本報(bào)告說明了使用 PreSens 傳感器技術(shù)測量不透明固體微型生物反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境條件的傳感器適配器的操作。通過這種方法，應(yīng)用程序仍然易于處理，并且可以根據(jù)需要快速應(yīng)用或更換不同類型的光學(xué)傳感器（O 2、pH 或 CO 2 ），而無需修改生物反應(yīng)器本身。

圖 1：帶有 PreSens 傳感器點(diǎn)（左）的傳感器適配器（剖視圖）。

萊比錫大學(xué)細(xì)胞技術(shù)和應(yīng)用干細(xì)胞生物學(xué)系開發(fā)了一種微型生物反應(yīng)器（直徑：69 毫米，高度：39 毫米），用于研究和提高體外透明軟骨移植物的生產(chǎn) [2]。為此目的，有必要控制和測量生物反應(yīng)器內(nèi)圍繞移植物的細(xì)胞培養(yǎng)基的選定參數(shù)。雖然，例如 pH 值的降低可以清楚地表明感染，但溶解氧的降低會(huì)顯示細(xì)胞活性的增加。除了與細(xì)胞活力的關(guān)系外，氧氣率可以是一個(gè)固定條件。與血液相比，血液中的氧分壓約為 20%，而人類膝關(guān)節(jié)軟骨中的氧分壓僅為 1-6% [1]。要使用不同的預(yù)定義氧張力進(jìn)行試驗(yàn)，需要監(jiān)控此參數(shù)。由于多種原因，生物反應(yīng)器由不透明的熱塑性塑料制成。為了使用化學(xué)光學(xué)傳感器并使用相應(yīng)的氧氣計(jì)從生物反應(yīng)器外部非侵入性地讀取傳感器響應(yīng)，需要一個(gè)光學(xué)透明窗口。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，開發(fā)了一種可以連接到生物反應(yīng)器的傳感器適配器（圖 1）。為了評(píng)估與氧傳感器適配器組合的生物反應(yīng)器，進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)測試展示了傳感器的動(dòng)態(tài)行為，當(dāng)將氧氣吸收劑添加到生物反應(yīng)器內(nèi)的流體中時(shí)。進(jìn)行第二個(gè)實(shí)驗(yàn)以模擬非常高的細(xì)胞活性，以驗(yàn)證生物反應(yīng)器增加流體氧張力的能力。為了使用化學(xué)光學(xué)傳感器并使用相應(yīng)的氧氣計(jì)從生物反應(yīng)器外部非侵入性地讀取傳感器響應(yīng)，需要一個(gè)光學(xué)透明窗口。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，開發(fā)了一種可以連接到生物反應(yīng)器的傳感器適配器（圖 1）。為了評(píng)估與氧傳感器適配器組合的生物反應(yīng)器，進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)測試展示了傳感器的動(dòng)態(tài)行為，當(dāng)將氧氣吸收劑添加到生物反應(yīng)器內(nèi)的流體中時(shí)。進(jìn)行第二個(gè)實(shí)驗(yàn)以模擬非常高的細(xì)胞活性，以驗(yàn)證生物反應(yīng)器增加流體氧張力的能力。為了使用化學(xué)光學(xué)傳感器并使用相應(yīng)的氧氣計(jì)從生物反應(yīng)器外部非侵入性地讀取傳感器響應(yīng)，需要一個(gè)光學(xué)透明窗口。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，開發(fā)了一種可以連接到生物反應(yīng)器的傳感器適配器（圖 1）。為了評(píng)估與氧傳感器適配器組合的生物反應(yīng)器，進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)測試展示了傳感器的動(dòng)態(tài)行為，當(dāng)將氧氣吸收劑添加到生物反應(yīng)器內(nèi)的流體中時(shí)。進(jìn)行第二個(gè)實(shí)驗(yàn)以模擬非常高的細(xì)胞活性，以驗(yàn)證生物反應(yīng)器增加流體氧張力的能力。需要透明窗口。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，開發(fā)了一種可以連接到生物反應(yīng)器的傳感器適配器（圖 1）。為了評(píng)估與氧傳感器適配器組合的生物反應(yīng)器，進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)測試展示了傳感器的動(dòng)態(tài)行為，當(dāng)將氧氣吸收劑添加到生物反應(yīng)器內(nèi)的流體中時(shí)。進(jìn)行第二個(gè)實(shí)驗(yàn)以模擬非常高的細(xì)胞活性，以驗(yàn)證生物反應(yīng)器增加流體氧張力的能力。需要透明窗口。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，開發(fā)了一種可以連接到生物反應(yīng)器的傳感器適配器（圖 1）。為了評(píng)估與氧傳感器適配器組合的生物反應(yīng)器，進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)測試展示了傳感器的動(dòng)態(tài)行為，當(dāng)將氧氣吸收劑添加到生物反應(yīng)器內(nèi)的流體中時(shí)。進(jìn)行第二個(gè)實(shí)驗(yàn)以模擬非常高的細(xì)胞活性，以驗(yàn)證生物反應(yīng)器增加流體氧張力的能力。當(dāng)將氧氣吸收劑添加到生物反應(yīng)器內(nèi)的流體中時(shí)。進(jìn)行第二個(gè)實(shí)驗(yàn)以模擬非常高的細(xì)胞活性，以驗(yàn)證生物反應(yīng)器增加流體氧張力的能力。當(dāng)將氧氣吸收劑添加到生物反應(yīng)器內(nèi)的流體中時(shí)。進(jìn)行第二個(gè)實(shí)驗(yàn)以模擬非常高的細(xì)胞活性，以驗(yàn)證生物反應(yīng)器增加流體氧張力的能力。

圖 2：具有用于應(yīng)用介質(zhì)灌注的入口和出口的軟骨生物反應(yīng)器（左）、氣體連接器（右）和用于 pH 和 O 2測量的兩個(gè)傳感器適配器（右下）。

材料與方法

為了模擬不同的條件，生物反應(yīng)器（圖 2）被設(shè)計(jì)為對移植物施加機(jī)械力，更新培養(yǎng)基 - 它還施加剪切力 - 并控制內(nèi)部的氧氣水平。移植物的壓縮 - 以刺激細(xì)胞活動(dòng) - 是由帶有圓盤狀板的應(yīng)變致動(dòng)器完成的，該板連接在蓋子的透明和柔性硅膜上。從上方，外部驅(qū)動(dòng)器通過磁力與執(zhí)行器對接并操縱其垂直位置。機(jī)械刺激的一個(gè)積極副作用是培養(yǎng)基的漩渦。因此，可以假設(shè)培養(yǎng)基內(nèi)溶解氣體和營養(yǎng)物質(zhì)的分布很均衡。生物反應(yīng)器側(cè)面低的一對入口和出口用于介質(zhì)交換，而上面的一對用于引入氣體，擴(kuò)散到介質(zhì)中。與生物反應(yīng)器的大多數(shù)部分一樣，傳感器適配器由生物相容性熱塑性塑料 TECAPEEK 制成TM。配備 M8 螺紋，它與移植物橫向連接到生物反應(yīng)器水平。一塊玻璃板（BOROFLOAT TM；直徑：5 毫米，高度：1.75 毫米）用硅膠粘貼到適配器的前邊緣。使用過的氧傳感器點(diǎn)（SP-PSt3-YAU-D5-YOP 型，PreSens GmbH）用 SG1 硅膠固定在玻璃板上。聚合物光纖 (POF) 可將激發(fā)光傳輸?shù)絺鞲衅鳎瑐鞲衅鲗ρ跤?jì)的響應(yīng)（Fibox 3，PreSens GmbH）可以從玻璃板的另一側(cè)插入適配器，以進(jìn)行非侵入式測量。蓋螺釘將 POF 非常緊密地固定在玻璃板上。

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均使用 17 mL 由鹽、維生素、氨基酸和葡萄糖組成的普通培養(yǎng)基 (DMEM) 進(jìn)行。這些測試的生物反應(yīng)器中沒有應(yīng)用階段和移植物。為了將 DMEM 與另一種流體軟化水進(jìn)行比較。對于氧化實(shí)驗(yàn)，引入的氣體含有 O 2 (20 %)、CO 2 (5 %) 和 N 2 (75 %)，通過添加2 g 亞硫酸鈉 (Na 2 SO 3 ): 2 Na 2 SO 3 + O 2 -> 2 Na 2 SO 4

圖 3：添加 Na 2 SO 3對微型生物反應(yīng)器內(nèi)的軟化水和 DMEM 的氧含量的影響。

圖 4：通過在微型生物反應(yīng)器中引入氣體混合物對 Na 2 SO 3飽和 DMEM 進(jìn)行氧化。

微型生物反應(yīng)器中的測量

圖 3 顯示了在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，如果添加相同量的 Na 2 SO 3 ，水和 DMEM 的氧減少差異。5 分鐘后，啟動(dòng)封閉式生物反應(yīng)器的應(yīng)變致動(dòng)器以加速化學(xué)反應(yīng)。假設(shè)氧氣指數(shù)下降，水（3 分鐘）和 DMEM（100 分鐘）的時(shí)間常數(shù)相差超過 30 倍。原因可能是 Na 2 SO 3在 DMEM 中的溶解度要慢得多，因?yàn)闆]有變化直到渦流由應(yīng)變致動(dòng)器引起時(shí)才能被檢測到。圖 4 顯示了 Na 2 SO 3飽和 DMEM 與 20 % O 2的循環(huán)氧化3 分鐘，每 30 分鐘以 200 mL/min 進(jìn)行。Na 2 SO 3的溶解仍在進(jìn)行中，因此O 2水平趨于降低。但也有明確的跡象表明氧合的快速影響。總結(jié)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)傳感器適配器不會(huì)根據(jù)生物反應(yīng)器的處理和性能造成限制。PreSens 氧傳感器在此設(shè)置中經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，功能齊全，具有足夠的動(dòng)態(tài)行為。首先，傳感器信號(hào)的幅度在 30.000 和 70.000 之間確保穩(wěn)定和精確的測量，其次，適配器作為封閉和無菌系統(tǒng)離開生物反應(yīng)器。

參考文獻(xiàn)：

[1] Gibson JS、Milner PI、White R.、Fairfax TPA、Wilkins RJ：關(guān)節(jié)軟骨中的氧氣和活性氧：離子穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)劑。Pflüger Archiv - 歐洲生理學(xué)雜志 455 (2007), Nr. 4, 563 - 573

[2] Schulz RM, Wüstneck N., van Donkelaar CC, Shelton JC, Bader A.：開發(fā)和驗(yàn)證一種新型生物反應(yīng)器系統(tǒng)，用于軟骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)的負(fù)載和灌注控制組織工程。生物技術(shù)和生物工程 101 (2008), Nr。4, 714 - 728