开放式旋转变力场中空纤维生物反应器

1.本发明涉及纺织生物材料技术领域，尤其涉及一种开放式旋转变力场中空纤维生物反应器。


背景技术：

2.中空纤维因其高比表面积、传质能力强的特点，在污水处理、医药提纯、血液透析、细胞培养领域应用的潜力。现有的中空纤维生物反应器的工作原理为：使待处理液体流经中空纤维的管腔，该过程中纤维壁上分散的微纳米孔与外部液体发生传质交换，实现对目标液体净化或物质传输的目的，应用上述装置进行细胞培养时，确保细胞正常生长、繁殖的重要因素为均匀、持续地向细胞供应氧气。为此，现有技术对中空纤维进行功能性结构改性，如增加氧气供给压力和浓度、功能模块组装、滚筒式设计的方式增加对生物反应器内细胞的供氧。
3.现有技术中，申请号为cn201810802922.2，公开日期为2018年12月7日，名称为“用于植物细胞高密度培养的滚筒中空纤维反应器及番石榴叶细胞高密度培养的方法”的专利文件中，该发明在静态生物反应器的基础上，将生物反应器外壳设置成滚筒式，通过滚筒外壳的转动带动壳腔流体内流动，有助于降低细胞的紧密团聚凝聚并改善细胞的溶氧，改善膜的传质通透性，利于细胞生长代谢。但是由于滚筒与外界不连通，供氧完全依赖培养基中溶解的气体供给，滚筒虽能带动培养基形成内循环，在一定程度上解决供氧不平衡的问题，但滚筒的转动带来的混匀效果为径向的混合，流体的循环剪切速率沿径向衰减，不能解决内部中空纤维供氧均匀性问题。
4.另外，现有技术中，申请号为“cn202120741800.4”，公开日期为2021年12月3日，名称为“一种中空纤维膜曝气生物反应器”的专利文件中通过将反应器主体设置为可旋转的中空纤维，有效提高了水处理过程的反应效率。但是，由于上述装置存在自上而下营养物质减少、自下而上气体浓度降低、曝气产生的气泡造成细胞损伤、中空纤维内外无法传质交换的缺陷，且活性炭过滤装置无法滤除细菌，不能为细胞生长提供适宜环境，因而不适合用于细胞培养。
5.有鉴于此，有必要设计一种改进的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，以解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种开放式旋转变力场中空纤维生物反应器。
7.为实现上述发明目的，本发明提供了一种开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，包括腔体、设置于所述腔体的外部的空气过滤单元和供排液系统及设置于所述腔体的内部的中空纤维系统，所述腔体的侧面上部设有进液口，所述腔体的下部设有出液口，所述供排液系统外部相对设有第一传动装置和第二传动装置。
8.优选的，所述空气过滤单元为整体式或模块式的膜材料，所述膜材料的孔径为
0.01-0.22μm，所述膜材料均匀分布于所述腔体外部与所述腔体的轴向方向平行。
9.优选的，所述供排液系统与所述腔体的轴向方向同轴，且所述中空纤维系统的设置方向与所述腔体的轴向方向相平行。
10.优选的，所述供排液系统包括设置于所述第一传动装置一侧的供液动态输液管和设置于所述第二传动装置一侧的排液动态输液管，所述供液动态输液管通过所述供液连接件与所述供液静态输液管连接，所述排液动态输液管通过所述排液连接件与所述排液静态输液管连接。
11.优选的，所述中空纤维系统包括若干并排排列的中空纤维和设置于所述中空纤维两端的供液中转槽和排液中转槽，所述中空纤维的内径为3-450μm，所述中空纤维的内径与外径的比值为(1:1.1)-(1:2)。
12.优选的，所述供液中转槽的一侧设有与所述供排液系统连接的供液连接口，所述排液中转槽的一侧设有与所述供排液系统连接的排液连接口，所述供液中转槽和所述排液中转槽之间设有定位连接杆。
13.优选的，所述中空纤维的纤维壁上分布有孔径为0.1-3μm的微孔。
14.优选的，所述第一传动装置和所述第二传动装置包括变速调节器、正反转控制器及程序设定微电脑。
15.优选的，所述第一传动装置和所述第二传动装置分别用于驱动所述供液动态输液管和所述排液动态输液管旋转，所述传动方式为齿轮传动或带传动或链传动。
16.本发明的有益效果是：
17.1、本发明提供的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，其包括腔体、设置于腔体的外部的空气过滤单元和供排液系统及设置于腔体内部的中空纤维系统，供排液系统的外部设有驱动中空纤维系统转动的传动装置，从而改变反应器中细胞和纤维之间的受力，为细胞提供外力刺激，促进细胞的增殖；其次，通过使供排液系统与腔体的轴向方向同轴，且中空纤维的设置方向与腔体的轴向方向相平行，中空纤维旋转的过程中细胞在培养基中的位置不断发生变化，不仅实现连续周期性改变细胞所处空间位置，交替性为细胞提供氧气，且能够利用细胞与中空纤维之间的相互作用力及培养基对细胞的冲击作用，加强细胞与中空纤维之间的粘附作用，同时介导细胞的取向性迁移。通过上述方式，提供了一种结构简单、适于细胞培养且可用于细胞的整个生长周期的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器。
18.2、本发明提供的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，通过控制中空纤维的尺寸特征及空气过滤单元的纤维膜孔径，确保反应器输送的氧气等气氛和营养物质及反应器内细胞生长的有效面积满足细胞繁殖和生长的需求，且细胞能够有效吸收培养基中的营养物质；通过在腔体上侧设置空气过滤单元，使腔体内环境与与外界环境连通，同时中空纤维系统浸没于腔体内液体内，保证了腔体内液体的溶氧，确保细胞可以获得更新的养分和氧气；通过在供液通道和排液通道上设置旋转芯轴和动静组合旋转密封件，使生物反应器与外界稳定连接，确保中空纤维旋转状态下培养基的稳定输送；通过在传动装置内设置变速调节器、正反转控制器和程序设定微电脑，可以根据细胞所处阶段进行变力场的程序化周期性设计，拓展了力场的变化阈值，实现细胞的快速增殖和迁移。
附图说明
19.图1为本发明的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器的结构示意图；
20.图2为中空纤维系统细节结构示意图；
21.附图标记如下：
22.10、腔体；101、进液口；102、出液口；103、旋转密封件；20、空气过滤单元；30、第一传动装置；301、供液静态输液管；302、供液连接件；303、供液动态输液管；40、第二传动装置；401、排液静态输液管；402、排液连接件；403、排液动态输液管；50、中空纤维系统；501、供液连接口；502、供液中转槽；503、中空纤维；504、定位连接杆；505、排液中转槽；506、排液连接口。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
24.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
25.另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
26.请参阅图1和图2所示，本发明提供了一种开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，包括腔体10、设置于腔体10外部的空气过滤单元20和供排液系统及设置于腔体10内部的中空纤维系统50，空气过滤单元20与腔体10的轴向方向同轴，腔体10的对应位置设有进液口101和出液口102；供排液系统外部相对设有第一传动装置30和第二传动装置40，供排液系统与腔体10通过旋转密封件103进行连接；供排液系统包括设置于第一传动装置30一侧的供液动态输液管303和设置于第二传动装置40一侧的排液动态输液管403，供液动态输液管303通过供液连接件302与供液静态输液管301连接，排液动态输液管403通过排液连接件402与排液静态输液管401连接，排液动态输液管403用于收集中空纤维系统50内部各中空纤维503流出的培养基，供液动态输液管303和排液动态输液管403均与中空纤维系统50固定连接。需要说明的是，此处进液口101和出液口102分设于腔体10的侧面上部和下部，以降低换液时的能耗。
27.具体地，腔体10上侧设置空气过滤单元20，以使腔体10和中空纤维系统50中液体介质与外界气体氛围连通，保证了中空纤维503与腔体10内液体的传质交换，确保细胞可以获得更新的养分和氧气，旋转过程中，中空纤维503内的培养基与腔体10内的培养基实现快速的交换和混合；供液系统和排液系统均由中心输液内管、旋转芯轴、动静组合旋转密封件、轴承和壳体组成，供液动态输液管303和排液动态输液管403通过供液连接口501和排液连接口506与中空纤维系统50实现固定密封连接，中心输液内管保证了中空纤维系统50内培养基的运输，旋转芯轴便于生物反应器与外界的静态连接，动静组合旋转密封件保证了旋转状态下培养基的稳定输送，轴承和壳体均起到支撑和保护作用。
28.进一步地，空气过滤单元20为整体式或模块式的膜材料，膜材料的孔径为0.01-0.22μm，膜材料均匀分布于腔体10外部与腔体10的轴向方向平行，且中空纤维503的设置方向与腔体10的轴向方向相平行，采用此种设置方式，将腔体10与外界环境连接，在无需外加设备和气体的情况下，从环境中溶解氧气和二氧化碳，直接用于生物反应器中细胞的生长，而整体式或模块式的设计可以根据需要调整生物反应器从环境中获取气体的效率，确保培养过程中持续向细胞供应所需氧气；若孔径低于0.01μm，气体交换效率会被降低，同时成本上升；若孔径高于0.22μm，无法有效滤除空气中的细菌，增加生物反应器污染的风险。
29.进一步地，第一传动装置30和第二传动装置40包括能够相互配合使用的变速调节器、正反转控制器及程序设定微电脑，第一传动装置30和第二传动装置40用于驱动供排液动态输液管303和403旋转，其传动方式为齿轮传动或带传动或链传动，在传动装置和动态输液管的配合带动下中空纤维系统50的旋转速度为1-1000rpm。采用此种设置方式，可以根据细胞所处阶段进行变力场的程序化周期性设计，拓展了力场的变化阈值；具体地，细胞培养初始阶段，可根据需要调整中空纤维系统50的旋转速度，获得一定的变力场，促进细胞在中空纤维503上的黏附，在完成细胞的黏附后，适应性调整中空纤维系统50的旋转速度，延长变力场的更新周期，降低作用力大小，实现细胞的快速增殖和迁移。
30.进一步地，中空纤维系统50包括若干并排排列的中空纤维503和设置于中空纤维503两端的供液中转槽502和排液中转槽505，供液中转槽502的一侧设有与供液动态输液管303连接的供液连接口501，排液中转槽505一侧设有与排液动态输液管403连接的排液连接口506，两个液体中转槽之间设有定位连接杆504，以将中转槽固定在中空纤维503两端，固定中转槽与中空纤维503间的相对位置。
31.具体地，中空纤维503的内径为3-450μm，当内径低于3μm时，向中空纤维503内灌注培养基需较大压力，不利于培养基的稳定流动，且限制了培养基的灌注量，降低了细胞获取营养物质的效率。当内径高于450μm时，中空纤维系统的比表面积将受到限制，且培养基内剩余营养物质得不到有效吸收，造成资源的浪费；中空纤维503内径与外径的比值为(1:1.1)-(1:2)，当内径与外径的比例低于1:1.1时，纤维壁厚过低，机械性能达不到使用的要求，当培养基输入纤维腔内时对纤维壁造成损伤，增加纤维壁破裂的风险。当内径与外径的比例高于1:2时，壁厚过大，纤维内培养基向纤维外的传输路径和所需压力均增加，且反应器内细胞生长体积被压缩，不利于细胞密度的提升；纤维壁上微孔的孔径为0.1-3μm，当孔径小于0.1μm时，中空纤维503内外培养基的传质交换效率过低，不能及时更新营养物质带走废弃产物，造成细胞中毒。当孔径大于3μm时，在旋转环境下，细胞承受压力，有可能被挤压进纤维内，造成孔的堵塞、细胞的损伤和中空纤维系统50的污染。
32.下面结合具体的实施例对本发明的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器作进一步说明：
33.实施例1
34.本实施例提供了一种开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，包括腔体10、设置于腔体10的外部的空气过滤单元20和供排液系统及设置于腔体10内部的中空纤维系统50，腔体10与空气过滤单元20的组合使腔体10内和中空纤维系统50内培养介质的充分溶氧，确保细胞与必须气体氛围有效接触，腔体10的对应位置设有进液口101和出液口102；供排液动态输液管303和403外部相对设有第一传动装置30和第二传动装置40，供液动态输液管
303、排液动态输液管403与腔体10通过旋转密封件103进行连接，第一传动装置30的一侧设有为中空纤维系统50供液的动态输液管303，第二传动装置40的一侧设有排液动态输液管403，排液动态输液管403用于收集中空纤维系统50内部各中空纤维503流出的培养基，供液动态输液管303和排液动态输液管403均与中空纤维系统50固定连接，且二者均由中心输液内管、旋转芯轴、动静组合旋转密封件、轴承和壳体组成。其中，空气过滤单元20为整体式膜材料，孔径为0.01μm，且整个空气过滤单元20和沿腔体10外壳上侧轴线方向上同轴分布。
35.进一步地，第一传动装置30和第二传动装置40包括变速调节器、正反转控制器及程序设定微电脑；中空纤维系统50中的中空纤维503的内径为3μm，中空纤维503内径与外径的比值为1:1.1，纤维壁上微孔的孔径尺寸为0.1-1μm。
36.实施例2至3
37.实施例2至3与实施例1的区别仅在于：构成空气过滤单元20的膜材料的孔径大小与实施例1不同，其他步骤与实施例1基本相同，在此不再赘述。实施例1至3中膜材料的孔径大小及对应条件下得到的生物反应器用于细胞培养时的细胞存活率如表1所示，从表中可以看出膜材料孔径的增加有利于细胞的存活，高孔径为生物反应器内外气体的交换提供便利，更充分的溶氧创造出更适宜的培养环境。
38.表1实施例1至3中膜材料的孔径大小及对应条件下的细胞存活率
39.项目膜材料的孔径(μm)细胞存活率(％)实施例10.0170-85实施例20.1080-90实施例30.2282-96
40.实施例4至5
41.实施例4至5与实施例1的区别仅在于：中空纤维的内径与实施例1不同，其他步骤与实施例1基本相同，在此不再赘述。实施例1及实施例4至5中空纤维的内径及对应条件下得到的生物反应器用于细胞培养时的细胞存活率如表2所示，从表中可以看出中空纤维内径的增加有利于细胞高活性的表达，这是因为内径的增加，使得细胞与中空纤维接触处的弧度降低，在更平缓的面上，细胞黏附、增殖效率均有提升。
42.表2实施例1及实施例4至5中空纤维的内径及对应条件下生物反应器的细胞存活率
[0043][0044][0045]
实施例6至7
[0046]
实施例6至7与实施例1的区别仅在于：中空纤维内径与外径的比值与实施例1不同，其他步骤与实施例1基本相同，在此不再赘述。实施例1及实施例6至7中空纤维内径与外径的比值及对应条件下得到的生物反应器用于细胞培养时的细胞存活率如表3所示，从表
中可以看出随着中空纤维内径与外径的比值的增加，细胞存活率下降，这是由于传质交换的效率因为中空纤维的壁厚增加而降低导致的。
[0047]
表3中空纤维内径与外径的比值及对应条件下生物反应器的细胞存活率
[0048]
项目中空纤维内径与外径的比值细胞存活率(％)实施例11:1.188-96实施例61:1.580-92实施例71:270-85
[0049]
实施例8至9
[0050]
实施例8至9与实施例1的区别仅在于：中空纤维上孔洞的孔径尺寸与实施例1不同，其他步骤与实施例1基本相同，在此不再赘述。实施例1及实施例8至9的孔径尺寸及对应条件下得到的生物反应器用于细胞培养时的细胞存活率如表4所示，从表中可以看出中空纤维纤维壁上孔洞孔径的分布对细胞的存活率影响不大，且在设定孔径范围内，细胞均表现出高存活率，这是因为在该孔径分布范围内，中空纤维内外养分和气氛供给充足，为细胞提供适宜三维培养环境。
[0051]
表4实施例1及实施例8至9的孔径尺寸及对应条件下生物反应器的细胞存活率
[0052][0053][0054]
应用本发明的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器进行细胞培养的原理如下：先打开传动装置30和40使供液动态输液管303和输液动态输液管403在第一传动装置30和第二传动装置40的驱动下旋转起来，由于供液动态输液管303和输液动态输液管403与中空纤维系统50两端固定密封连接，由供液动态输液管303和输液动态输液管403带动中空纤维系统50旋转，在其旋转产生的负压作用下将外环境内的氧气、二氧化碳等细胞生存必须或有利气体氛围经空气过滤单元20滤除细菌、杂质等不利因素后带入腔体10内，再打开腔体进液口101，将混有细胞的培养基悬液注入腔体10内，在中空纤维系统50旋转产生的作用力下进一步混匀细胞悬液，实现细胞在腔体10内和中空纤维503间均匀分布的同时，提升细胞在中空纤维503上着陆黏附的概率，所创造的微变力环境进一步促进细胞的可靠黏附与迁移，由于供液动态输液管303和输液动态输液管403与腔体10间采用旋转密封件103实现动态密封连接，腔体10内的细胞悬液不会泄露，然后将完全培养基通过供液静态输液管301依次经供液动静组合旋转连接件302和供液动态输液管303输送至中空纤维系统50内，完全培养基内携带的养分进入中空纤维503内后，通过中空纤维503上密布的孔洞在浓度梯度的驱使下由内而外向腔体内扩散，为细胞提供养分的同时诱导细胞迁移和黏附，而腔体内细胞代谢产生的废弃物，同样在传质交换下，进入中空纤维503内，由中空纤维503内流动的介质带入排液动态输液管403内，再依次经排液动静组合旋转连接件402和输液静态输液管401导出生物反应器体系，完成细胞培养。
[0055]
综上所述，本发明提出的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，包括腔体、设置于腔体的中空纤维系统及设置于腔体的外部的供排液系统和空气过滤单元，供排液系统的外部设有驱动中空纤维系统的中空纤维转动的传动装置，从而改变反应器中细胞和纤维之间的受力，为细胞提供外力刺激，促进细胞的增殖，同时，中空纤维旋转的过程中细胞在培养基中的位置不断发生变化，不仅实现连续周期性改变细胞所处空间位置，交替性为细胞提供氧气，且能够利用细胞与中空纤维之间的相互作用力及培养基对细胞的冲击作用，加强细胞与中空纤维之间的粘附作用。通过上述方式，提供了一种结构简单、适于细胞培养且可用于细胞的整个生长周期的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器。
[0056]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，其特征在于，包括腔体(10)、设置于所述腔体的外部的空气过滤单元(20)和供排液系统及设置于所述腔体的内部的中空纤维系统(50)，所述腔体的侧面上部设有进液口(101)，所述腔体的下部设有出液口(102)，所述供排液系统外部相对设有第一传动装置(30)和第二传动装置(40)。2.根据权利要求1所述的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，其特征在于，所述空气过滤单元(20)为整体式或模块式的膜材料，所述膜材料的孔径为0.01-0.22μm，所述膜材料均匀分布于所述腔体外部与所述腔体的轴向方向平行。3.根据权利要求1所述的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，其特征在于，所述供排液系统与所述腔体(10)的轴向方向同轴，且所述中空纤维系统(50)的设置方向与所述腔体(10)的轴向方向相平行。4.根据权利要求1所述的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，其特征在于，所述供排液系统包括设置于所述第一传动装置(30)一侧的供液动态输液管(303)和设置于所述第二传动装置(40)一侧的排液动态输液管(403)，所述供液动态输液管(303)通过所述供液连接件(302)与所述供液静态输液管(301)连接，所述排液动态输液管(403)通过所述排液连接件(402)与所述排液静态输液管(401)连接。5.根据权利要求1所述的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，其特征在于，所述中空纤维系统(50)包括若干并排排列的中空纤维(503)和设置于所述中空纤维(503)两端的供液中转槽(502)和排液中转槽(505)，所述中空纤维(503)的内径为3-450μm，所述中空纤维(503)的内径与外径的比值为(1:1.1)-(1:2)。6.根据权利要求5所述的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，其特征在于，所述供液中转槽(502)的一侧设有与所述供排液系统连接的供液连接口(501)，所述排液中转槽(505)的一侧设有与所述供排液系统连接的排液连接口(506)，所述供液中转槽(502)和所述排液中转槽(505)之间设有定位连接杆(504)。7.根据权利要求5所述的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，其特征在于，所述中空纤维(503)的纤维壁上分布有孔径为0.1-3μm的微孔。8.根据权利要求1所述的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，其特征在于，所述第一传动装置(30)和所述第二传动装置(40)包括变速调节器、正反转控制器及程序设定微电脑。9.根据权利要求8所述的开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，其特征在于，所述第一传动装置(30)和所述第二传动装置(40)分别用于驱动所述供液动态输液管(303)和所述排液动态输液管(403)旋转，所述传动方式为齿轮传动或带传动或链传动。

技术总结
本发明提供了一种开放式旋转变力场中空纤维生物反应器，包括腔体、设置于腔体的外部的空气过滤单元和供排液系统及设置于腔体内部的中空纤维系统，供排液系统的外部设有驱动中空纤维系统转动的传动装置，从而改变反应器中细胞和纤维之间的受力，为细胞提供外力刺激，促进细胞的增殖；其次，通过使供排液系统和腔体的轴向方向同轴，且中空纤维的设置方向与腔体的轴向方向相平行，中空纤维旋转的过程中细胞在培养基中的位置不断发生变化，不仅实现连续周期性改变细胞所处空间位置，交替性为细胞提供氧气，且能够利用细胞与中空纤维之间的相互作用力及培养基对细胞的冲击作用，加强细胞与中空纤维之间的粘附作用，同时介导细胞的取向性迁移。取向性迁移。取向性迁移。


技术研发人员：王晗 庄燕 姚金雍 陈青青 肖锦峰 周永恒 杨红军 徐卫林
受保护的技术使用者：武汉纺织大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/9/14