段梅梅 霍小林 吳昌哲 李 明（中國科學(xué)院電工研究所，北京 0090）

2（中國科學(xué)院研究生院，北京 100190）

引言

在外科治療中，肝移植手術(shù)可以顯著提高患者搶救成功率，但由于供肝嚴(yán)重短缺，加之醫(yī)療費(fèi)用昂貴，大多數(shù)患者在等待供肝的過程中死亡。生物人工肝支持系統(tǒng)為肝衰竭患者的康復(fù)帶來了新的希望，是目前肝病治療領(lǐng)域的重要研究課題。

非生物型人工肝支持系統(tǒng)主要以清除毒素功能為主，而生物型人工肝支持系統(tǒng)（bio-artificial liver support system，BALSS）不僅具有肝臟的特異性解毒功能，而且具有更高的性能，如參與能量代謝，具有生物合成轉(zhuǎn)化功能，分泌促肝細(xì)胞生長(zhǎng)的活性物質(zhì)等，因比非生物型系統(tǒng)治療更具有優(yōu)勢(shì)而愈來愈得到研究者的重視［1］。生物型體外人工肝支持系統(tǒng)這一技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，為肝衰竭的治療開辟了新途徑［2］。其中的生物反應(yīng)器是肝細(xì)胞與病人血液/血漿進(jìn)行物質(zhì)交換的場(chǎng)所，是發(fā)揮人工肝代謝支持作用的關(guān)鍵部分［3］。

肝細(xì)胞的生長(zhǎng)需要反應(yīng)器中有適當(dāng)?shù)娜芙庋?、pH和溫度等參數(shù)，為了給體外培養(yǎng)的肝細(xì)胞提供一個(gè)優(yōu)化的物理及化學(xué)環(huán)境，使肝細(xì)胞能夠更好地生長(zhǎng)，發(fā)揮功能活性，需對(duì)反應(yīng)器中這幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行控制。因?yàn)楦渭?xì)胞在培養(yǎng)過程中對(duì)氧氣的需求量大，且生物反應(yīng)器的體積需要限定在一定范圍內(nèi)，又由于氧氣在培養(yǎng)基中溶解度較低，溶解氧的控制最為復(fù)雜且尤為重要。文中對(duì)如何增加培養(yǎng)基中溶解氧、反應(yīng)器中溶解氧檢測(cè)以及溶解氧的濃度控制等問題進(jìn)行了綜述，最后介紹了適合人工肝生物反應(yīng)器溶解氧控制的自適應(yīng)控制算法。

1 增加基質(zhì)中溶解氧的方法

在細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)中，需要供給細(xì)胞充足的氧氣才可以維持細(xì)胞活性，但是氧氣溶解度有一定限度，對(duì)于如何增加基質(zhì)中氧氣溶解量，大量的研究正在進(jìn)行。目前生物人工肝中對(duì)肝細(xì)胞供氧可以采用全血灌注和血漿灌注。應(yīng)用全血灌注可以使血液不直接與肝細(xì)胞接觸，但白細(xì)胞仍然有可能透過滲透膜而引起免疫反應(yīng)。為防止免疫反應(yīng)，可以采用血漿灌注，血漿直接與肝細(xì)胞接觸，但是血漿中沒有紅細(xì)胞，對(duì)肝細(xì)胞充足供氧又會(huì)產(chǎn)生影響［4］。

因此氧氣的充足供應(yīng)是限制生物人工肝充分發(fā)揮功能的最主要因素之一。而解決這一問題，除增大生物反應(yīng)器入口氧分壓外，還可以減小氧氣與肝細(xì)胞間傳輸距離［5］，這可以通過優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，改進(jìn)基質(zhì)特性或者引入氧氣載體來實(shí)現(xiàn)。

1.1 生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

人工肝生物反應(yīng)器基本形狀有平板狀、灌注式、包埋/懸浮式、中空纖維狀以及基于微流體系統(tǒng)的PDMS微流體芯片狀。其中灌注式和中空纖維狀結(jié)構(gòu)反應(yīng)器已較廣泛地進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，并且改進(jìn)其基本結(jié)構(gòu)以改善供氧及物質(zhì)傳輸性能［6］。以下兩種結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器分別是基于灌注式和中空纖維結(jié)構(gòu)改進(jìn)而成。

荷蘭醫(yī)學(xué)中心研制的AMC-BAL（Academic Medical Center BAL）具有肝細(xì)胞原位氧合功能，并且肝細(xì)胞與血漿直接接觸以增強(qiáng)二者之間的雙向物質(zhì)傳輸。這一反應(yīng)器為圓筒狀，由聚碳酸酯制成，其中有兩片無紡布聚酯基片螺旋環(huán)繞中心內(nèi)核，環(huán)繞而形成的空間中灌注有細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)，其中占肝細(xì)胞總數(shù)的50％的細(xì)胞附著在基片表面。在基片環(huán)繞空間中，增加了與反應(yīng)器平行分布的疏水供氧毛細(xì)軟管作為內(nèi)部氧合器為細(xì)胞供氧，會(huì)有另外50％的肝細(xì)胞附著其上。含95％空氣，5％二氧化碳的混合氣體通過毛細(xì)軟管通入反應(yīng)器。通過增加毛細(xì)軟管的數(shù)量，增加外部氧合器中氧分壓，減小聚酯基片厚度以及采用更合理的細(xì)胞分布均可有效增加細(xì)胞供氧［7-8］。

另外模仿肝臟結(jié)構(gòu)的氧合中空纖維的生物反應(yīng)器（OXY-HFB）也可以滿足肝細(xì)胞持續(xù)供氧問題。由于三維分布的細(xì)胞比單層細(xì)胞更有益于細(xì)胞分化，所以可以使細(xì)胞分布在氧合纖維的表面或者內(nèi)腔。但是又因?yàn)榧?xì)胞種植在內(nèi)腔時(shí)，凝膠床中物質(zhì)傳輸只是通過擴(kuò)散達(dá)成，擴(kuò)散引起的濃度梯度會(huì)造成物質(zhì)傳輸?shù)恼系K。所以將細(xì)胞種植在氧合纖維表面，供氧以及溫度控制設(shè)備放置在纖維內(nèi)腔，同時(shí)基質(zhì)充滿纖維外空間。這一結(jié)構(gòu)可以養(yǎng)殖2.5×107cells/mL的高密度的細(xì)胞，具有高的物質(zhì)傳輸系數(shù)，氧合纖維不會(huì)造成氧氣傳輸障礙［9］，并且毛細(xì)管占用空間小。它的缺點(diǎn)在于氧合纖維是多孔的，則膜表面的沉積物易使膜的性狀由疏水變?yōu)橛H水。因此經(jīng)過2～3周的培養(yǎng)，氧合纖維開始漏氣。為了防止纖維泄露，可以將微孔纖維轉(zhuǎn)變?yōu)槊苤虏牧希?0］，但是這又有可能影響氧氣的傳輸。

上述兩種結(jié)構(gòu)雖然較為有效解決了肝細(xì)胞供氧問題，但是與包埋/懸浮式生物反應(yīng)器相比［11］，后者更有利于細(xì)胞功能的發(fā)揮［12］。解決細(xì)胞懸浮等非氧合軟管供氧的生物反應(yīng)器供氧問題，可以采取改進(jìn)基質(zhì)特性和引入氧氣載體兩種方法。

1.2 反應(yīng)器中基質(zhì)特性的改進(jìn)

為促進(jìn)氧氣傳輸，除了對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，還可以優(yōu)化傳輸介質(zhì)。McClelland等在I型膠原蛋白膠（collagen type I gel）中加入多孔微球體，成為增強(qiáng)版的細(xì)胞外基質(zhì)—多孔膠原質(zhì)［13］。研究者通過分析平板式、中空纖維式和包埋式等3種人工肝生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)中，細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）分別為膠原質(zhì)和多孔膠原質(zhì)時(shí)的氧氣傳輸模型，結(jié)果表明，通過包含入這一增強(qiáng)技術(shù)，氧氣傳輸?shù)玫矫黠@改善。

膠原質(zhì)ECM氧氣傳輸以擴(kuò)散為主，通過這一增強(qiáng)技術(shù)改善形成的多孔膠原質(zhì)ECM中氧氣的擴(kuò)散與對(duì)流并存。雖然彎曲的通道增長(zhǎng)了多孔ECM中氧氣傳輸通道，但是降低了氧氣傳輸阻力，因此氧氣可以更有效率的進(jìn)入基質(zhì)［13-14］。

1.3 反應(yīng)器中氧氣載體的引入

若不改變基質(zhì)性狀，還可以通過在基質(zhì)中引入“血液替代品”—氧氣載體來優(yōu)化傳輸介質(zhì)。雖然氧氣載體最初被人們稱為“血液替代品”，但是由于它只是具有增加供氧的功能，因此叫做氧氣載體更為恰當(dāng)［15］。Moolman等提出用全氟辛基溴（PFOB）的乳化劑作為氧氣載體為肝細(xì)胞生長(zhǎng)供給足夠的氧氣［4］。PFOB是全氟化碳（PFC）聚合物中的一種，由于PFOB中氧氣和二氧化碳的較高的溶解度而被用于充當(dāng)氧氣傳輸?shù)妮d體。

基于PFC的氧氣載體由包含一個(gè)或多個(gè)PFC分子的乳狀滴構(gòu)成，相比水或者血漿表現(xiàn)出了對(duì)氣體較高的溶解性。PFC中，氧氣與二氧化碳的溶解度分別是水中溶解度的20倍和2倍。但是PFC憎水而且疏油，所以要乳化后用于水油環(huán)境。PFC作為“血液替代品”，在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)得到應(yīng)用［4］。

人工肝生物反應(yīng)器中的肝細(xì)胞雖然不會(huì)再分化，但是其在冷藏狀態(tài)、正常生長(zhǎng)階段和衰老死亡階段的耗氧率不同。若要準(zhǔn)確控制溶解氧濃度，需要對(duì)細(xì)胞實(shí)時(shí)耗氧率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這就要依靠氧氣傳感器對(duì)溶解氧濃度的精確測(cè)量。

2 溶解氧的檢測(cè)-氧傳感器的選擇

為保證反應(yīng)器中培養(yǎng)環(huán)境適合細(xì)胞生長(zhǎng)，需要溶解氧傳感器與控制系統(tǒng)相連，通過改變溫度、細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)流速、曝氣量以及壓力來實(shí)時(shí)控制溶解氧濃度，并且通過測(cè)量細(xì)胞的實(shí)時(shí)耗氧率和總耗氧率，可以滿足檢測(cè)細(xì)胞生存活性的要求。為滿足上述需求，即使測(cè)量環(huán)境變化，傳感器依然要滿足的條件有：傳感器電極表面不能形成生物結(jié)垢，在不對(duì)細(xì)胞造成損傷和不干擾細(xì)胞生存環(huán)境的基礎(chǔ)上，快速檢測(cè)溶解氧濃度，并且校正后不易發(fā)生漂移。此外，在人工肝生物反應(yīng)器的應(yīng)用中，傳感器尺寸也尤為重要［16］。在人工肝反應(yīng)器中最常用的溶解氧傳感器有電化學(xué)溶解氧傳感器以及光學(xué)溶解氧傳感器。

2.1 電化學(xué)溶解氧傳感器

Clark溶解氧電極是電化學(xué)溶解氧電極中的典型代表，它測(cè)量溶氧濃度是基于電池反應(yīng)。電極將液體中的溶解氧在電解液中還原，產(chǎn)生與氧濃度成正比的擴(kuò)散電流，通過測(cè)量擴(kuò)散電流值來測(cè)定溶解氧濃度，該法可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)量。

當(dāng)電解液為KCl溶液時(shí)，電極兩端發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如式（1）和式（2）所示。

在陰極發(fā)生的還原反應(yīng)為

在陽極發(fā)生的氧化反應(yīng)為

2.2 光學(xué)氧傳感器

光纖氧傳感器是根據(jù)熒光淬滅原理研制的。當(dāng)LED光源照亮釕化合物時(shí)，熒光物質(zhì)分子中的原子吸收能量躍遷入激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)原子要回到穩(wěn)定的基態(tài)，將吸收的能量釋放出來從而發(fā)出熒光。氧分子與熒光物質(zhì)碰撞對(duì)熒光產(chǎn)生淬滅作用從而引起熒光強(qiáng)度降低，壽命減短。這種帶有低能量的光被傳感器接收后與參考光源進(jìn)行比較，通過檢測(cè)光相位的延遲或者強(qiáng)度的降低［17］，并據(jù)Stern-Volmer方程，可得氧分壓。由于氧分壓與溶解氧濃度成正比，可換算為溶解氧濃度。對(duì)兩種傳感器進(jìn)行了比較如表1所示。

表1 電化學(xué)氧傳感器與光學(xué)氧傳感器的比較Tab.1 The comparation between electrochemical sensor and optical sensor

經(jīng)典的電化學(xué)傳感器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高，但需要經(jīng)常更換電解液和電極膜，并且易受流速影響而不適合人工肝反應(yīng)器中溶解氧的測(cè)量。光纖氧傳感器不含電解液和電極膜，因此不存在電解液泄露問題，并且測(cè)量過程不受流速影響，可以非接觸測(cè)量，滿足人工肝反應(yīng)器測(cè)量要求。目前市場(chǎng)上已產(chǎn)品化的光纖傳感器有Ocean Optics，Hamilton和PreSens型傳感器，因其體積小，可以非接觸測(cè)量，并且較高的靈敏度可以應(yīng)用于人工肝生物反應(yīng)器中的溶解氧測(cè)量。

測(cè)量液體中溶氧還有其他方法，但均因不同的缺陷而不能用于人工肝反應(yīng)器中溶解氧檢測(cè)，比如Winklers滴定法是侵入式，并且需要取樣離線測(cè)量不易形成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，色析法不僅耗價(jià)高、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，而且離線測(cè)量無法實(shí)時(shí)控制。

3 溶解氧的控制方法

自動(dòng)控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于生物反應(yīng)過程以維持溶解氧、pH和溫度在最優(yōu)值。為建立系統(tǒng)功能全面的人工肝支持系統(tǒng)，除了為細(xì)胞長(zhǎng)期培養(yǎng)保障可調(diào)節(jié)的環(huán)境，還需要建立高度靈敏的控制系統(tǒng)［19］。其中溶解氧是影響生物過程特性的關(guān)鍵參數(shù)，因此通常被控制在一個(gè)常數(shù)或者遵循特定曲線，使過程需求達(dá)到最優(yōu)。

3.1 用于生物反應(yīng)器溶解氧控制的普遍方法

經(jīng)典控制中，PID調(diào)節(jié)器是一種滯后-超前校正裝置，同時(shí)具有PI和PD兩種調(diào)節(jié)器的作用，前者可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，后者用于改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，兩者相輔相成，對(duì)線性時(shí)不變系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能。

但是人工肝生物反應(yīng)器系統(tǒng)是一個(gè)大滯后、非線性、時(shí)變的復(fù)雜控制對(duì)象，難以建立精確地?cái)?shù)學(xué)模型，僅僅采用傳統(tǒng)PID控制很難取得良好的控制品質(zhì)［20］。

模糊控制由于依賴于人和專家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，無需建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此對(duì)時(shí)滯、非線性和時(shí)變的系統(tǒng)有良好的控制能力。但又因?yàn)槟：刂撇痪哂蟹e分環(huán)節(jié)，在變量分級(jí)不夠多的情況下，在平衡點(diǎn)附近常出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象和穩(wěn)態(tài)殘差。

因此諸多研究將模糊控制與PID調(diào)節(jié)器結(jié)合起來，形成模糊PID控制以及模糊自適應(yīng)PID控制。前者為當(dāng)溶解氧設(shè)定值與測(cè)量值相差較大時(shí)，采用模糊控制加快響應(yīng)速度，偏差較小時(shí)采用PID控制，提高控制精度［21］?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示。后者以設(shè)定值與輸出值間的偏差E和偏差變化EC作為輸入，根據(jù)系統(tǒng)偏差的大小、方向及變化趨勢(shì)等特征，找出PID中3個(gè)參數(shù)與E和EC之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)E與EC，根據(jù)模糊控制規(guī)則表對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同E與EC對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性，從而獲得更加滿意的控制效果［22］。模糊自適應(yīng)PID控制器原理框圖如圖2所示。這一控制方法曾被用于人工肝生物反應(yīng)器溫度控制中，對(duì)溶解氧控制有一定指導(dǎo)作用［23］。

圖1 模糊PID控制框圖Fig.1 The block diagram of FUZZY-PID control

圖2 模糊自適應(yīng)PID控制框圖Fig.2 The block diagram of FUZZY-ADAPTIVEPID control

僅僅采用模糊PID控制仍然不能解決大時(shí)滯的影響，為解決這一問題，提出了模糊Smith-PID控制［24］。Smith預(yù)估控制解決大時(shí)滯的原因在于預(yù)先估計(jì)出過程的動(dòng)態(tài)特性，然后用預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，使滯后的被控量超前反映到模糊控制器中，使模糊控制器提前動(dòng)作，從而減少超前量，加速調(diào)節(jié)過程。PID控制器仍然用于消除穩(wěn)態(tài)殘差。控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 Smith-PID控制框圖Fig.3 The block diagram of Smith-PID control

另外有研究提出無量綱參數(shù)控制法［25］。細(xì)胞培養(yǎng)基反應(yīng)器的控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程不僅與控制常數(shù)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，而且還與細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)有關(guān)。隨著細(xì)胞生長(zhǎng)的不同階段，細(xì)胞生長(zhǎng)速率不同，調(diào)節(jié)控制常數(shù)是必要的。因此文中提出了兩個(gè)無量綱常數(shù)Φ和Ω（二者通過雷諾數(shù)Re相關(guān)聯(lián)），它們將PID反饋算法中的控制常數(shù)與系統(tǒng)運(yùn)行條件（氣體流速、攪拌率、培養(yǎng)基的粘度和密度）、反應(yīng)器參數(shù)（反應(yīng)器直徑）和細(xì)胞生長(zhǎng)的過程特點(diǎn)（生長(zhǎng)速率）聯(lián)系起來。控制結(jié)果顯示，兩個(gè)無量綱參數(shù)可以在不擾亂反應(yīng)過程的基礎(chǔ)上構(gòu)建適應(yīng)性的PID控制策略。

3.2 適用于人工肝生物反應(yīng)器中溶解氧的控制方法

上述無量綱參數(shù)控制法與模糊PID控制思想相似，均是實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制參數(shù)以適應(yīng)生物反應(yīng)器時(shí)滯、時(shí)變特性。雖然生物人工肝反應(yīng)器中肝細(xì)胞不再分化，不會(huì)存在不同生長(zhǎng)速率的問題，但是我們可以將這一算法簡(jiǎn)化后用于人工肝支持系統(tǒng)中。

針對(duì)人工肝分體雙循環(huán)式生物反應(yīng)器的溶解氧控制，劉劍鋒等提出了應(yīng)用溶解氧和pH關(guān)聯(lián)補(bǔ)償?shù)母鳉怏w協(xié)同控制的先進(jìn)過程控制—APC控制方法［26-27］。這一方法引入關(guān)聯(lián)控制從而避免了氣體造成的相互影響。并且針對(duì)系統(tǒng)高滯后、大慣性的特點(diǎn)引入經(jīng)驗(yàn)值調(diào)控與在線反饋相結(jié)合的預(yù)測(cè)控制，結(jié)合PID調(diào)節(jié)使得控制性能得到了顯著提升，提高了控制精度。另外他還針對(duì)圓柱狀生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種基于仿人決策控制（HSIC）技術(shù)的參數(shù)自整定模糊控制系統(tǒng)［28-29］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種自適應(yīng)模糊控制器具有動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)定度高、魯棒性較強(qiáng)以及對(duì)參數(shù)時(shí)變的適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該控制器的自整定模糊規(guī)則表物理意義明確，實(shí)時(shí)計(jì)算工作量小，大大提高了溶解氧濃度控制水平。

不過這兩種控制方法皆是針對(duì)某一氧氣傳輸模型已知，且具有特定結(jié)構(gòu)的生物反應(yīng)器，對(duì)任意結(jié)構(gòu)生物反應(yīng)器的溶解氧控制不具有自適應(yīng)性。所以需要引入無需大量先驗(yàn)知識(shí)的自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法［30-31］。根據(jù)Constantino Diaz等提出的基于攪拌率的溶解氧控制算法，可以構(gòu)建基于進(jìn)氣量控制的溶解氧控制。建立模型時(shí)首先在有限的時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)溶解氧濃度變化特性，這一動(dòng)態(tài)過程可以用增量的一階模型表示。模型中還要包括溶解氧濃度對(duì)進(jìn)氣量的預(yù)估環(huán)節(jié)，最后通過廣義的預(yù)測(cè)算法由溶解氧的預(yù)測(cè)值和設(shè)定值計(jì)算出進(jìn)氣量。這一算法控制框圖如圖4所示。

4 結(jié)語

本研究從生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、培養(yǎng)基質(zhì)的改進(jìn)和氧載體的引入等三方面介紹了增加生物反應(yīng)器中培養(yǎng)基質(zhì)中溶氧的方法。AMC-BAL和OXYHFB這兩種中空纖維供氧結(jié)構(gòu)的生物反應(yīng)器提供了一種三維細(xì)胞固定培養(yǎng)方式，其中的氧合毛細(xì)管供氧的方式有利于為體外生長(zhǎng)的肝細(xì)胞提供適宜的微環(huán)境。但是細(xì)胞固定培養(yǎng)環(huán)境與細(xì)胞懸浮生長(zhǎng)環(huán)境相比，仍然對(duì)肝細(xì)胞功能的發(fā)揮有抑制作用。所以當(dāng)采用包埋/懸浮式生物反應(yīng)器時(shí)，為了徹底改善細(xì)胞懸浮生長(zhǎng)時(shí)生物反應(yīng)器中肝細(xì)胞供氧問題，又提出了改進(jìn)培養(yǎng)基質(zhì)和引入氧氣載體兩種方法。其中在不改變?nèi)斯じ紊锓磻?yīng)器中的細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)特性的基礎(chǔ)上，為提高溶解氧濃度可以引入氧氣載體。而且鑒于氧氣載體中氧氣、二氧化碳等非極性分子的較高的溶解度以及載體的無毒性，氧氣載體應(yīng)用于人工肝生物反應(yīng)器中肝細(xì)胞的供氧將得到良好的效果，但是氧氣載體引入后，載體的體積分?jǐn)?shù)大小、氧合時(shí)基質(zhì)流速快慢，以及氧合氧分壓的高低等參數(shù)對(duì)肝細(xì)胞供氧的具體影響仍然有待于研究。

圖4 自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制框圖Fig.4 The block diagram of adaptive predictive control

為保證生物反應(yīng)器中溶解氧濃度的精確控制，首先要解決溶解氧濃度實(shí)時(shí)測(cè)量的問題，文中對(duì)滿足實(shí)時(shí)測(cè)量要求的電化學(xué)和光學(xué)溶解氧傳感器進(jìn)行了比較，其中光學(xué)溶解氧傳感器由于小型化、精確度高、測(cè)量過程不受流速影響以及可以非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，適合于生物人工肝中溶解氧測(cè)量。之后文章中介紹了幾種可用于人工肝生物反應(yīng)器溶解氧控制的方法，它們針對(duì)特定反應(yīng)器結(jié)構(gòu)達(dá)到了較高的控制精度。當(dāng)細(xì)胞供氧不足時(shí)，往往需要尋求幾個(gè)變量，比如攪拌率、基質(zhì)流速和進(jìn)氣量等共同控制溶解氧濃度，其中攪拌率或基質(zhì)流速的改變產(chǎn)生的剪切力易對(duì)細(xì)胞造成傷害。但當(dāng)引入氧氣載體解決了細(xì)胞充足供氧問題，在此基礎(chǔ)上，可以在基質(zhì)流速一定的條件下建立僅以進(jìn)氣量為控制變量的控制方程。不過氧氣載體量的多少對(duì)進(jìn)氣量調(diào)控的影響需要深入探討。文中最后提出了基于進(jìn)氣量的廣義自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制算法，這種算法免去了模糊控制對(duì)大量專家經(jīng)驗(yàn)的需求，適用于時(shí)變、大滯后、非線性系統(tǒng)的控制，會(huì)使溶解氧的控制特性更加優(yōu)良。相信隨著這一領(lǐng)域研究的不斷深入，人工肝生物反應(yīng)器的性能必然會(huì)得到進(jìn)一步改進(jìn)與優(yōu)化，取得突破性的進(jìn)展。

［1］Chamuleau RAFM.Future of bio-artificial liver support［J］.World J Gastrointest Surg，2009，1（1）：21-25.

［2］劉劍峰，李明，楊巍，等.一種新型生物人工肝支持系統(tǒng)［J］.透析與人工器官，2007，18（1）：9-13.

［3］李睿瑜，李明，劉劍峰，等.生物人工肝體外支持系統(tǒng)供氧問題的研究［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2007，（6）49-52.

［4］Moolman FS.Oxygen carrier for a novel bio-artificial liver support［D］.South Africa：University of Pretoria，2003.

［5］Nieuwoudt M.Bio-artificial liver support system：an evaluation of models used in demonstrating or improving metabolic and clinical efficacy［D］.South Africa：University of Pretoria，2010.

［6］Wang Y，Susando T，Lei Xia，et al.Current development of bioreactors for extracorporeal bioartificial liver［ J］.Biointerphases，2010，5（3）：FA116-FA131.

［7］Mareels G，Poyck PPC，Eloot S，et al.Three-dimensional numerical modeling and computational fluid dynamics simulations to analyze and improve oxygen availability in the AMC bioartificial liver［J］.Annals of Biomedical Engineering，2006，34（11）：1729-1744.

［8］Poyck PPC，Mareels G，Hoekstra R，et al.Enhanced oxygen availability improves liver-specific functions of the AMC bioartificial liver［J］.Artificial Organs，2007，32（2）：116-126.

［9］Patzer JF.Oxygen consumption in a hollow fiber bioartificial liver-revisited［J］.Artificial Organs，2004，28（1）：83-98.

［10］Jasmund I，Langsch A，Simmoteit R，et al.Cultivation of primary porcine hepatocytes in an OXY-HFB for use as a bioartificial liver device［J］.Biotechnol Prog，2002，18（4）：839-846.

［11］陳耀凱，王宇明，韓本立.人工肝生物反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀［J］.中華實(shí)驗(yàn)外科雜志，2001，18（6）：601-602.

［12］孔德勝，胡龍虎.微重力旋轉(zhuǎn)細(xì)胞培養(yǎng)的研究及應(yīng)用進(jìn)展［J］.航空航天醫(yī)藥，2009，20（11）：1-3.

［13］McClelland RE，MacDonald JM，Coger RN.Modeling O2 transport within engineered hepatic devices［J］.Biotechnology and Bioengineering，2003，82（1）：12-27.

［14］Mcclelland RE，Coger RN.Effect of enhanced O2 transport on hepatocytes packed within a bioartificial liver device［J］.Tissue Engineering，2004，10（1-2）：253-266.

［15］Moolman FS，Rolfes H，Van der Merwe SW，et al.Optimization of perfluorocarbon emulsion properties for enhancing oxygen mass transfer in a bio-artificial liver support system［J］.Biochemical Engineering Journal，2004，19（3）：237-250.

［16］Lindblom T.Qualitative comparison of optical and electrochemical sensors for measuring dissolved oxygen in bioreactors［D］.LINK?PING：LINK?PING University，2009.

［17］趙士威，哀薇，劉曉東.基于相敏檢測(cè)技術(shù)的光纖氧傳感器［J］.傳感器技術(shù)，2002，21（12）：11-12.

［18］Ge Xudong，Hanson M，Shen Hong，et al.Validation of an opticalsensor-based high-throughput bioreactor system for mammalian cell culture［J］.Journal of Biotechnology，2006，122（3）：293-306.

［19］Nagamori S，Hasumura S，Matsuura T，et al.Developments in bioartificial liver research：concepts，performance，and applications［J］.Journal of Gastroenterology，2000，35：493-503.

［20］何世鈞，王化祥，楊立功，等.污水處理系統(tǒng)溶解氧的模糊自適應(yīng) PID控制［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2003，30（1）：36-38.

［21］狄軼娟，陳照章，朱湘臨，等.基于模糊PID控制的生物發(fā)酵溫度過程控制系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化儀表，2006，27（8）：43-47.

［22］王健，張興申.污水處理系統(tǒng)溶解氧的模糊自適應(yīng)PID控制［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2010，（1）：39-41.

［23］周曉峰，李明，劉劍鋒，等.一種新型生物人工肝溫度控制系統(tǒng)的研制［J］.Modern Science Instruments，2007，（6）：38-41.

［24］Lian Xiaofeng，Liu Zaiwen，Su Zhen，et al.Research in DO control based on fuzzy Smith-PID controller for sewage disposal［C］//Proceedings of 2010 International Conference on Logistics Systems and Intelligent Management..Harbin：IEEE，2010：554-557.

［25］LeónAD，Rosa APBL，MayaniH，etal.Twouseful dimensionless parameters that combine physiological，operational and bioreactor design parameters for improved control of dissolved oxygen［J］.Biotechnology Letters，2001，23（13）：1051-1056.

［26］劉劍峰，李明，楊巍，等.APC技術(shù)在生物型人工肝支持系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2005，13（10）：1048-1051.

［27］劉劍峰，李明，楊巍，等.新型生物人工肝支持系統(tǒng)的控制與實(shí)現(xiàn)［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2008，25（2）：445-449.

［28］劉劍鋒.多功能生物人工肝支持系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：中國科學(xué)院研究生院，2009.

［29］Liu Jianfeng，Song Tao，Jiang Wei，et al.Construction of modular novel bioartificial liver support system［C］//Proceedings of 31stAnnual International Conference of the IEEE EMBS.Minneapolis：IEEE，2009：3095-3098.

［30］Liu Jianfeng，Li Ming，Yang Wei，et al.Construction of devices in bioartificial liver support system［C］//Proceedings of 27thAnnual Conference on Engineering in Medicine and Biology.Shanghai：IEEE，2005：6699-6702.

［31］Diaz C，Dieu P，F(xiàn)euillerat C，et al.Adaptive predictive control of dissolved oxygen concentration in a laboratory-scale bioreactor［J］.Journal of Biotechnology，1995，43（1）：21-32.