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在科研領(lǐng)域，眾多學(xué)者利用體外細(xì)胞培養(yǎng)模型,研究不同氧環(huán)境對(duì)細(xì)胞存活、增殖及分化的影響,包括多種干細(xì)胞的增殖和分化、癌細(xì)胞的侵襲和擴(kuò)增,以及滋養(yǎng)層細(xì)胞的發(fā)生等。在以上細(xì)胞培養(yǎng)模型中,培養(yǎng)基是細(xì)胞直接暴露和接觸的外環(huán)境,培養(yǎng)基中的氧濃度是細(xì)胞實(shí)際接觸到的氧環(huán)境。但是,在不同氧濃度培養(yǎng)條件下,細(xì)胞培養(yǎng)基中的實(shí)際氧濃度及其變化情況尚沒受到研究者的關(guān)注。

此外，使用添加ficoll的培養(yǎng)基減少細(xì)胞沉降，使其與細(xì)胞的平均密度相匹配。觀察結(jié)果表明白細(xì)胞可以在懸浮液體中主動(dòng)游動(dòng)。 圖2.淋巴細(xì)胞在自由懸液中游動(dòng) 驗(yàn)證了白細(xì)胞確實(shí)可以游動(dòng)之后，接下來作者開始探究細(xì)胞游動(dòng)的動(dòng)力來源。肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架作為推動(dòng)細(xì)胞爬行的分子引擎已被廣泛接受。

是否需要對(duì)特定細(xì)胞類型（如貼壁細(xì)胞、懸浮細(xì)胞）進(jìn)行監(jiān)測？ 2. 功能模塊選擇 細(xì)胞實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)通常包含多種功能模塊，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選擇合適的功能模塊至關(guān)重要： 細(xì)胞形態(tài)監(jiān)測模塊：適用于觀察細(xì)胞的形態(tài)變化，如增殖、分化、凋亡等。 生理參數(shù)監(jiān)測模塊：能夠?qū)崟r(shí)檢測細(xì)胞的pH值、氧氣濃度、二氧化碳濃度等。

有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，且具有制冷和加熱的雙向調(diào)溫系統(tǒng)是生物、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等科研部門的基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于恒溫培養(yǎng)、恒溫反應(yīng)等試驗(yàn)。 我們都知道，人體中的每個(gè)細(xì)胞都需要氧氣才能生存，并通過氧化磷酸化產(chǎn)生能量。氧氣對(duì)于細(xì)胞的生長和分化至關(guān)重要，但是細(xì)胞所接觸的氧氣水平對(duì)細(xì)胞功能至關(guān)重要。大多數(shù)細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室都設(shè)置為在20%氧氣和5%二氧化碳的培養(yǎng)箱環(huán)境中培養(yǎng)細(xì)胞。

在應(yīng)用上，腫瘤細(xì)胞研究中，需長期培養(yǎng)癌細(xì)胞以觀察藥物作用效果 —— 若培養(yǎng)箱CO?濃度波動(dòng)±0.5%，會(huì)導(dǎo)致癌細(xì)胞表面受體表達(dá)量差異達(dá)20%，同一藥物的抑制率結(jié)果偏差可能超過15%，直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)論不可信。干細(xì)胞研究、疫苗研發(fā)等領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境的要求更苛刻。

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，為了研究細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、合成代謝、生長增值等，細(xì)胞培養(yǎng)成了一個(gè)必不可少的過程。細(xì)胞培養(yǎng)是指在體外模擬體內(nèi)環(huán)境（無菌、適宜溫度、酸堿度和一定營養(yǎng)條件等），使之生存、生長、繁殖并維持主要結(jié)構(gòu)和功能的一種方法。

這是活性污泥培養(yǎng)的最初階段，微生物不增殖但在質(zhì)的方面卻開始出現(xiàn)變化，如個(gè)體增大，酶系統(tǒng)逐漸適應(yīng)新的環(huán)境。在本階段后期，酶系統(tǒng)對(duì)新的化境已經(jīng)基本適應(yīng)，個(gè)體發(fā)育到了一定的程度，細(xì)胞開始分裂，微生物開始增殖。 （2）對(duì)數(shù)增長期。有機(jī)底物非常豐富，F(xiàn)/M值很高，微生物以最快的速度攝取有機(jī)底物和自身增殖。活性污泥的增長與有機(jī)物底物的濃度無關(guān)，只與生物量有關(guān)。

培養(yǎng)箱，是指溫度可控的，主要用于培養(yǎng)微生物、植物和動(dòng)物細(xì)胞的箱體裝置，是生物、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等科研部門的基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備。廣泛應(yīng)用于恒溫培養(yǎng)、恒溫反應(yīng)等試驗(yàn)。培養(yǎng)箱的特點(diǎn)主要有：箱體采用聚氨酯等泡沫塑料作為隔熱材料，對(duì)外源冷、熱都有較好的隔絕能力;內(nèi)腔多采用不銹鋼制作，有較強(qiáng)的抗腐蝕能力；具有加熱、制冷以及自動(dòng)溫控裝置。能靈敏地調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度。

一、什么是培養(yǎng)箱？ 培養(yǎng)箱，是指溫度可控的、主要用于培養(yǎng)微生物、植物和動(dòng)物細(xì)胞的箱體裝置，有的具有制冷和加熱的雙向調(diào)溫系統(tǒng)，是生物、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等科研部門的基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于恒溫培養(yǎng)、恒溫反應(yīng)等試驗(yàn)。

圖2 EFL-GM-PR系列多孔GleMA水凝膠可控微觀孔道結(jié)構(gòu)的激光共聚焦照片 02 細(xì)胞培養(yǎng)EFL-GM-PR系列多孔水凝膠在細(xì)胞培養(yǎng)方面具有優(yōu)異的性能，通過與GelMA無孔水凝膠對(duì)比可以明顯看出多孔GelMA水凝膠的優(yōu)勢。兩種配方的多孔GelMA水凝膠其內(nèi)部細(xì)胞增殖速率均高于GelMA無孔水凝膠，在培養(yǎng)第7天時(shí)出現(xiàn)了數(shù)倍的細(xì)胞數(shù)量差。

培養(yǎng)箱是在優(yōu)化的受控條件下培養(yǎng)接種了微生物的培養(yǎng)基的設(shè)備,需要建立理想生長環(huán)境的一個(gè)關(guān)鍵因素是合適的氧含量環(huán)境。大氣中含有大約21%的氧氣，細(xì)胞的生理性含氧濃度通常為1%至13%。人們已發(fā)現(xiàn)氧氣濃度是影響干細(xì)胞生長和發(fā)育等的關(guān)鍵環(huán)境因素。例如干細(xì)胞研究，逐漸明白控制氧氣、CO?和溫度的價(jià)值所在。細(xì)胞以某種方式測量它們的氧氣水平，然后可以相應(yīng)地調(diào)整它們的需求。

促進(jìn)芯片上的3D細(xì)胞培養(yǎng) 在研究人體器官時(shí)，與生理學(xué)相關(guān)的3D細(xì)胞培養(yǎng)模型比單層細(xì)胞更受青睞。盡管在過去十年中已經(jīng)報(bào)道了許多使用不可逆鍵合芯片的3D微生理系統(tǒng)，但鑒于通過封閉的狹窄微通道操縱剪切敏感細(xì)胞的技術(shù)難度，在芯片上建立高級(jí)3D模型仍然具有挑戰(zhàn)性。

其優(yōu)點(diǎn)是提供了一種可重復(fù)的、可定制的技術(shù)，以復(fù)雜的、可預(yù)設(shè)的幾何形狀靈活控制生物墨水量和細(xì)胞空間位置。需要注意的是，打印完畢并非大功告成，被新鮮打印出的“牛肉”需浸潤在營養(yǎng)培養(yǎng)基中幾周時(shí)間，讓干細(xì)胞在受控的環(huán)境中增殖。正如肉牛需要發(fā)育和養(yǎng)殖一年左右的時(shí)間才能出欄一樣，被3D打印出來的肉也需要一段時(shí)間才能成熟，只不過這個(gè)過程在培養(yǎng)基中被大大縮短了。

在發(fā)酵階段，水解階段所產(chǎn)生的小分子化合物在發(fā)酵菌的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更為簡單的以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物，并分泌到細(xì)胞外，即酸化階段。在反應(yīng)器啟動(dòng)初期必須控制進(jìn)水的pH，主要采用投加氫氧化鈉的方法來控制進(jìn)水的pH，以使反應(yīng)可以維持在一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的環(huán)境中進(jìn)行。

由于缺少細(xì)胞代謝特征的研究，以及處理過程的不足，中國沒有以過程參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行自主開發(fā)的哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的生物反應(yīng)器。但是，在哺乳細(xì)胞培養(yǎng)的優(yōu)化和放大方面，一些國際公司有經(jīng)驗(yàn)方法，但是還沒有本土化。同時(shí)，為了滿足生物醫(yī)藥產(chǎn)品短開發(fā)周期，高生物安全性，低工業(yè)化成本的需求，國外開發(fā)了很多商業(yè)化的生物反應(yīng)器系統(tǒng)。

5.細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)室 細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)室用于細(xì)胞培養(yǎng)、觀察和分析。對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮操作的便利性和安全性。 細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備配置 顯微鏡：用于觀察細(xì)胞形態(tài)和結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮光源和防振措施。 培養(yǎng)箱：用于細(xì)胞培養(yǎng)，提供適宜的溫度和二氧化碳環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)應(yīng)考慮其穩(wěn)定供電。

用于生物結(jié)構(gòu)的增材制造技術(shù)的代表性進(jìn)展：（a）懸浮浴中基于擠壓的3D生物打印人類心臟模型；（b）具有血管化肺泡模型的光聚合水凝膠的高分辨率立體打印；（c）裝載細(xì)胞的水凝膠3D打印快速制造的組織結(jié)構(gòu)。 未來方向 1、技術(shù)挑戰(zhàn)。3D打印的活體結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性方面還不能完全匹配天然器官。

3.發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù)發(fā)酵過程優(yōu)化包括從微生物細(xì)胞層面到宏觀微生物生化反應(yīng)層面的優(yōu)化，使細(xì)胞的生理調(diào)節(jié)、細(xì)胞環(huán)境、反應(yīng)器特征、工藝操作條件與反應(yīng)器控制之間復(fù)雜的相互作用盡可能簡化，并對(duì)這些條件和相互關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，使之最適于特定發(fā)酵過程進(jìn)行的系統(tǒng)優(yōu)化方法。這種優(yōu)化主要涉及四個(gè)方面的研究內(nèi)容，第一是細(xì)胞生長過程的研究;第二是微生物反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量;第三是生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué);第四是生物反應(yīng)器工程。

微生物通過釋放胞外自由酶或連接在細(xì)胞外壁上的固定酶來完成生物催化反應(yīng)。酸化是一類典型的發(fā)酵過程，微生物的代謝產(chǎn)物主要是各種有機(jī)酸。水解和酸化是厭氧消化過程的兩個(gè)階段，但不同的工藝水解酸化的處理目的不同。

過程中，需要嚴(yán)格控制細(xì)胞系和生物反應(yīng)器條件，否則細(xì)胞系可能會(huì)死亡，而這將導(dǎo)致DSD團(tuán)隊(duì)重新開始生產(chǎn)。 以小尺度開發(fā)的預(yù)測性模型需要額外（通常成本高昂）的測試，才能校準(zhǔn)更大規(guī)模的生產(chǎn)，而構(gòu)建詳細(xì)的容器模型可能需要第三方專有數(shù)據(jù)。DSD團(tuán)隊(duì)還需要將其解決方案中的代碼，從用于細(xì)胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器建模的gPROMS軟件中導(dǎo)出。