水动力聚焦生物反应器(HFB)是一种生物反应器系统,设计用于三维细胞培养和组织工程研究的轨道航天器和地球上的实验室。HFB提供了一种独特的液体聚焦能力,能够在悬浮细胞、组织组件和气泡“聚集”的同时创造低剪切培养环境。在国际空间站生物技术设施的开发中,HFB已经成功地从锚定依赖细胞和悬浮杂交瘤细胞中培养出大的三维组织样组装物,达到高密度。

传统的生物反应器依靠搅拌悬浮细胞和附着材料,促进细胞和组织组装生长所需的传质。然而,搅拌产生的剪切力会影响细胞和细胞之间的相互作用,并降解三维组织的发展。约翰逊航天中心开发了旋转壁灌注系统(RWPS)生物反应器,它可以创造低剪切培养环境并支持三维组织发育。然而,它们控制血管内细胞和组织聚集位置的能力是有限的。此外,在容器内的培养基中形成的气泡不能被去除,尽管这种去除对于绕地球轨道运行至关重要。

HFB基于流体动力聚焦原理,提供了控制气泡运动的能力,并将其从生物反应器中去除,而不降解低剪切培养环境或悬浮的三维组织组件。在操作和取样期间,hfc还提供了无与伦比的控制细胞和组织在其生物反应器容器内的位置。

图1所示。水动力聚焦生物反应器利用旋转和粘度来产生流体动力,以控制细胞和气泡的位置,同时保持低剪切。

HFB包括一个旋转,由细胞培养容器集中位于采样端口和一个内部粘性转轮旋转附加到一个旋转的基础(见图1)。这艘船和粘性转轮旋转速度相同的或不同的速度和方向来创建所需的容器内的流体动力水平。胞体的低剪切悬浮以及胞体和气泡位置的控制,都是通过容器内的流动和沿粘性旋转器表面的流体阻力所产生的流体动力来实现的。与所述容器底座连接的透气膜使所述容器中的介质与所述容器所置于的培养箱环境之间的气体交换。当旋转速度为10转/分钟时,估计平均扭矩值为0.001达因/平方厘米。在这个转速下,悬吊大型三维组织状组件的努力已经取得了成功。

图2。在组织学染色后,用两种不同的放大率拍摄在HFB中生长的仓鼠肾细胞的聚集物。

锚定依赖细胞,包括原代细胞、转化细胞、基因工程细胞和细胞系,以及悬浮杂交瘤细胞,以单培养或共培养方式在HFB中成功培养2周。培养开始时,通过取样口将有或没有附着物质的细胞接种到容器中,将培养基完全填充到容器中,并设定转速以保持悬浮。从HFB培养的锚定依赖细胞中获得了大的三维组织样组件(见图2)。此外,三维组织样生长的关键阶段(细胞附着、三维聚集、和细胞外基质的形成)观察所有锚定依赖细胞培养在HFB。

这项工作是由约翰逊航天中心的Steve R. Gonda和Glenn F. Spaulding, Yow-Min D. Tsao, Wyle实验室的Scott Flechsig和Leslie Jones,以及大学空间研究协会的Holly Soehnge完成的。

根据《国家航空航天法》(42 U.S.C. 2457 (f))的规定,这项发明的所有权已被美国专利号6,001642所涵盖,已被放弃。有关其商业发展许可证的查询应向

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本文首次发表于2003年3月号NASA技金宝搏官网术简介杂志。

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