[发明专利]多组纤维管均匀分布的多功能中空纤维膜管生物反应器

说明书

技术领域  本发明属于生物工程技术领域的生物反应器技术，主要涉及动物细胞(杂交瘤，CHO，SP2/0，NS0等悬浮生长细胞和肝，肾细胞等附着生长细胞)大规模培养；具体涉及一种由二到四组中空纤维膜管均匀混合平行排列构成的多功能中空纤维膜生物反应器。

背景技术  中空纤维生物膜反应器应用于动物细胞培养已有30多年的历史(Knazek RA等，Science 1972；178(56)：65-6；授予给Knazek RA等的美国专利：US3821087，US3883393，US4184922，US4200689和US4220725)。其基本结构是将成束的直径约为200-400微米，具有半透性的中空纤维膜管封闭于有限空间的塑料或其它材料的容器内；中空纤维膜管的两头开口于容器的两端与外界相通，形成两个工作空间，即毛细管内空间(intracapillary space，ICS)和纤维膜管外壁与容器内壁形成的毛细管外空间(extracapillary space，ECS)。ECS通过容器管壁上的两个开口与外界相通。通常ICS用作灌流液体培养基，而ECS用于培养细胞。由于中空纤维膜管生物反应器在相对小的空间内提供极大的表面积用于液-液相交换、气-液相交换或分离过滤等，被广泛应用于血液透析、血液气体交换和大规模细胞培养等。在用于动物细胞培养时，其优点在于能模拟生物组织的三维结构形式，在有限的空间内提供极大的交换面积，让细胞均匀分布并有效地获得生长所需的营养物。在培养的细胞以及细胞产生的目的产物与提供营养的培养基之间，有特定截流孔径(小于目的产物)的半透性中空纤维膜分隔，细胞受到的培养基灌流产生的剪切力大大降低。通过培养基循环将营养物和氧气透过中空纤维膜不断提供给细胞，同时将细胞代谢的有害产物和二氧化碳带走，使细胞始终处于良好的生长环境中。培养的细胞密度可高达10⁸/ml以上，远远高于细胞瓶静止培养(0.5-1×10⁶/ml)和搅拌悬浮培养(0.2-1X 10⁷/ml)。是目前最接近动物组织细胞密度的体外细胞培养系统。

相对动物组织的血液循环系统而言，这种经典结构的中空纤维膜生物反应器有两大缺陷。其一，纤维膜管在容器内相对分布不匀，成束的柔性毛细纤维膜管难免互相纠缠，在微局部形成灌流死腔(即超过营养物弥散有效距离的空间)或无效灌流(没有或极少细胞分布的纤维管区)。其二，灌流效率低下，供氧灌流相对不足。由于仅用单一的循环培养基作为介质，通过弥散(Diffusion)或对流(Convection)的方式将各种细胞生长所需的营养物，包括水易溶性的葡萄糖、氨基酸、维生素和矿物盐等，以及水难溶性的脂肪酸、胆固醇和氧气等传递给细胞。而不同性质的营养物在水性培养基中的溶解度相差极大，被传递的效率大不相同。因此，经典结构中空纤维生物反应器为了满足细胞生长代谢的最低需要，只能按传递效率最低的营养物，此如氧气的需求来确定循环培养基的灌流量。通常按单位体积细胞计算的灌流量远大于动物组织的血流量。而这样的灌流量对于水易溶性小分子营养物如葡萄糖和谷氨酰胺等来说，则大大超过了需要。造成了供氧灌流相对不足，同时水溶性小分子营养物灌流过剩的低效率灌流。如普通培养基在37℃一个大气压(氧分压155mmHg )下只能溶解5-7微克/ml左右的氧，仅够10⁶个杂交瘤细胞一小时的消耗。按培养2×10¹¹个细胞每小时消耗1克氧气计算，需要至少5升/分钟以上循环培养基灌流量以及高效的气体交换器才能满足供氧。而按2×10¹¹个细胞每小时消耗4-10克葡萄糖计算(Miller等，J.Cell.Physiol.1987，132：524-530；Wohlpart等，Biotechnol.Bioeng.1990，36：630-635)，最多不到0.5升/分钟的培养基灌流量即可。Piret JM等(Biotech.Adv.1990；8：763-783)在测定经典结构中空纤维膜生物反应器的轴流向(axial)乳酸、氨和氧的浓度梯度时发现，如果降低培养基灌流量到额定量的1/8(12ml/100ml)，灌流培养基中的氧几乎耗尽，流出培养基中氧含量降到空气氧分压的9％；而同样条件下乳酸和氨的积聚分别限制在1和0.3mmol/L以下，pH仅下降0.05，几乎可以忽略。