養液中氧的溶解度及其分布的均勻度，有利于培養液中廢氣的排出，并能有效消除氣泡進入細胞培養區域。為解決上述技術問題，本技術采用的技術方案是:一種雙層循環系統的灌注式生物反應器，其中，包括培養罐、設于培養罐外部的外層循環系統、設于培養罐內部的內層循環系統和氣體加注系統；本方案中，通過外層循環系統實現培養罐內培養液從外部的培養液儲存處獲得更新；通過內層循環系統實現培養罐內培養液在培養罐內部進行循環流動。氣體通過氣體加注系統加入到攪拌室內的空氣中，并排出未溶解入培養液的多余氣體及細胞新陳代謝排泄的廢氣。在生物反應器中設計了內、外雙層循環灌注系統，外層循環灌注系統確保培養罐內培養液的營養物質濃度維持在有利于細胞進行物質交換的范圍內；內層循環灌注系統實現了固定空間內的局部循環。在內層循環系統中，采用了槳葉攪拌的流體驅動與細胞培養區的分區域但共室的設計技術，使得細胞培養區的流體運動為平緩的層流，這種固定空間內的局部平緩層流，可確保細胞生長的微環境成分保持相對穩定，又能有利于細胞與培養液間物質交換的有效進行。具體的，所述的外層循環系統包括廢棄液儲存罐、培養液儲存罐、三通閥、第一蠕動泵、第二蠕動泵、培養液導入管和培養液導出管，培養液導入管一端連接培養罐內部，另一端連接第二蠕動泵，第二蠕動泵通過導管連接培養液儲存罐；培養液導出管一端連接培養罐內部，另一端連接第一蠕動泵；三通閥包括三個出口，其第一出口連接第一蠕動泵，第二出口通過導管連接培養液儲存罐，第三出口通過導管連接廢棄液儲存罐；外層循環系統啟動后，第二蠕動泵產生的動力將培養液儲存罐中的新鮮培養液從培養液導入管輸送到培養罐內，同時，第一螺動泵將培養罐內的舊培養液從培養液導出管輸送到三通閥處，通過控制三通閥，可以控制培養液導出管中的培養液回到培養液儲存罐內，或是輸送到廢棄液儲存罐內。所述外層循環系統用來實現培養液的間歇式循環，即按照設定的間隔時間，通過蠕動泵將培養罐中的培養液進行整體更換，此時內層循環可以同時進行，也可以停止。所述的內層循環系統包括設于培養罐內的塔板、底部導通管、攪拌室，塔板的底部通過底部導通管與攪拌室的底部連接，內層循環系統還包括固定于培養罐上部的電機、與電機連接的連動桿、與連動桿固定的槳葉，連動桿和槳葉設于攪拌室內部；所述的攪拌室還開有出液口，出液口與培養罐內部連通；所述內層循環系統用來實現培養液在培養罐內進行局部連續循環，此時外層循環停止，培養罐中的培養液在攪拌室內槳葉攪拌的作用下，在塔板與攪拌室間進行局部小循環。通過該內、外雙層循環灌注系統,可以解決細胞培養對培養液循環流動的矛盾需求問題。所采用的外層循環可以更新培養罐中的培養液，更新后的培養液中營養物的濃度較高，細胞新陳代謝排泄物的濃度較低，此狀況有利于細胞的新陳代謝過程有效進行；培養液更新完成后，停止外層循環，內層循環使得培養液僅在塔板與攪拌室之間進行局部循環，此局部空間的內部循環，使得細胞分泌的促生長因子仍停留在該局部空間之中，不會因該因子成分的過度過快稀釋而對細胞的生長造成不利影響，同時，該局部循環，也有利于更新細胞周圍的微環境，給細胞帶來營養物質，帶走新陳代謝排泄物，有利于細胞新陳代謝過程的順利進行。當新陳代謝過程進行一定時間后，培養罐內的營養物濃度因被細胞吸收而濃度較低，而排泄后的廢物濃度較高，不利于細胞新陳代謝所需要的物質交換過程的順利進行時，則再次啟動外層循環系統，將培養罐的培養液進行整體更換，如此反復交替進行，從而可解決細胞對培養液循環的矛盾需求問題，為細胞提供有利于其新陳代謝進程的微環境。所述的氣體加注系統包括氣體導入管、氣體導出管，氣體導入管一端設于培養罐外部，另一端連接攪拌室的底部；氣體導出管一端連接攪拌室的上部，另一端連接培養罐外部。具體的，生物反應器還包括塔板固定接頭、底座和底座固定桿，培養罐開口處設有頂蓋，塔板固定接頭一端固定于頂蓋本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種雙層循環系統的灌注式生物反應器，其特征在于，包括培養罐（5）、設于培養罐（5）外部的外層循環系統、設于培養罐（5）內部的內層循環系統和氣體加注系統；所述的外層循環系統包括廢棄液儲存罐（1）、培養液儲存罐（2）、三通閥（3）、第一蠕動泵（4A）、第二蠕動泵（4B）、培養液導入管（6）和培養液導出管（7），培養液導入管（6）一端連接培養罐（5）內部，另一端連接第二蠕動泵（4B），第二蠕動泵（4B）通過導管連接培養液儲存罐（2）；培養液導出管（7）一端連接培養罐（5）內部，另一端連接第一蠕動泵（4A）；三通閥（3）包括三個出口，其第一出口連接第一蠕動泵（4A），第二出口通過導管連接培養液儲存罐（2），第三出口通過導管連接廢棄液儲存罐（1）；所述的內層循環系統包括設于培養罐（5）內的塔板（9）、底部導通管（12）、攪拌室，塔板（9）的底部通過底部導通管（12）與攪拌室的底部連接，內層循環系統還包括固定于培養罐（5）上部的電機（19）、與電機（19）連接的連動桿（20）、與連動桿（20）固定的槳葉（18），連動桿（20）和槳葉（18）設于攪拌室內部；所述的攪拌室還開有出液口（16），出液口（16）與培養罐（5）內部連通；所述的氣體加注系統包括氣體導入管（13）、氣體導出管（14），氣體導入管（13）一端設于培養罐（5）外部，另一端連接攪拌室的底部；氣體導出管（14）一端連接攪拌室的上部，另一端連接培養罐（5）外部。...

【技術特征摘要】
1.一種雙層循環系統的灌注式生物反應器，其特征在于，包括培養罐(5)、設于培養罐(5)外部的外層循環系統、設于培養罐(5)內部的內層循環系統和氣體加注系統； 所述的外層循環系統包括廢棄液儲存罐(I)、培養液儲存罐(2)、三通閥(3)、第一蠕動泵(4A)、第二螺動泵(4B)、培養液導入管(6)和培養液導出管(7),培養液導入管(6)—端連接培養罐(5)內部，另一端連接第二蠕動泵(4B)，第二蠕動泵(4B)通過導管連接培養液儲存罐(2);培養液導出管(7) —端連接培養罐(5)內部，另一端連接第一蠕動泵(4A);三通閥(3)包括三個出口，其第一出口連接第一蠕動泵(4A)，第二出口通過導管連接培養液儲存罐(2)，第三出口通過導管連接廢棄液儲存罐(I)； 所述的內層循環系統包括設于培養罐(5)內的塔板(9)、底部導通管(12)、攪拌室，塔板(9)的底部通過底部導通管(12)與攪拌室的底部連接，內層循環系統還包括固定于培養罐(5)上部的電機(19)、與電機(19)連接的連動桿(20)、與連動桿(20)固定的槳葉(18)，連動桿(20)和槳葉(18)設于攪拌室內部；所述的攪拌室還開有出液口(16)，出液口(16)與培養罐(5)內部連通； 所述的氣體加注系統包括氣體導入管(13)、氣體導出管(14)，氣體導入管(13) 一端設于培養罐(5)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：羅語溪，高玉寶，龔逸鴻，蔣慶，
申請(專利權)人：中山大學，
類型：實用新型
國別省市：