氧传感器点集成到固体微型生物反应器中 新设计的传感器的验证

本报告说明了使用 PreSens 传感器技术测量不透明固体微型生物反应器内的环境条件的传感器适配器的操作。通过这种方法，应用程序仍然易于处理，并且可以根据需要快速应用或更换不同类型的光学传感器（O 2、pH 或 CO 2 ），而无需修改生物反应器本身。

图 1：带有 PreSens 传感器点（左）的传感器适配器（剖视图）。

莱比锡大学细胞技术和应用干细胞生物学系开发了一种微型生物反应器（直径：69 毫米，高度：39 毫米），用于研究和提高体外透明软骨移植物的生产 [2]。为此目的，有必要控制和测量生物反应器内围绕移植物的细胞培养基的选定参数。虽然，例如 pH 值的降低可以清楚地表明感染，但溶解氧的降低会显示细胞活性的增加。除了与细胞活力的关系外，氧气率可以是一个固定条件。与血液相比，血液中的氧分压约为 20%，而人类膝关节软骨中的氧分压仅为 1-6% [1]。要使用不同的预定义氧张力进行试验，需要监控此参数。由于多种原因，生物反应器由不透明的热塑性塑料制成。为了使用化学光学传感器并使用相应的氧气计从生物反应器外部非侵入性地读取传感器响应，需要一个光学透明窗口。为了实现这一点，开发了一种可以连接到生物反应器的传感器适配器（图 1）。为了评估与氧传感器适配器组合的生物反应器，进行了两个实验。第一个测试展示了传感器的动态行为，当将氧气吸收剂添加到生物反应器内的流体中时。进行第二个实验以模拟非常高的细胞活性，以验证生物反应器增加流体氧张力的能力。为了使用化学光学传感器并使用相应的氧气计从生物反应器外部非侵入性地读取传感器响应，需要一个光学透明窗口。为了实现这一点，开发了一种可以连接到生物反应器的传感器适配器（图 1）。为了评估与氧传感器适配器组合的生物反应器，进行了两个实验。第一个测试展示了传感器的动态行为，当将氧气吸收剂添加到生物反应器内的流体中时。进行第二个实验以模拟非常高的细胞活性，以验证生物反应器增加流体氧张力的能力。为了使用化学光学传感器并使用相应的氧气计从生物反应器外部非侵入性地读取传感器响应，需要一个光学透明窗口。为了实现这一点，开发了一种可以连接到生物反应器的传感器适配器（图 1）。为了评估与氧传感器适配器组合的生物反应器，进行了两个实验。第一个测试展示了传感器的动态行为，当将氧气吸收剂添加到生物反应器内的流体中时。进行第二个实验以模拟非常高的细胞活性，以验证生物反应器增加流体氧张力的能力。需要透明窗口。为了实现这一点，开发了一种可以连接到生物反应器的传感器适配器（图 1）。为了评估与氧传感器适配器组合的生物反应器，进行了两个实验。第一个测试展示了传感器的动态行为，当将氧气吸收剂添加到生物反应器内的流体中时。进行第二个实验以模拟非常高的细胞活性，以验证生物反应器增加流体氧张力的能力。需要透明窗口。为了实现这一点，开发了一种可以连接到生物反应器的传感器适配器（图 1）。为了评估与氧传感器适配器组合的生物反应器，进行了两个实验。第一个测试展示了传感器的动态行为，当将氧气吸收剂添加到生物反应器内的流体中时。进行第二个实验以模拟非常高的细胞活性，以验证生物反应器增加流体氧张力的能力。当将氧气吸收剂添加到生物反应器内的流体中时。进行第二个实验以模拟非常高的细胞活性，以验证生物反应器增加流体氧张力的能力。当将氧气吸收剂添加到生物反应器内的流体中时。进行第二个实验以模拟非常高的细胞活性，以验证生物反应器增加流体氧张力的能力。

图 2：具有用于应用介质灌注的入口和出口的软骨生物反应器（左）、气体连接器（右）和用于 pH 和 O 2测量的两个传感器适配器（右下）。

材料与方法

为了模拟不同的条件，生物反应器（图 2）被设计为对移植物施加机械力，更新培养基 - 它还施加剪切力 - 并控制内部的氧气水平。移植物的压缩 - 以刺激细胞活动 - 是由带有圆盘状板的应变致动器完成的，该板连接在盖子的透明和柔性硅膜上。从上方，外部驱动器通过磁力与执行器对接并操纵其垂直位置。机械刺激的一个积极副作用是培养基的漩涡。因此，可以假设培养基内溶解气体和营养物质的分布很均衡。生物反应器侧面低的一对入口和出口用于介质交换，而上面的一对用于引入气体，扩散到介质中。与生物反应器的大多数部分一样，传感器适配器由生物相容性热塑性塑料 TECAPEEK 制成TM。配备 M8 螺纹，它与移植物横向连接到生物反应器水平。一块玻璃板（BOROFLOAT TM；直径：5 毫米，高度：1.75 毫米）用硅胶粘贴到适配器的前边缘。使用过的氧传感器点（SP-PSt3-YAU-D5-YOP 型，PreSens GmbH）用 SG1 硅胶固定在玻璃板上。聚合物光纤 (POF) 可将激发光传输到传感器，传感器对氧计的响应（Fibox 3，PreSens GmbH）可以从玻璃板的另一侧插入适配器，以进行非侵入式测量。盖螺钉将 POF 非常紧密地固定在玻璃板上。

两个实验均使用 17 mL 由盐、维生素、氨基酸和葡萄糖组成的普通培养基 (DMEM) 进行。这些测试的生物反应器中没有应用阶段和移植物。为了将 DMEM 与另一种流体软化水进行比较。对于氧化实验，引入的气体含有 O 2 (20 %)、CO 2 (5 %) 和 N 2 (75 %)，通过添加2 g 亚硫酸钠 (Na 2 SO 3 ): 2 Na 2 SO 3 + O 2 -> 2 Na 2 SO 4

图 3：添加 Na 2 SO 3对微型生物反应器内的软化水和 DMEM 的氧含量的影响。

图 4：通过在微型生物反应器中引入气体混合物对 Na 2 SO 3饱和 DMEM 进行氧化。

微型生物反应器中的测量

图 3 显示了在第一个实验中，如果添加相同量的 Na 2 SO 3 ，水和 DMEM 的氧减少差异。5 分钟后，启动封闭式生物反应器的应变致动器以加速化学反应。假设氧气指数下降，水（3 分钟）和 DMEM（100 分钟）的时间常数相差超过 30 倍。原因可能是 Na 2 SO 3在 DMEM 中的溶解度要慢得多，因为没有变化直到涡流由应变致动器引起时才能被检测到。图 4 显示了 Na 2 SO 3饱和 DMEM 与 20 % O 2的循环氧化3 分钟，每 30 分钟以 200 mL/min 进行。Na 2 SO 3的溶解仍在进行中，因此O 2水平趋于降低。但也有明确的迹象表明氧合的快速影响。总结这两个实验证实传感器适配器不会根据生物反应器的处理和性能造成限制。PreSens 氧传感器在此设置中经过现场验证，功能齐全，具有足够的动态行为。首先，传感器信号的幅度在 30.000 和 70.000 之间确保稳定和精确的测量，其次，适配器作为封闭和无菌系统离开生物反应器。

参考文献：

[1] Gibson JS、Milner PI、White R.、Fairfax TPA、Wilkins RJ：关节软骨中的氧气和活性氧：离子稳态调节剂。Pflüger Archiv - 欧洲生理学杂志 455 (2007), Nr. 4, 563 - 573

[2] Schulz RM, Wüstneck N., van Donkelaar CC, Shelton JC, Bader A.：开发和验证一种新型生物反应器系统，用于软骨细胞结构的负载和灌注控制组织工程。生物技术和生物工程 101 (2008), Nr。4, 714 - 728