[发明专利]用于高密度细胞生长和代谢物交换的基质

说明书

被优化用于生长细胞的聚合物或其他基质，其采用具有透气侧的微薄袋的形式。袋的侧面可以采用在其间延伸的许多微小的微柱或其他间隔件而彼此保持固定距离，这将袋保持在预定的厚度并防止袋塌陷以及防止侧面粘在一起。在其他实施方案中，侧面可以仅通过气体压力保持分开。袋外部上的生物相容性涂层控制袋材料的渗透性，并且为细胞生长提供生物安全区域。进入多个袋的管可以被连接至歧管，该歧管递送气态氧或移除二氧化碳和其他废气。多个袋可以采用在之间的o形环间隔件而被紧密地堆叠在一起，并且被容纳在容器内以形成高表面积、超紧凑的细胞生长系统。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年7月12日提交的美国临时申请第62/361,390号的权益，该临时申请据此为了所有目的以其整体并入。

关于在联邦政府资助的研究与开发下进行的发明的权利的声明

不适用

背景

1.技术领域

本发明的实施方案大体上涉及用于培养微生物和生长细胞的生物反应器设备以及制造和使用方法，所述生物反应器设备包括具有微制造特征(microfabricatedfeature)和涂层的透气的不可折叠和/或不可膨胀的袋。

2.相关技术的描述

大规模高密度细胞培养对许多生物技术应用是重要的，在这些应用中，细胞被用来产生特定的分子、蛋白质、病毒或其他产品。增加细胞密度允许每单位体积更大的产量，这可以通过空间节省和更浓缩的产品来降低成本。

高密度细胞生长的挑战起因于质量传输限制，特别是关于氧气、营养物和废物的质量传输限制。在低密度细胞培养系统中，代谢物的被动扩散通常足以满足细胞的代谢需求；然而，在高密度细胞培养系统中，细胞的代谢需求超过了来自单独的扩散的供给，需要另外的质量传输机制，例如对流。

高密度细胞培养的另外的要求是高的表面积与体积比，特别是对于粘附细胞群体(adherent cell population)。这是因为许多细胞在单层中生长，并且在它们达到汇合(confluence)之后，它们的生长被抑制。

已经开发了提高细胞密度的几种技术，包括细胞工厂系统、带有微载体的波动/搅拌生物反应器和灌注透析膜系统。

细胞工厂系统与常规的烧瓶培养系统是最相似的，除了细胞工厂系统在单个烧瓶内容纳多层的生长基质(growth substrate)。由于层之间的大间距，可以实现的细胞密度不是很高，这导致低的表面与体积比并且依赖于所有代谢物的扩散传输。

波动和搅拌生物反应器系统通过在培养基的容器内轻轻地混合细胞微载体来增加对流以增强质量传输，所述细胞微载体是具有适合于细胞粘附和生长的表面化学的小的中性漂浮颗粒(neutrally buoyant particle)。与细胞工厂系统相比，由微载体提供的高表面积和对流混合的结合允许实现更高的细胞密度。然而，对流混合还在细胞上引起剪切力，这可以导致细胞死亡，从而限制了可以实现的混合的程度和向细胞的质量传输。由于需要通过混合来增强质量传输，这样的系统通常是剪切限制的而不是表面积限制的。

灌注透析膜系统通过经由紧密堆叠的半透性透析管灌注气体并允许扩散以将氧气递送至细胞来克服剪切问题。然而，透析管的几何形状阻止了实现非常高的表面积与体积比。此外，存在关于从细胞在其上生长的高度多孔的膜中的细胞移除的挑战。

总之，高密度细胞生长的一些挑战包括：1)实现高生长表面积与体积比；2)在系统内保持足够的代谢物传输；以及3)将细胞所经受的剪切力保持低于致死水平。虽然若干现有的技术已经试图克服这些挑战，但是对于该技术仍存在很大的改进空间。

简要概述