[发明专利]一种纳米气泡干细胞规模化培养生物反应器系统

说明书

本发明属于生物细胞培养技术领域，具体为一种纳米气泡干细胞规模化培养生物反应器系统。本发明系统包括纳米气泡发生器、供气系统、全封闭反应器罐体、排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统、自动化软件控制系统。其中，全封闭反应器罐体作为干细胞规模化培养的反应装置放置干细胞培养液；纳米气泡发生器产生纳米级别大小的气泡，提供给全封闭反应器罐体内的干细胞培养液；自动化软件控制系统用于控制供气系统、排气系统、PH调节系统、补料系统、温度控制系统、消泡系统。本发明利用纳米制造技术实现充分供氧，结构简单、方便实用，可广泛应用于干细胞大规模化培养。

技术领域

本发明属于生物细胞培养技术领域，具体涉及一种纳米气泡干细胞规模化培养生物反应器系统。

背景技术

细胞是生命的基本单位，犹如分子是物质的基本单位一样，细胞的功能决定了器官以及组织的功能，器官组织再构成了生命体。例如心肌细胞构成了心脏，成为人体不可或缺的器官。心脏的细胞本身不具备自我更新的能力，因此在面对心衰等机理性心肌细胞死亡的疾病时，心肌细胞死亡后便不再自我更新，带来器官的细胞数量不足，导致心脏功能衰竭。而干细胞是一类具有自我更新能力以及分化成为多种其它功能性细胞，例如心肌细胞、神经细胞等功能性细胞能力的“原始细胞”。新的心脏疾病治疗理念就是注射混合干细胞来源的心肌细胞，这种混合细胞具有自我更新的能力，因此具有修复功能。这些有效的细胞疗法，特别是在临床开发应用中，都需要大量的这类细胞，因此这些细胞规模化制造成为迫在眉睫的问题。

干细胞生物反应器是干细胞体外培养的关键设备，为干细胞提供了一个适宜的生长环境，使之快速增殖并形成所需的生物组织制品。但是由于干细胞在其形态结构、培养方法以及所需的力学环境等方面均不同于微生物细胞，因而传统的微生物反应器显然已不适用于干细胞大规模培养。

根据研究表明干细胞具有无细胞壁、对剪切极端敏感等特点，同时对干细胞生长控制，还要注意防止细胞分化和细胞凋亡，这些特点要求干细胞生物反应器必须具有低剪切效应，混合性能好等特点。根据气液传质和流体力学等理论的指导，细胞与流体剪切力、细胞与气泡相互作用机理已逐步厘清，可通过机械搅拌和直接通气鼓泡来强化气液传质能力和流体混合条件。但是研究也发现如要使培养过程和生物反应器能支持10⁸cell/ml以上细胞高密度生长的能力，关键还在于同时能够有效消除流体剪切和气泡对细胞的损伤与破损作用。可是氧气在水中的溶解度较低，为维持在规模化大体积培养液中有恒定的溶解氧，通常还得采用连续不断地进行气液传质来供氧，且氧气泡直径越小，氧传质速率越大，供氧效果越好。传统的生物反应器通常采用膜过滤器产生气泡，但是产生的气泡都在微米级别以上，迄今还未有纳米气泡产生装置应用于生物反应器，这主要是由于实验条件的限制，科学家对纳米气泡的结构、形貌、物理特性等内在机制还处于研究阶段。但近年随着纳米制造技术的发展，研究已证明在气液界面经过疏水表面时，将空气卷入可以形成纳米气泡，甚至疏水修饰的硅片在水体中其表面自发就能形成稀疏的圆形气泡。另外关于氧气泡的研究成果表明：宏观级别氧气泡（直径毫米级别以上），氧气泡快速上浮液面破裂产生剪切力损伤细胞，并且氧气泡直径越小剪切力越大；但是微观级别氧气泡（直径微米级别及以下），特别是纳米级氧气泡，由于氧气泡的比表面积大，氧气泡中的氧气体在水中溶解速度快，氧气泡在水中缓慢上浮过程中变小最后完全溶解。因此如何强化供氧混合与防止细胞破损是达到干细胞规模化培养放大而迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对目前干细胞规模化培养生物反应器的供氧混合与防止细胞破损的相互统一难题，突破干细胞规模化培养产业化发展的瓶颈，结合前沿纳米制造技术，提出一种纳米气泡干细胞规模化培养的生物反应器系统。