9.4.3 中空纤维培养系统
自1972年模拟体内微循环设计了小型中空纤维细胞培养装置以来，该技术得到了不断的改进和完善，应用这种生物反应器已经培养了多种动物细胞并获得了珍贵的生物产品。该反应器是把细胞限制在具有半透膜性质的中空纤维内生长，培养液从中空纤维管中流过，细胞主要通过半透膜获得营养物质和氧，如图9.8所示。
中空纤维反应器是一个特制的容器（如圆筒），培养筒内可以封装数千根中空纤维，中空纤维是用聚矾或丙烯的聚合物制成。在圆筒内形成了两个空间：每根纤维的管内成为“内室”，可灌流无血清培养液供细胞生长；管与管之间的间隙成为“外室”，接种的细胞就贴附在外室的管壁上，并吸取从“内室”渗透出来的养分，迅速生长增殖。培养液中的血清也输入到“外室”，由于血清和细胞分泌物的相对分子量大而无法穿透到“内室”，只能留在“外室”并且不断被浓缩。当需要收集这些产物时，只要将管与管之间的“外室”总出口打开，产物就流出来了。代谢废物属于小分子物质，可从管壁渗透进“内室”，最后可从“内室”总出口排出，如图9.9所示，不会对“外室”的细胞产生毒害作用。
图9.8 中空纤维反应器结构示意图
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图9.9 中空纤维反应器中物质交换示意图
由于能较快速地获得营养物质和氧，细胞在靠近膜的部位得以优势生长。当细胞长至一定的密度时，细胞富集在膜表面，往往造成膜孔堵塞，远离膜的细胞得不到足够的营养物质和氧而生长缓慢或死亡。双腔中空纤维反应器对此有所改进。双腔纤维膜反应器，实际上就是将若干小的单腔纤维反应器，放置于粗纤维或硅胶管中，在外管和小的单腔纤维反应器之间形成又一壳层，可通入空气或培养液，从而强化细胞的氧和营养物质的供给。与单腔式中空纤维反应器系统相比，双腔中空纤维反应器系统在营养的供给方面有较大改善。
中空纤维培养系统的规模放大，可通过多单元组件的并联来实现。至于营养物质沿流向的梯度衰减，也可以通过优化反应器的设计和操作加以解决，例如减小反应器的长度、提高培养液的流速，均能降低营养物浓度的梯度变化。
中空纤维反应器的优点是无剪切、传质效率高，可用于培养悬浮生长的细胞和贴壁依赖性细胞，培养细胞的密度和产物浓度都可达到比较高的水平，而且细胞生长周期长，培养系统占用空间小。但它不能重复使用，因为在使用的过程中，大分子物质很容易吸附在膜的表面而造成膜孔堵塞，其在大规模动物细胞的体外培养中应用潜力并不大，但在人造器官方面则具有较好的应用前景。