專利名稱：反應(yīng)器單元和具有這種反應(yīng)器單元的反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有第一腔室和第二腔室的反應(yīng)器，其中，第一腔室由外殼的內(nèi)部形成，且第二腔室由布置在外殼中的多個(gè)中空纖維的內(nèi)部形成。
不同類型的反應(yīng)器是公知的并用于如培養(yǎng)不同起源的人或動(dòng)物細(xì)胞，或者用于如人造肝臟或胰臟移植治療。
可從US 5,437,998獲知一種反應(yīng)器，這種反應(yīng)器包括可旋轉(zhuǎn)安裝的反應(yīng)器單元，這種可旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)器單元含有培養(yǎng)基(medium)，這種培養(yǎng)基具有進(jìn)行培養(yǎng)的細(xì)胞。通過(guò)反應(yīng)器單元的可滲透壁實(shí)現(xiàn)向培養(yǎng)基提供氧并排出所形成的CO2。
可從WO 03/105663 A2獲知一種肝臟支持系統(tǒng)，這種系統(tǒng)包括反應(yīng)器單元，這種反應(yīng)器單元具有第一腔室和第二腔室，其中，第一腔室由外殼的內(nèi)部形成，且第二腔室由容納在外殼中的中空纖維束的中空纖維的內(nèi)部形成。肝細(xì)胞容納在第一腔室中。在所描述的反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施例中，將血漿穿過(guò)中空纖維的內(nèi)部，即穿過(guò)第二腔室。質(zhì)量傳遞由中空纖維膜完成。將中空纖維設(shè)計(jì)成直的并以外殼的縱向方向延伸?？蓮腤O 04/050864 A1獲知一種生物反應(yīng)器，在這種生物反應(yīng)器中設(shè)有腔室，這種腔室含有進(jìn)行培養(yǎng)的細(xì)胞，通過(guò)膜將這種腔室與載有營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基的供應(yīng)和排出管分離。
正如前面所說(shuō)明的那樣，前面所提及的反應(yīng)器單元可用于如培養(yǎng)細(xì)胞。另一種使用領(lǐng)域是治療，如肝臟和胰臟移植治療。因此，例如，現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)器單元具有用于培養(yǎng)細(xì)胞的第一腔室，由第二腔室形成的供應(yīng)管穿過(guò)第一腔室延伸，營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基或血液或血液成分流過(guò)該第二腔室。第二腔室通常由中空纖維膜束形成，其中，將物質(zhì)與培養(yǎng)基在第一腔室中通過(guò)中空纖維的膜進(jìn)行交換。一般規(guī)定較大的單位如細(xì)胞不能夠經(jīng)過(guò)中空纖維的膜?？赏ㄟ^(guò)這種反應(yīng)器單元向第一腔室中的細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)并可將代謝產(chǎn)物排出。在前面提及的將反應(yīng)器單元用作人工肝臟的情形中，將來(lái)自血液的物質(zhì)與腔室進(jìn)行交換，然后，這些物質(zhì)由肝細(xì)胞代謝。
前面所提及的過(guò)程要求反應(yīng)器單元的第一腔室與第二腔室之間的良好的質(zhì)量傳遞。本發(fā)明的目的在于形成如前面所提及的那樣的一種反應(yīng)器單元，以使這種反應(yīng)器單元與公知的反應(yīng)器單元相比具有改進(jìn)的質(zhì)量傳遞特性。
這種目的由具有權(quán)利要求1和14所述的特征的反應(yīng)器單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，規(guī)定將中空纖維布置在外殼中，以在第一腔室的截面積的基礎(chǔ)上使在第一腔室的至少一個(gè)區(qū)域中的中空纖維的密度不超過(guò)10根纖維/mm2?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中空纖維的密度在第一腔室的截面積的基礎(chǔ)上不超過(guò)某個(gè)密度時(shí)可理想地實(shí)現(xiàn)第一腔室與第二腔室之間的質(zhì)量傳遞。現(xiàn)已注意到，當(dāng)纖維的密度并不具有可能的最大值但小于該值時(shí)可實(shí)現(xiàn)良好的交換。人造腎臟中所優(yōu)先選擇的纖維的最密填充在本發(fā)明中并沒(méi)有好處。在確保供應(yīng)容量時(shí)實(shí)現(xiàn)最低密度，同時(shí)也取決于總的交換表面。
在具有約250μm的外徑的中空纖維中，最大纖維密度為12根纖維/mm2。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中空纖維的密度在第一腔室的截面積的基礎(chǔ)上不超過(guò)10根纖維/mm2的值時(shí)可實(shí)現(xiàn)特別理想的質(zhì)量傳遞。
特別有利的是，第一腔室的至少一個(gè)區(qū)域中每單位面積的中空纖維的密度在0.2至10根纖維/mm2的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.5至6根纖維/mm2的范圍內(nèi)，特別優(yōu)選在1至4根纖維/mm2的范圍內(nèi)。這些密度可在第一腔室的至少一個(gè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。
此處以及下文中所說(shuō)明的密度是指在1cm2基礎(chǔ)上的均勻纖維密度。
一方面可以實(shí)現(xiàn)每單位面積反應(yīng)器單元的中空纖維的創(chuàng)造性密度，因?yàn)橐褜⒗w維植入對(duì)應(yīng)的密度之中，即已將纖維嵌入它們的終端區(qū)域中的鑄塑混合物中。而且，可以用纖維可能的最密填充將纖維植入，然后減小腔室中兩種混合物之間的距離，以使植入表面的距離小于位于這些鑄塑混合物之間的纖維部分的長(zhǎng)度。在此情形中，纖維并不在植入表面之間直線延伸，而是呈曲線，例如呈紡錘形。
因此可構(gòu)思出在第一腔室的截面積的基礎(chǔ)上的纖維密度在以纖維的縱向方向改變。例如，在將纖維植入其最密填充時(shí)情況就是如此，但相互朝向的鑄塑混合物的表面之間的距離小于位于這些鑄塑混合物之間的纖維部分的長(zhǎng)度?；蛘撸€可規(guī)定在第一腔室的截面積的基礎(chǔ)上的纖維密度在纖維的縱向方向上是恒定的。在將這些纖維植入所希望的密度時(shí)，可構(gòu)思出這種實(shí)施例是，所希望的密度小于可能的最大密度。
從原則上來(lái)講，可將一種或多于一種的鑄塑混合物布置在反應(yīng)器單元中，中空纖維的部分通常是端部部分嵌入該鑄塑混合物中。可在纖維如具有U形流時(shí)提供鑄塑混合物。
當(dāng)然，反應(yīng)器單元還可包括兩種鑄塑混合物，這兩種鑄塑混合物相互朝向，中空纖維的部分優(yōu)選是端部部分嵌入鑄塑混合物中，且中空纖維的另一個(gè)部分在這兩種鑄塑混合物之間延伸。
正如前面所描述的那樣，可規(guī)定中空纖維在鑄塑混合物之間直線延伸也可以以曲線延伸，這樣就得到如凸出的或紡錘形中空纖維束。這些纖維比在伸長(zhǎng)的直線纖維流的情形中在更大程度上填充第一腔室的容積。
正如前面所描述的那樣，本發(fā)明的有利方面包括位于鑄塑混合物之間的至少一些或全部中空纖維的部分的長(zhǎng)度比相互朝向的鑄塑混合物的表面之間的距離至少大0.5％。特別優(yōu)選一些或全部中空纖維的該部分的長(zhǎng)度比植入表面之間的該距離至少大1％，優(yōu)選至少大3％。
可用適當(dāng)?shù)难b置限制中空纖維，以增加在第一腔室的截面積的基礎(chǔ)上的纖維密度。從原則上來(lái)講，例如，可用O形環(huán)來(lái)中空纖維或由中空纖維所形成的紡錘，以將密度再次向上調(diào)整。
在本發(fā)明的又一方面，規(guī)定反應(yīng)器單元包括第三腔室，第三腔室由中空纖維形成，這些中空纖維用于通過(guò)中空纖維膜傳遞至少一種氣態(tài)培養(yǎng)基?？蓪?shí)現(xiàn)一種用于氣體傳遞的電路。除了形成第二腔室的中空纖維之外，還可因此而規(guī)定另外的中空纖維延伸穿過(guò)外殼的內(nèi)部或第一腔室的內(nèi)部，優(yōu)選液體穿過(guò)中空纖維。優(yōu)選提供形成第三腔室的多個(gè)這種空心氣體傳遞纖維。
可在很大程度上如所希望的那樣來(lái)實(shí)現(xiàn)空心氣體傳遞纖維的布置。例如，可構(gòu)思出將形成第二腔室的中空纖維布置在反應(yīng)器單元的中心部分中，并且將空心氣體傳遞纖維布置在反應(yīng)器單元的外圍區(qū)域中，在運(yùn)行時(shí)，優(yōu)選液體培養(yǎng)基穿過(guò)該中空纖維，且優(yōu)選氣態(tài)培養(yǎng)基穿過(guò)空心氣體傳遞纖維。
在本發(fā)明的另一方面，規(guī)定空心氣體傳遞纖維具有大于形成第二腔室的中空纖維的內(nèi)徑和、或外徑。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，規(guī)定將形成第三腔室的空心氣體傳遞纖維設(shè)計(jì)成可通過(guò)膜進(jìn)行氧的傳遞。在此情形中，形成第三腔室的空心氣體傳遞纖維可用于氧化容納在第一腔室中的培養(yǎng)基或容納在第一腔室中的細(xì)胞。
可用如PTFE制成形成第三腔室的空心氣體傳遞纖維，例如，可構(gòu)思出將疏水氣體傳遞膜用于空心氣體傳遞纖維。
本發(fā)明還涉及具有第一腔室和第二腔室的反應(yīng)器單元，其中，第一腔室由外殼的內(nèi)部形成，且第二腔室由布置在外殼中的多個(gè)中空纖維的內(nèi)部形成。規(guī)定將至少兩種鑄塑混合物布置在反應(yīng)器單元中，中空纖維的部分優(yōu)選是端部部分嵌入該鑄塑混合物中且中空纖維的另一個(gè)部分在反應(yīng)器單元之間延伸，其中，位于鑄塑混合物之間的至少一些或全部中空纖維的部分的長(zhǎng)度比相互朝向的鑄塑混合物的植入表面之間的距離至少大0.5％。這樣，就獲得小于在相互朝向的植入表面的距離對(duì)應(yīng)于在相互朝向的植入表面之間延伸的中空纖維的部分的長(zhǎng)度的情形中的每單位面積的纖維密度。特別優(yōu)選的是，根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任何一項(xiàng)的特征部分設(shè)計(jì)這種反應(yīng)器單元。外殼中的中空纖維流在很大程度上可以如所希望的那樣?？蓸?gòu)思出將中空纖維布置成將流過(guò)中空纖維的培養(yǎng)基以一個(gè)方向引導(dǎo)或以至少兩個(gè)不同的方向引導(dǎo)。這樣，在后一種情形中，流過(guò)中空纖維的培養(yǎng)基經(jīng)受至少一個(gè)方向上的變化。例如，可構(gòu)思出流過(guò)中空纖維的培養(yǎng)基的流程基本上呈U形或使用U形中空纖維。
若有至少一種方向上的變化，就獲得本發(fā)明的有利方面，尤其是在兩個(gè)腔室之間的質(zhì)量傳遞至少也通過(guò)對(duì)流實(shí)現(xiàn)時(shí)。對(duì)流質(zhì)量傳遞與穿過(guò)中空纖維膜的壓差成正比。中空纖維中的壓降與纖維長(zhǎng)度成正比并與纖維直徑的四次方成反比。因此，若流過(guò)中空纖維的培養(yǎng)基的流程至少經(jīng)受一次方向上的變化，如將培養(yǎng)基來(lái)回引導(dǎo)如至少一次的反方向，那么，就相應(yīng)地增加穿過(guò)外殼的總路徑。這就導(dǎo)致中空纖維膜中相應(yīng)的較高壓力并導(dǎo)致穿過(guò)中空纖維膜的壓差的增加，從而導(dǎo)致對(duì)流交換的增加。
特別有利的是，中空纖維的入口和出口均布置在外殼的同一側(cè)。穿過(guò)中空纖維引導(dǎo)的培養(yǎng)基的流程可以是U形或者也具有方向上的幾種變化?？蓪?duì)第一腔室與第二腔室之間的壓差或第一腔室與第二腔室中所含的培養(yǎng)基之間的壓差進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使在中空纖維的反向點(diǎn)的這種壓差為零。在此反向點(diǎn)之前，壓差導(dǎo)致從中空纖維到第一腔室中的對(duì)流，并且在鄰接反向點(diǎn)的流程中導(dǎo)致從第一腔室到第二腔室的對(duì)流，即從容納在外殼中的培養(yǎng)基到中空纖維的對(duì)流。
正如前面所描述的那樣，可將中空纖維布置在外殼中，以使流動(dòng)穿過(guò)中空纖維的培養(yǎng)基沿著基本上呈U形的流程行進(jìn)。
中空纖維可基本上呈U形。同樣可構(gòu)思出將中空纖維設(shè)計(jì)成直的并且在其兩個(gè)終端區(qū)域嵌入鑄塑混合物之中，將流程設(shè)計(jì)成使培養(yǎng)基首先穿過(guò)一個(gè)或多個(gè)中空纖維，在該中空纖維的終端區(qū)域中實(shí)現(xiàn)方向的改變，然后，培養(yǎng)基穿過(guò)其它中空纖維流回。
外殼可具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱優(yōu)選圓柱形設(shè)計(jì)。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，規(guī)定中空纖維從入口開始到中空纖維流的方向在其中改變的區(qū)域以第一方向延伸，并且從方向在其中改變的區(qū)域以不同于第一方向的第二方向延伸，其中，以第一方向延伸的中空纖維的部分在內(nèi)部上徑向延伸，且以第二方向延伸的中空纖維的部分在相對(duì)于內(nèi)部的外部上徑向延伸。例如，在中空纖維以相對(duì)較小的密度已嵌入鑄塑混合物中時(shí)考慮這種實(shí)施例。例如，可構(gòu)思出選擇第一與第二腔室之間的壓差，以在供應(yīng)與抽出中空纖維之間有空間上的分隔。這可以為完全混合做準(zhǔn)備。例如，可構(gòu)思出將供應(yīng)纖維徑向布置在內(nèi)部上并將抽出纖維徑向布置在與內(nèi)部平行的外部上。從原則上來(lái)講，可構(gòu)思出不同的方面，如將供應(yīng)纖維布置在外部上并將抽出纖維布置在內(nèi)部上的反向布置。
正如前面所描述的那樣，中空纖維中的壓降與纖維直徑的四次方成反比。出于這種原因，選擇非常小的纖維直徑是有利的。優(yōu)選規(guī)定中空纖維的內(nèi)徑不大于300μm，優(yōu)選不大于200μm，特別優(yōu)選約100μm。
中空纖維膜的高孔隙度同樣也為良好的質(zhì)量傳遞做準(zhǔn)備。膜的液體滲透率至少應(yīng)為200ml/mmHg×h×m2，優(yōu)選至少為500ml/mmHg×h×m2。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，規(guī)定形成中空纖維的膜的截留率在104Da至107Da之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選在105Da至106Da之間的范圍內(nèi)。特別優(yōu)選的是，截留率在700,000至900,000Da的范圍內(nèi)。當(dāng)然，可以有不同的孔隙度或截留率。根據(jù)所設(shè)計(jì)的用途，還可構(gòu)思出具有小的孔隙度的中空纖維膜的使用。
特別有利的是，將反應(yīng)器單元設(shè)計(jì)成一次性使用的單元。
進(jìn)一步來(lái)講，有利的是，用可以用蒸汽消毒的材料構(gòu)成反應(yīng)器單元。優(yōu)選所使用的材料對(duì)應(yīng)于也使用在透析過(guò)濾器中的材料。因此可構(gòu)思出用PP制造外殼和、或用聚氨酯制造鑄塑混合物和、或用聚芳醚砜?jī)?yōu)選用聚砜且特別優(yōu)選用利用PVP親水化處理過(guò)的聚砜制造中空纖維。在本發(fā)明的另一方面，在用121℃的蒸汽進(jìn)行消毒時(shí)，所有的這些材料在尺寸上是穩(wěn)定的。
本發(fā)明還涉及具有至少一個(gè)創(chuàng)造性反應(yīng)器單元的反應(yīng)器，其中，將反應(yīng)器單元可旋轉(zhuǎn)地安裝。當(dāng)反應(yīng)器單元不是保持不動(dòng)而是旋轉(zhuǎn)時(shí)，在第一和第二腔室之間獲得特別良好的質(zhì)量傳遞。因此，本發(fā)明的有利方面涉及具有可旋轉(zhuǎn)地安裝的反應(yīng)器單元的反應(yīng)器?？稍O(shè)有對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置使反應(yīng)器單元進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，規(guī)定反應(yīng)器不僅包括一個(gè)而是包括多個(gè)反應(yīng)器單元?？蓪⑦@些反應(yīng)器單元根據(jù)需要相互連接。例如，可構(gòu)思出將這些反應(yīng)器單元串行步驟，以使一個(gè)反應(yīng)器單元的出口形成另一個(gè)反應(yīng)器單元的入口。同樣可構(gòu)思出將反應(yīng)器單元并行布置并且向反應(yīng)器單元提供如相同的裝載物，如精確相同的營(yíng)養(yǎng)溶液。
可將前面所描述的串行連接設(shè)計(jì)成使反應(yīng)器單元之間的流程以一個(gè)方向延伸，即一個(gè)反應(yīng)器單元的出口形成另一個(gè)隨后的反應(yīng)器單元的入口。還可構(gòu)思出該第二個(gè)反應(yīng)器單元的敞開反過(guò)來(lái)形成該第一個(gè)反應(yīng)器單元的入口，這樣，質(zhì)量傳遞以兩個(gè)方向發(fā)生。
通過(guò)將反應(yīng)器單元以串行和并行布置結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)高度重新的用途。特別有利的是，具有多個(gè)反應(yīng)器單元的反應(yīng)器可用于模擬“體內(nèi)代謝過(guò)程”。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，規(guī)定在構(gòu)成反應(yīng)器時(shí)無(wú)浮環(huán)密封。在將穿過(guò)中空纖維的流向至少顛倒一次時(shí)，中空纖維的入口和出口可位于外殼的同一側(cè)。尤其是在這種情況下，可將反應(yīng)器單元設(shè)計(jì)成沒(méi)有浮環(huán)密封，如EP 1 270 079 A2和DE 198 03 534 C2中就細(xì)胞分離器的示例所進(jìn)行的描述那樣。在此范圍內(nèi)參考這些文件。在不使用浮環(huán)密封時(shí)，可在消毒方面以及污染安全方面得到實(shí)質(zhì)上的好處。另外還降低反應(yīng)器單元的制造成本。
本發(fā)明還涉及利用根據(jù)權(quán)利要求1至29中的任何一項(xiàng)的反應(yīng)器單元或根據(jù)權(quán)利要求30至34中的任何一項(xiàng)的反應(yīng)器通過(guò)一個(gè)或多個(gè)中空纖維實(shí)現(xiàn)質(zhì)量傳遞的方法，其中，對(duì)由這些中空纖維的內(nèi)部形成的第二腔室中的壓力和由外殼形成的第一腔室中的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使穿過(guò)這些中空纖維的質(zhì)量傳遞至少部分地通過(guò)對(duì)流實(shí)現(xiàn)?？蓪⑼ㄟ^(guò)擴(kuò)散進(jìn)行的質(zhì)量傳遞疊加在這種對(duì)流質(zhì)量傳遞上。優(yōu)選通過(guò)對(duì)流進(jìn)行的質(zhì)量傳遞是雙向的，并且特別考慮用于培養(yǎng)基分子和較高分子合成制品或者具有低擴(kuò)散率的營(yíng)養(yǎng)物。
在另一方面，規(guī)定對(duì)第一和第二腔室之間的壓力比進(jìn)行選擇，以使中空纖維的一部分中的對(duì)流質(zhì)量傳遞從容納在中空纖維中的培養(yǎng)基到容納在外殼中的培養(yǎng)基內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且在中空纖維的另一部分中以相反方向?qū)崿F(xiàn)。在本發(fā)明的此方面，有供應(yīng)和抽出中空纖維的區(qū)分或中空纖維部分的區(qū)分。例如，在采用培養(yǎng)細(xì)胞的方法時(shí)，可構(gòu)思出提供中空纖維或中空纖維部分，通過(guò)這些中空纖維或中空纖維部分將營(yíng)養(yǎng)物提供給容納在第一腔室中的培養(yǎng)基。而且，提供中空纖維或中空纖維部分，通過(guò)這些中空纖維或中空纖維部分將代謝產(chǎn)物從容納在第一腔室中的培養(yǎng)基傳遞到中空纖維，然后將這些代謝產(chǎn)物排出。
本發(fā)明還涉及具有根據(jù)權(quán)利要求1至29中的任何一項(xiàng)的反應(yīng)器單元或根據(jù)權(quán)利要求30至34中的任何一項(xiàng)的反應(yīng)器的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)包括儲(chǔ)存器，該儲(chǔ)存器與反應(yīng)器單元連接，以使可將培養(yǎng)基從儲(chǔ)存器引入由中空纖維形成的反應(yīng)器單元的第二腔室或者從第二腔室排出，儲(chǔ)存器包括輸送泵，優(yōu)選將這種輸送泵設(shè)計(jì)成用于輸送培養(yǎng)基的蠕動(dòng)泵，這種蠕動(dòng)泵包括充氧器，通過(guò)這種充氧器可為所輸送的培養(yǎng)基添加氧。例如，充氧在外部實(shí)現(xiàn)并可根據(jù)氧的消耗進(jìn)行可變調(diào)節(jié)。在此情形中，通過(guò)血漿或所提供的營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基來(lái)實(shí)現(xiàn)氧的供應(yīng)。優(yōu)選將充氧器設(shè)在以培養(yǎng)基的流動(dòng)方向的反應(yīng)器的上游。而且，可設(shè)有加熱裝置，以將所輸送的培養(yǎng)基加熱。從原則上來(lái)講，還可通過(guò)布置在反應(yīng)器單元中的氣體傳遞中空纖維膜來(lái)實(shí)現(xiàn)充氧。
可從示于附圖中的實(shí)施例來(lái)獲知本發(fā)明的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中

圖1示出了本發(fā)明中的反應(yīng)器單元的透視圖；圖2示出了具有外殼的創(chuàng)造性反應(yīng)器的透視圖；圖3示出了本發(fā)明中的反應(yīng)器單元的示意圖；圖4示出了另一個(gè)實(shí)施例中的本發(fā)明中的反應(yīng)器單元的另一個(gè)示意圖；圖5示出了具有反應(yīng)器的創(chuàng)造性質(zhì)量傳遞系統(tǒng)的示意圖；圖6示出了現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)器單元和創(chuàng)造性反應(yīng)器單元的不同幾何形狀的示意圖；圖7示出了使用根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器單元時(shí)尿素、蛋白質(zhì)和各種離子的時(shí)基(time-based)濃度曲線；圖8示出了使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)器單元時(shí)尿素、蛋白質(zhì)和各種離子的時(shí)基濃度曲線；圖9示出了創(chuàng)造性反應(yīng)器單元的示意圖，這種創(chuàng)造性反應(yīng)器單元具有形成第二腔室的中空纖維，液體培養(yǎng)基穿過(guò)這些中空纖維，且這些中空纖維具有用于充氧的中空氣體傳遞纖維，這些中空氣體傳遞纖維形成第三腔室；以及圖10示出了串行或并行連接的幾個(gè)反應(yīng)器單元的不同布置的示意圖。
圖1示出了設(shè)計(jì)成一次性使用的單元的創(chuàng)造性反應(yīng)器單元12的透視圖。反應(yīng)器單元12包括外殼20，中空纖維以中空纖維束的形式布置在外殼20中。而且，設(shè)有入口40和出口50，穿過(guò)中空纖維的培養(yǎng)基通過(guò)入口和出口提供或抽出。
圖2示出了無(wú)反應(yīng)器單元的反應(yīng)器10。圖中示出了用于固定示于圖1中的反應(yīng)器單元的可旋轉(zhuǎn)基座，電動(dòng)機(jī)使基座處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；蚓哂蟹磻?yīng)器單元的反應(yīng)器容納在已加熱外殼中。
圖3示出了可旋轉(zhuǎn)安裝的反應(yīng)器單元12的示意圖。可構(gòu)思出的使用領(lǐng)域如下·用于不同用途的肝細(xì)胞培養(yǎng)·人工肝臟和胰腺移植治療·培養(yǎng)不同起源的人類和動(dòng)物細(xì)胞·抗體的生產(chǎn)·從轉(zhuǎn)染酵母和細(xì)菌回收物質(zhì)示于圖3中的點(diǎn)表示容納在反應(yīng)器單元12的第一腔室中的細(xì)胞，第一腔室由外殼20限定。中空纖維30布置在第一腔室中，第一腔室具有入口40和出口50。若是細(xì)胞培養(yǎng)，通過(guò)入口40提供營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基。對(duì)于肝臟或胰臟移植治療來(lái)講，通過(guò)入口40提供血漿。通過(guò)出口50抽出所消耗的營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基或經(jīng)過(guò)處理的血漿。
如圖3所進(jìn)一步示出的那樣，外殼20包括兩個(gè)端口22，這些端口22用于填充第一腔室、抽空第一腔室或從第一腔室取樣?？蓸?gòu)思出在填充或取樣時(shí)關(guān)閉這些端口22。從原則上來(lái)講，同樣也可以構(gòu)思出允許連續(xù)操作，以達(dá)到將培養(yǎng)基通過(guò)端口22連續(xù)引入第一腔室或從第一腔室排出的效果。正如還可從圖3中看出的那樣，將中空纖維30設(shè)在中心并在反應(yīng)器單元12的旋轉(zhuǎn)軸附近，這些中空纖維30形成中空纖維部分32c，在中空纖維部分32c中有相當(dāng)高的壓力存在，這樣就從中空纖維30的部分32c到反應(yīng)器單元12的由外殼20所限定的第一腔室中實(shí)現(xiàn)對(duì)流質(zhì)量傳遞，如箭頭所示。方向的改變?cè)诓糠?2c的終端區(qū)域中實(shí)現(xiàn)，首先以平行于外殼20的端面的方向改變，然后與部分32c中的流動(dòng)方向相對(duì)。由于壓力損失所導(dǎo)致的中空纖維30中的較低壓力的原因，所以從容納細(xì)胞的第一腔室到中空纖維30中的對(duì)流質(zhì)量傳遞現(xiàn)在在中空纖維部分32d中實(shí)現(xiàn)，如中空纖維部分32d附近的箭頭所示。這樣就實(shí)現(xiàn)供應(yīng)中空纖維或中空纖維部分32c與抽出中空纖維或中空纖維部分32d的分隔。
最后，正如還可從圖3中看出的那樣，將中空纖維的入口40和出口設(shè)置在外殼20的同一側(cè)，在示于圖3的實(shí)施例中，在圓柱形外殼20的右側(cè)端面上。這種設(shè)計(jì)允許提供無(wú)浮環(huán)密封的反應(yīng)器?？赏ㄟ^(guò)從EP 1 270 079 A2和DE 198 03 534 C2中獲知的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)靜止與移動(dòng)部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
優(yōu)選將反應(yīng)器單元12設(shè)計(jì)成一次性使用的單元。這種單元可以是注模結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)包括與常規(guī)方式制成的人造腎臟的制造類似的基本方法步驟，如用PUR植入、切割和消毒。
圖4示出了另一類型的反應(yīng)器單元12。在由圓柱形旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的外殼20限定的第一腔室中，人類肝細(xì)胞含在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基中。中空纖維束設(shè)置在徑向中心部分中，該中空纖維束包括單獨(dú)的中空纖維。中空纖維束包括設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸附近的多根中空纖維30a，作為示例，僅在圖中示出其中的一些。而且，還設(shè)有徑向偏置到外部的多根中空纖維30b，這些中空纖維30b布置在中空纖維束的外周區(qū)域中，同樣，在圖中僅示出中空纖維30b中的一根。例如，在中空纖維以相對(duì)較小的密度已嵌入鑄塑混合物中時(shí)考慮這種實(shí)施例。中空纖維30a和30b平行布置，且在它們的兩個(gè)終端其區(qū)域中固定在鑄塑混合物32中，這些鑄塑混合物32以適當(dāng)?shù)姆绞焦潭ㄔ谕鈿?0中。培養(yǎng)基通過(guò)入口40流入中空纖維30a、穿過(guò)中空纖維30a并在中空纖維30a的終端區(qū)域離開中空纖維30a，終端區(qū)域在左側(cè)示出。培養(yǎng)基在此處進(jìn)入流動(dòng)空間，該流動(dòng)空間將中空纖維30a的終端區(qū)域與中空纖維30b的初始區(qū)域連接。如中空纖維30a的終端區(qū)域中的箭頭所指明的那樣，培養(yǎng)基的流動(dòng)方向在中空纖維30a的終端區(qū)域中改變。在穿過(guò)流動(dòng)空間時(shí)，培養(yǎng)基流入中空纖維30b并以與穿過(guò)中空纖維30a的方向相反的方向穿過(guò)中空纖維30b。中空纖維30b在它們的示于右側(cè)的終端區(qū)域中與出口50連接，將相應(yīng)的經(jīng)過(guò)處理的培養(yǎng)基通過(guò)出口50從反應(yīng)器單元12抽出。例如，培養(yǎng)基可以是營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基或體液，如血液，特別優(yōu)選的是血漿。
當(dāng)然，示于圖4中的反應(yīng)器單元還可用于其它目的，如用于細(xì)胞培養(yǎng)。
由外殼20所限定的第一腔室包括兩個(gè)端口22，這些端口可用于向第一腔室提供培養(yǎng)基或從第一腔室抽出培養(yǎng)基或從第一腔室取樣。
正如圖4進(jìn)一步示出并由箭頭指明的那樣，在操作時(shí)，將反應(yīng)器單元12旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)軸平行于中空纖維延伸。優(yōu)選將中空纖維30a布置成使它們位于旋轉(zhuǎn)軸附近，且中空纖維30b從中空纖維30a徑向偏置到外部?？蛇x擇壓力比，以使中空纖維30a中的壓力高于由外殼20所限定的第一腔室的壓力，且在中空纖維30b中的壓力低于第一腔室中存在的壓力。在由彎箭頭所指明的換向點(diǎn)，可固定在第一腔室與第二腔室之間無(wú)壓差。當(dāng)然，也可構(gòu)思出壓力比的不同布局。
本發(fā)明不同于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例，因?yàn)閷⒎磻?yīng)器單元設(shè)計(jì)成并不將設(shè)置在中空纖維束中的中空纖維以可能的最大密度布置，但以第一腔室的截面積為基礎(chǔ)的纖維密度不超過(guò)10根纖維/mm2，或者容納在鑄塑混合物之間的中空纖維部分的長(zhǎng)度不超過(guò)相互朝向的鑄塑混合物的表面距離至少0.5％。
圖6a示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的反應(yīng)器單元12的示意圖。中空纖維膜封閉在塑料網(wǎng)中并形成剛性圓柱形結(jié)構(gòu)。中空纖維束的直徑為D＝34mm。在示于圖6a的反應(yīng)器單元中，鑄塑混合物32的兩個(gè)截面之間的長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝257mm。因此，當(dāng)中空纖維的數(shù)量為11,000時(shí)，以第一腔室的截面積為基礎(chǔ)的纖維密度約為12根纖維/mm2。
圖6b示出了示意性地示出的根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器單元12的實(shí)施例。如圖6b示意性地示出的那樣，與示于圖6a中的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例相比，鑄塑混合物32的截面的距離L減少10mm。在此情形中，將中空纖維在鑄塑混合物之間顛倒并形成紡錘。根據(jù)植入表面即相互朝向的鑄塑混合物的表面的距離，得到比示于圖6a中的實(shí)施例小的纖維密度。在示于圖6b的實(shí)施例中，纖維束的最大直徑為95mm。纖維密度恰好在鑄塑混合物32對(duì)應(yīng)于結(jié)合圖6a所描述的纖維密度。出于這些尺寸的原因，示于圖6b中的反應(yīng)器單元12中的纖維密度在1.5根纖維/mm2與12根纖維/mm2之間的范圍內(nèi)。
圖6c示出了一種實(shí)施例，在這種實(shí)施例中，鑄塑混合物32的截面距離L對(duì)應(yīng)于示于圖6a中的距離。不過(guò)，纖維束受到O形環(huán)的壓縮，這樣，與示于圖6b中的實(shí)施例相比，又將纖維密度向上調(diào)節(jié)。在壓縮部分附近，纖維束的直徑為34mm。纖維束的最大直徑為60mm，這樣就得到每單位面積3.9根纖維/mm2與12根纖維/mm2之間的總纖維密度。
圖7與圖8的對(duì)比示出了與現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)器單元相比與本創(chuàng)造性反應(yīng)器單元有關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。
通過(guò)下列試驗(yàn)設(shè)置或者下列實(shí)驗(yàn)過(guò)程獲得如圖7和8所示濃度曲線在將腔室組合時(shí)，通過(guò)施加壓力(壓縮空氣)對(duì)這些腔室進(jìn)行密封性和氣泡點(diǎn)檢查。
為了進(jìn)行試驗(yàn)，制備400ml的交換培養(yǎng)基1血漿袋+0.5ml EDTA 100mM(圖7中的試驗(yàn)沒(méi)有)+50ml的緩沖液B ad 400ml，具有A.d.緩沖液B尿素7.5mg/ml，NaCl22.5mg/ml(385mmol)，KCl 1.25mg/ml(16.7mmol)。
在所有的試驗(yàn)中，中空纖維充有交換培養(yǎng)基，并且在從“0”時(shí)間減少時(shí)連接到反應(yīng)器單元或反應(yīng)器單元的第一腔室。
在交換試驗(yàn)期間，在25℃時(shí)以200ml/min的流速向反應(yīng)器單元供料，并使其以15rpm旋轉(zhuǎn)，以檢查通過(guò)對(duì)流和擴(kuò)散的試樣的交換。
通過(guò)以下方式進(jìn)行采樣對(duì)于每次測(cè)定來(lái)講，在進(jìn)入腔室之前的點(diǎn)和在腔室中的采樣端口1通過(guò)Monovette(Sarstedt 2ml LH；CE 0197)抽取2ml的試樣。在每次采樣之前，將約2至3ml的液體從收集端口沖去，并且在此時(shí)抽取測(cè)量試樣。所抽取的試樣在腔室通過(guò)試樣端口2由水替代。所抽取的試樣在由中空纖維形成的供應(yīng)環(huán)線中由緩沖液儲(chǔ)存器替代。
在根據(jù)圖7的試驗(yàn)的測(cè)試布置中，腔室的體積約為1.71。中空纖維膜由2根塑料纖維穩(wěn)定。由于鑄塑混合物的距離減小，所以腔室比在獲得圖8中的測(cè)試結(jié)果的測(cè)試布置中所使用的腔室短約1cm。因此，這些膜顛倒并形成填充腔室容積的紡錘形結(jié)構(gòu)。
在產(chǎn)生示于圖8中的測(cè)試結(jié)果的測(cè)試布置中，腔室體積約為1.81。這些膜封閉在塑料網(wǎng)中并形成剛性圓柱形結(jié)構(gòu)。
正如可從圖7與圖8的比較中看出的那樣，根據(jù)膜的集束或中空纖維束，在穿過(guò)具有60kd微孔尺寸的膜的離子和有機(jī)分子的分布速度中有明顯的差異。
顛倒開放膜(紡錘形)(纖維密度1.5根纖維/mm2)在很大程度上填充第一腔室的管腔并因此而實(shí)現(xiàn)很好的質(zhì)量傳遞。正如可從圖7a和7b看出的那樣，中空纖維與第一腔室之間的材料傳遞在啟動(dòng)環(huán)路后在前幾分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在離子和尿素的情況下，濃度的完全傳遞可在約30至60分鐘之后檢測(cè)。由于蛋白質(zhì)的分子量高，所以蛋白質(zhì)在交換時(shí)較慢且并不完全。在圖7和圖8中，縮略詞“SC”和“腔室”分別表示供應(yīng)環(huán)線(SC)即穿過(guò)中空纖維的培養(yǎng)基中的濃度以及反應(yīng)器單元的第一腔室中的濃度。
利用普通的集束膜(圓柱形)(最大纖維密度)得到示于圖8中的測(cè)試結(jié)果，這種普通的集束膜形成具有相對(duì)較小傳遞效率的環(huán)線的緊密圓柱形股。正如可從圖8a和8b看出的那樣，中空纖維與第一腔室之間的材料傳遞以明顯慢于示于圖7中的速度進(jìn)行。在離子和尿素的情況下，濃度的完全平滑可在約120至180分鐘之后測(cè)量，并且比在根據(jù)本發(fā)明的紡錘形膜中慢3至4倍。同樣，蛋白質(zhì)在交換時(shí)較慢且并不完全。
正如前面所描述的那樣，本發(fā)明中的反應(yīng)器單元可用于治療，如用于肝臟移植或肝臟支持治療。
圖5示出了用于肝臟支持治療的總系統(tǒng)的示意圖。這種總系統(tǒng)包括血漿儲(chǔ)存器60，血漿儲(chǔ)存器60容納取自進(jìn)行治療的患者的血漿。通過(guò)蠕動(dòng)泵70將血漿從血漿儲(chǔ)存器60抽出并提供給氣體交換器80。在氣體交換器80中，通過(guò)氧源和無(wú)菌過(guò)濾器實(shí)現(xiàn)氧的供應(yīng)，這樣就為血漿添加氧。氣體交換器同樣也包括兩個(gè)腔室，且氧在一個(gè)腔室流動(dòng)，血漿在另一個(gè)腔室流動(dòng)。通過(guò)滲透膜將這些腔室分離，這些滲透膜允許氣體如氧氣傳遞到血漿中。通過(guò)氣體交換器，不但能夠供應(yīng)氧氣，而且也可供應(yīng)或交換其它氣體，如CO2或N2。在本發(fā)明的特別優(yōu)選方面，將氣體交換器設(shè)計(jì)成用于交換氧氣的充氧器。
當(dāng)在充氧器80中為血漿充氧時(shí)，血漿穿過(guò)加熱裝置90，然后流入反應(yīng)器10。反應(yīng)器10包括本發(fā)明中的旋轉(zhuǎn)安裝的反應(yīng)器單元12，這種反應(yīng)器單元12設(shè)計(jì)成一次性使用的單元。反應(yīng)器單元12設(shè)置在反應(yīng)器10的可旋轉(zhuǎn)基座中，并在系統(tǒng)的運(yùn)行期間使反應(yīng)器單元12進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)軸與反應(yīng)器單元12的縱軸重合。反應(yīng)器容納在加熱后的外殼中，如可從圖2和圖5中看出的那樣。將這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)成無(wú)浮環(huán)密封。
與示于圖5中的結(jié)構(gòu)相比，還可將蠕動(dòng)泵70設(shè)置在環(huán)路的另一個(gè)點(diǎn)。例如，還可構(gòu)思出反應(yīng)器10之后即反應(yīng)器10的下游的布置。
作為另一個(gè)器件，優(yōu)選示于圖5中的布置還可包括以反應(yīng)器10之前的流動(dòng)方向的加熱裝置，通過(guò)這種加熱裝置將提供給反應(yīng)器10的培養(yǎng)基加熱。
本發(fā)明的幾個(gè)有利方面在下面進(jìn)行描述對(duì)于中空纖維來(lái)講，優(yōu)選可使用具有大的可供使用的交換表面的聚砜等離子纖維，優(yōu)選這種交換表面在0至2m2的范圍，并優(yōu)選具有可達(dá)900,000MG的可變調(diào)節(jié)孔隙度。正如前面所描述的那樣，優(yōu)選主要通過(guò)對(duì)流實(shí)現(xiàn)質(zhì)量傳遞，以增加穿過(guò)中空纖維膜的雙向交換。
根據(jù)進(jìn)行交換的細(xì)胞或物質(zhì)的特性，可將親水和、或疏水膜用于中空纖維。
正如前面所描述的那樣，可實(shí)現(xiàn)供應(yīng)纖維與抽出纖維的分離。因此，可在反應(yīng)器內(nèi)部對(duì)纖維束進(jìn)行可變分配。作為示例，可將供應(yīng)和抽出纖維布置在中心。還可構(gòu)思出將供應(yīng)纖維布置在中心并將抽出纖維布置在周圍。這樣就可實(shí)現(xiàn)穿過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)的逆流流動(dòng)。
優(yōu)選利用前面所提及的從靜止部分到旋轉(zhuǎn)部分的“管供料原則”來(lái)避免浮環(huán)密封。
反應(yīng)器單元可以是消毒的一次性使用的物件，并且與沒(méi)有消毒的旋轉(zhuǎn)單元分離。優(yōu)選可用蒸汽將消毒的一次性使用的物件消毒。
優(yōu)選在外部實(shí)現(xiàn)充氧，且將充氧可變地調(diào)節(jié)大氧消耗。因此，優(yōu)選氧的供應(yīng)通過(guò)血漿或通過(guò)營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，也可構(gòu)思出示于圖9中的內(nèi)部充氧并且也包括在本發(fā)明之中。在此實(shí)施例中，反應(yīng)器單元12包括外殼20，外殼20形成第一腔室。中空纖維30設(shè)置在第一腔室中，液體培養(yǎng)基穿過(guò)這些中空纖維30。此外，設(shè)有氣體傳遞纖維130，通過(guò)這種氣體傳遞纖維130實(shí)現(xiàn)容納在外殼20的第一腔室中的培養(yǎng)基的充氧。從原則上來(lái)講，可構(gòu)思出還將中空氣體傳遞纖維用于去除氣態(tài)物質(zhì)或者還用于提供和、或抽出氧氣之外的其它氣體。
因此，本發(fā)明不僅包括外部氣體傳遞或外部氣源，而且還包括反應(yīng)器單元中的氣源或氣體傳遞。
優(yōu)選通過(guò)血漿或營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基實(shí)現(xiàn)向細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，可簡(jiǎn)單地進(jìn)行填充、添加和取樣。這樣就可實(shí)現(xiàn)功能性的永久性控制。此外，還可進(jìn)行校正或調(diào)節(jié)。
在相同的反應(yīng)器中的多個(gè)反應(yīng)器單元1-n的系列布置在圖10的頂部示出。正如箭頭所指的那樣，將反應(yīng)器單元可旋轉(zhuǎn)地安裝。這樣所產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)如下
·在相同的反應(yīng)器的各種反應(yīng)器單元中培養(yǎng)各種種類的細(xì)胞；·由相同的環(huán)路均勻地供應(yīng)各種種類的細(xì)胞；·可明確地將中間代謝產(chǎn)物從反應(yīng)器單元1中的細(xì)胞種類1輸送到反應(yīng)器單元2中的細(xì)胞種類2。例如，人類肝臟細(xì)胞容納在反應(yīng)器單元1中，且人類腎臟細(xì)胞容納在反應(yīng)器單元2中；若將藥物加到反應(yīng)器單元1的環(huán)線，由反應(yīng)器單元1中的肝臟細(xì)胞形成的代謝物直接提供給容納在反應(yīng)器單元2中的腎臟細(xì)胞，這樣就可辨別進(jìn)一步的代謝。
·可在任何時(shí)間在任何階段加入物質(zhì)或抽出中間代謝產(chǎn)物；·可在任何時(shí)間從細(xì)胞腔室抽出帶有細(xì)胞材料的試樣，以辨別細(xì)胞條件；·可確定化學(xué)、藥物和化妝物質(zhì)對(duì)不同種類的細(xì)胞的影響，也可在長(zhǎng)期的試驗(yàn)中進(jìn)行。
在圖10中間的布置示出了可旋轉(zhuǎn)安裝的反應(yīng)器單元的平行布置，因此并不被連續(xù)穿過(guò)，但相互平行。這樣所產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)如下·在相同的反應(yīng)器的不同反應(yīng)器單元中培養(yǎng)不同種類的細(xì)胞，·向每個(gè)單個(gè)的反應(yīng)器單元精確地提供相同的化學(xué)成分、氧含量等營(yíng)養(yǎng)溶液，·適于辨別如相同細(xì)胞的批次之間的差異；示例將三個(gè)反應(yīng)器單元并行連接在相同的反應(yīng)器中。反應(yīng)器單元1含有供體1的人類肝細(xì)胞，反應(yīng)器單元2含有供體2的人類肝細(xì)胞，反應(yīng)器單元3含有供體3的人類肝細(xì)胞。由于是并行布置并具有相同的供應(yīng)，所以可辨別各自細(xì)胞培養(yǎng)的進(jìn)展。通過(guò)從細(xì)胞腔室的對(duì)應(yīng)取樣，可從質(zhì)量上和數(shù)量上辨別每個(gè)批次的進(jìn)展行為。若在進(jìn)入反應(yīng)器單元之前將藥物加到如營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中且若不再使從反應(yīng)器單元中抽出的營(yíng)養(yǎng)溶液再次循環(huán)，但在各自批次的肝細(xì)胞對(duì)來(lái)自各自批次的肝細(xì)胞的藥物所產(chǎn)生的代謝物進(jìn)行檢測(cè)，那么就可以用這種系統(tǒng)從質(zhì)量上和數(shù)量上確定具有不同細(xì)胞源(批次)的相同細(xì)胞的代謝活動(dòng)方面的個(gè)體差異。
在同樣可旋轉(zhuǎn)地安裝的反應(yīng)器單元1-n之間的返回流和橫流分別在圖10的底部示出。正如可從圖中看出的那樣，這些反應(yīng)器單元包括兩個(gè)入口和兩個(gè)出口，并且相互連接，以使前一個(gè)反應(yīng)器單元的出口形成下一個(gè)反應(yīng)器單元的入口，且第二個(gè)反應(yīng)器單元的出口形成第一個(gè)反應(yīng)器單元的入口。這種系統(tǒng)還在其它的反應(yīng)器單元之間延續(xù)。
在圖10的底部示出的布置的優(yōu)點(diǎn)如下·在相同的反應(yīng)器的不同反應(yīng)器單元中培養(yǎng)不同種類的細(xì)胞，·通過(guò)布置具有不同細(xì)胞批次(在細(xì)胞種類和、或細(xì)胞源/細(xì)胞批次)的反應(yīng)器單元，可在體外條件下模擬體內(nèi)代謝過(guò)程，·與示于圖10頂部的布置相反，不將從最后的反應(yīng)器單元抽取的營(yíng)養(yǎng)溶液再次循環(huán)到反應(yīng)器單元1，而是再次循環(huán)到上游反應(yīng)器單元；示例反應(yīng)器單元1含有皮膚細(xì)胞，反應(yīng)器單元2含有肝細(xì)胞，反應(yīng)器單元3含有病毒細(xì)胞。在將某種化學(xué)藥品用在皮膚細(xì)胞上時(shí)，代謝物由反應(yīng)器單元2中的肝細(xì)胞形成，這種代謝物可由腎臟物質(zhì)代謝，但不能夠分泌。通過(guò)再循環(huán)到肝細(xì)胞反應(yīng)器單元，可確定對(duì)肝細(xì)胞活動(dòng)的直接影響。
從原則上來(lái)講，也可構(gòu)思出這些布置即串行連接和并行連接的組合。這種組合的優(yōu)點(diǎn)如下·通過(guò)將細(xì)胞腔室與不同的中間步驟結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)高度創(chuàng)新的應(yīng)用。
·例如，在將藥物用在營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中時(shí)，可使?fàn)I養(yǎng)培養(yǎng)基經(jīng)過(guò)第一反應(yīng)器單元中的肝細(xì)胞培養(yǎng)的上方，多種代謝物在第一反應(yīng)器單元中產(chǎn)生。代謝物的產(chǎn)生之后是代謝物的分離，如以色譜方法的形式。接著將不同的代謝物輸送到不同的細(xì)胞，如以并行布置的形式，以辨別不同的代謝物對(duì)不同的細(xì)胞的影響。
·這就意味著根據(jù)具體的測(cè)試布置，示于圖10的三種布置之間的各種可能的組合是可以構(gòu)思出的，也是可能的。
正如可從圖10中看出的那樣，所示出的反應(yīng)器單元布置在一個(gè)反應(yīng)器中。從原則上來(lái)講，同樣也可以構(gòu)思出使用多個(gè)反應(yīng)器，即并不將所有的反應(yīng)器單元設(shè)置在一個(gè)反應(yīng)器中。
通過(guò)示于圖2中的系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器單元的集成恒溫平衡。
就治療或培養(yǎng)而言，可使用以下不同起源的細(xì)胞，例如原細(xì)胞、從干細(xì)胞分化的細(xì)胞和永生化細(xì)胞，將每種細(xì)胞進(jìn)行新近隔離/培養(yǎng)并低溫貯藏。
在本發(fā)明的另一方面，可培養(yǎng)數(shù)量從微量至1kg以上的細(xì)胞。
利用相應(yīng)的設(shè)計(jì)，本發(fā)明提供以下優(yōu)點(diǎn)·利用具有大的交換表面和可變調(diào)節(jié)孔隙度的聚砜中空纖維-在使用惰性材料時(shí)具有較好的質(zhì)量傳遞·通過(guò)對(duì)流的明確地更加有效的雙向質(zhì)量傳遞，對(duì)于具有低擴(kuò)散率的培養(yǎng)基分子和較高分子合成制品來(lái)講更是如此·由于親水和、或疏水膜的使用，可更好地控制/調(diào)節(jié)質(zhì)量傳遞·由于供應(yīng)纖維與抽出纖維的分離以及纖維的可自由變化布置，細(xì)胞的供應(yīng)得到改進(jìn)并因此而導(dǎo)致細(xì)胞性能的改進(jìn)·由于逆流和旋轉(zhuǎn)，混合與質(zhì)量傳遞也得到了改進(jìn)·利用從靜止部分到旋轉(zhuǎn)部分的“管供料原則”避免了浮環(huán)密封-沒(méi)有管的扭轉(zhuǎn)(在臨床使用時(shí)的無(wú)問(wèn)題操作)且在反應(yīng)器單元中無(wú)磨損·由于可以使用人類的體液，避免了商業(yè)上的營(yíng)養(yǎng)溶液(如RPMI)的使用，并因此而避免了使用時(shí)的非生理物質(zhì)的接觸·消毒的一次性使用的物件與沒(méi)有消毒的旋轉(zhuǎn)單元的分離-對(duì)于使用者來(lái)講，操作簡(jiǎn)單且安全性高·一次性使用的物件用蒸汽消毒-對(duì)于使用者來(lái)講，在微生物污染方面，沒(méi)有有毒分解產(chǎn)物(ETO)且可能的安全性最高·通過(guò)血漿/培養(yǎng)基在旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)部或外部為肝細(xì)胞/胰細(xì)胞充氧和提供營(yíng)養(yǎng)。在外部充氧(在旋轉(zhuǎn)部分中僅有一個(gè)環(huán)線)的情況下，在細(xì)胞模組中沒(méi)有其它的膜，這對(duì)使用者來(lái)講具有較高的安全性·易于填充、添加和采樣；出于這種填充方法的原因，對(duì)于使用者來(lái)講，減少了污染并因此而提高了安全性·由于可進(jìn)行采樣，所以可對(duì)細(xì)胞進(jìn)行永久性的監(jiān)測(cè)-功能性和無(wú)害性(無(wú)菌、pH、有毒代謝產(chǎn)物的形成等第)的安全性較高·由于人類起源的低溫貯藏細(xì)胞的使用，所以可獨(dú)立使用移植·系統(tǒng)準(zhǔn)備運(yùn)行迅速(組裝、可用性和細(xì)胞材料)而安全。
權(quán)利要求
1.一種具有第一腔室和第二腔室的反應(yīng)器單元，其中，所述第一腔室由外殼的內(nèi)部形成且所述第二腔室由布置在所述外殼中的多個(gè)中空纖維的內(nèi)部形成，其特征在于將所述中空纖維布置在所述外殼中，以在所述第一腔室的截面積的基礎(chǔ)上使在所述第一腔室的至少一個(gè)區(qū)域中的所述中空纖維的密度不超過(guò)10根纖維/mm2。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器單元，其特征在于在所述第一腔室的截面積的基礎(chǔ)上的所述第一腔室的至少一個(gè)區(qū)域中的所述中空纖維的密度在0.2至10根纖維/mm2的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.5至6根纖維/mm2的范圍內(nèi)，特別優(yōu)選在1至4根纖維/mm2的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的反應(yīng)器單元，其特征在于在所述第一腔室的截面積的基礎(chǔ)上的所述纖維的密度在纖維的縱向方向上變化。
4.如權(quán)利要求1或2所述的反應(yīng)器單元，其特征在于在所述第一腔室的截面積的基礎(chǔ)上的所述纖維的密度在纖維的縱向方向上不變。
5.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于一種或一種以上鑄塑混合物布置在所述反應(yīng)器單元中，所述中空纖維的部分優(yōu)選是終端區(qū)域嵌入所述鑄塑混合物中。
6.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于兩種鑄塑混合物布置在所述反應(yīng)器單元中，所述中空纖維的部分優(yōu)選是終端區(qū)域嵌入所述鑄塑混合物中，且所述中空纖維的另一個(gè)部分在所述兩種鑄塑混合物之間延伸。
7.如權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器單元，其特征在于所述中空纖維在所述鑄塑混合物之間直線或曲線延伸，以特別得到凸出的或紡錘形中空纖維束。
8.如權(quán)利要求6或7所述的反應(yīng)器單元，其特征在于位于所述鑄塑混合物之間的幾根或全部中空纖維的部分的長(zhǎng)度比相互朝向的所述鑄塑混合物的表面之間的距離至少大0.5％。
9.如權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器單元，其特征在于位于所述鑄塑混合物之間的中空纖維的部分的長(zhǎng)度比相互朝向的所述鑄塑混合物的表面之間的距離至少大1％，優(yōu)選至少大3％。
10.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于設(shè)有裝置，所述裝置包圍所述中空纖維，以使與不使用所述裝置的密度相比，在所述第一腔室的截面積的基礎(chǔ)上的所述纖維的密度增加。
11.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于所述反應(yīng)器單元包括第三腔室，所述第三腔室由布置在所述第一腔室中的一根或多根中空氣體傳遞纖維的內(nèi)部形成。
12.如權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器單元，其特征在于所述中空氣體傳遞纖維具有比形成所述第二腔室的中空纖維大的外徑和、或內(nèi)徑。
13.如權(quán)利要求11或12所述的反應(yīng)器單元，其特征在于將所述中空氣體傳遞纖維設(shè)計(jì)成使它們適于通過(guò)所述膜傳遞氧，且優(yōu)選所述中空氣體傳遞纖維用PTFE制成或包括PTFE。
14.一種具有第一腔室和第二腔室的反應(yīng)器單元，其中，所述第一腔室由外殼的內(nèi)部形成且所述第二腔室由布置在所述外殼中的多個(gè)中空纖維的內(nèi)部形成，其特征在于至少兩種鑄塑混合物布置在所述反應(yīng)器單元中，所述中空纖維的一部分、優(yōu)選終端區(qū)域嵌入所述鑄塑混合物中，且所述中空纖維的另一個(gè)部分在所述鑄塑混合物之間延伸，其中，位于所述鑄塑混合物之間的一些或全部中空纖維的部分的長(zhǎng)度比相互朝向的所述鑄塑混合物的表面之間的距離至少大0.5％。
15.如權(quán)利要求14所述的反應(yīng)器單元，其特征在于根據(jù)權(quán)利要求1至13中的一個(gè)的特征部分設(shè)計(jì)所述反應(yīng)器單元。
16.如權(quán)利要求1至15中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于將所述中空纖維布置在所述外殼中，以將流過(guò)所述中空纖維的培養(yǎng)基以一個(gè)方向引導(dǎo)或以至少兩個(gè)不同的方向引導(dǎo)。
17.如權(quán)利要求1至16中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于所述中空纖維設(shè)有入口和出口。
18.如權(quán)利要求17所述的反應(yīng)器單元，其特征在于所述中空纖維的入口和出口設(shè)置在所述外殼的同一側(cè)。
19.如權(quán)利要求1至18中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于將所述中空纖維布置在所述外殼中，以使流過(guò)所述中空纖維的培養(yǎng)基具有基本上呈U形的流程。
20.如權(quán)利要求1至19中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于將所述中空纖維設(shè)計(jì)成基本上呈U形。
21.如權(quán)利要求1至20中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于所述外殼具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱優(yōu)選是圓柱形的設(shè)計(jì)。
22.如權(quán)利要求1至21中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于所述中空纖維具有入口，且從所述入口開始到所述中空纖維流的方向在其中改變的區(qū)域以第一方向延伸，并且從方向在其中改變的區(qū)域以不同于所述第一方向的第二方向延伸，其中，以所述第一方向延伸的所述中空纖維在內(nèi)部上徑向延伸，且以所述第二方向延伸的所述中空纖維在相對(duì)于所述內(nèi)部的外部上徑向延伸。
23.如權(quán)利要求1至22中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于所述外殼具有至少一個(gè)端口，所述端口用于填充所述第一腔室、排空所述第一腔室或從所述第一腔室取樣。
24.如權(quán)利要求1至23中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于所述中空纖維的內(nèi)徑不大于300μm，優(yōu)選不大于200μm，且特別優(yōu)選為約100μm。
25.如權(quán)利要求1至24中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于所述中空纖維的膜的液體滲透率至少為200ml/mmHg×h×m2，優(yōu)選至少為500ml/mmHg×h×m2。
26.如權(quán)利要求1至25中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于形成所述中空纖維的膜的截留率在104Da至107Da之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選在105Da至106Da之間的范圍內(nèi)，特別優(yōu)選在700,000至900,000Da的范圍內(nèi)。
27.如權(quán)利要求1至26中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于利用可用蒸汽消毒的材料構(gòu)成所述反應(yīng)器單元。
28.如權(quán)利要求1至27中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于將所述反應(yīng)器單元設(shè)計(jì)成一次性使用的單元。
29.如權(quán)利要求1至28中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器單元，其特征在于設(shè)有容納所述中空纖維的端部的鑄塑混合物，且用PP制造所述外殼和、或用聚氨酯制造所述鑄塑混合物和、或用聚芳醚砜?jī)?yōu)選用聚砜且特別優(yōu)選用利用PVP親水化處理過(guò)的聚砜制造所述中空纖維。
30.一種具有根據(jù)權(quán)利要求1至29中的任何一項(xiàng)所述的一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器單元的反應(yīng)器，其特征在于可旋轉(zhuǎn)安裝所述反應(yīng)器單元。
31.如權(quán)利要求30所述的反應(yīng)器，其特征在于所述反應(yīng)器包括根據(jù)權(quán)利要求1至29中的任何一項(xiàng)所述的多個(gè)反應(yīng)器單元。
32.如權(quán)利要求31所述的反應(yīng)器，其特征在于所述多個(gè)反應(yīng)器單元串行或并行布置。
33.如權(quán)利要求32所述的反應(yīng)器，其特征在于所述多個(gè)反應(yīng)器單元串行布置，以使兩個(gè)相鄰的反應(yīng)器之間的質(zhì)量傳遞僅可能以一個(gè)方向或同時(shí)以兩個(gè)方向進(jìn)行。
34.如權(quán)利要求30至33中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其特征在于將所述反應(yīng)器單元設(shè)計(jì)成無(wú)浮環(huán)密封。
35.一種利用根據(jù)權(quán)利要求1至29中的任何一項(xiàng)的反應(yīng)器單元或根據(jù)權(quán)利要求30至34中的任何一項(xiàng)的反應(yīng)器通過(guò)一個(gè)或多個(gè)中空纖維實(shí)現(xiàn)質(zhì)量傳遞的方法，其中，對(duì)由所述中空纖維的內(nèi)部形成的所述第二腔室中的壓力和由所述外殼形成的所述第一腔室中的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使穿過(guò)所述中空纖維的質(zhì)量傳遞至少部分地通過(guò)對(duì)流實(shí)現(xiàn)。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于對(duì)所述第一和所述第二腔室之間的壓力比進(jìn)行選擇，以使所述中空纖維的一部分中的對(duì)流質(zhì)量傳遞從容納在所述中空纖維中的培養(yǎng)基到容納在所述外殼中的培養(yǎng)基內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且在所述中空纖維的另一部分中從容納在所述外殼中的培養(yǎng)基到容納在所述中空纖維中的培養(yǎng)基實(shí)現(xiàn)。
37.一種具有根據(jù)權(quán)利要求1至29中的任何一項(xiàng)的反應(yīng)器單元或根據(jù)權(quán)利要求30至34中的任何一項(xiàng)的反應(yīng)器的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括儲(chǔ)存器，所述儲(chǔ)存器與所述反應(yīng)器單元連接，以使可將培養(yǎng)基從所述儲(chǔ)存器引入由所述中空纖維形成的所述反應(yīng)器單元的所述第二腔室或者從所述第二腔室排出，所述儲(chǔ)存器包括輸送泵，所述輸送泵用于輸送培養(yǎng)基，并包括充氧器，通過(guò)所述充氧器可為所輸送的培養(yǎng)基添加氧。
38.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其特征在于所述充氧器設(shè)在沿所述培養(yǎng)基的流動(dòng)方向的所述反應(yīng)器或所述反應(yīng)器單元的上游。
39.如權(quán)利要求37或38所述的系統(tǒng)，其特征在于在沿流動(dòng)方向的所述反應(yīng)器的上游設(shè)有加熱裝置，所述加熱裝置用于將所述培養(yǎng)基加熱。
40.如權(quán)利要求37至39中的任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于所述輸送泵是蠕動(dòng)泵。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有第一腔室和第二腔室的反應(yīng)器單元，其中，第一腔室由外殼的內(nèi)部形成且第二腔室由布置在外殼中的多個(gè)中空纖維的內(nèi)部形成。將中空纖維布置在外殼中，以在第一腔室的截面積的基礎(chǔ)上使在第一腔室的至少一個(gè)區(qū)域中的中空纖維的密度不超過(guò)10根纖維/mm
文檔編號(hào)C12M3/06GK101087873SQ200580044888
公開日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月27日
發(fā)明者F·庫(kù)格爾曼, P·亨格斯特, R·馬格雷特, B·內(nèi)德洛夫, M·菲尼, C·特塔, T·維爾德, M·亞庫(kù)博維克, M·保羅, M·卡羅納 申請(qǐng)人:弗雷森紐斯醫(yī)療護(hù)理德國(guó)有限責(zé)任公司