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摘要：生物反应器在模拟细胞微环境中的应用非常广泛，是细胞体在外培养的关键技术环节。本文介绍生物反应器的种类和各自特点，以及在体外模拟细胞微环境中的应用情况。
关键词：生物反应器；体外模拟；细胞微环境
重组蛋白、疫苗、单抗等药物具有重要的药用价值，这些药物都是通过体外模拟细胞微环境进行细胞培养而生产的。现在细胞培养技术无论是在培养规模、培养环境还是产物表达等方面都得到了大幅度的提高，其中生物反应器起了很大的作用。
1生物反应器如何设计才能对体外细胞微环境进行模拟
进行生物反应器设计，为更好的模拟细胞微环境中，要综合考虑结构的严密性和可以承受高温的灭菌蒸汽，所以要采用对生物催化剂没有伤害以及耐腐蚀的材料，生物反应器的内壁要光滑，内部附件不宜太多，要留出大量的空间来进行细胞的培养。要保证良好的气体和液体接触，并且液体和固体要具有好的热量交换性能，可以有效的进行质量和热量的传递，尽量减少能量的消耗和泡沫的产生，设计消沫装置来提高装料系数。
生物反应器是对微小生物的放大生产过程，是从实验室到工业生产的过程，要面临生物反应器的逐级放大问题，并不是简单的体积的放大，而是一个复杂的体系。在生物反应器中，氧的传递速率要满足于细胞对氧的摄取速率，溶解氧的浓度也要保证。
在进行细胞的培养和发酵时，并释放一些热量，细胞在培养时会与周围环境产生物质的新陈代谢，发生分解和同化作用，分解作用会释放能量，同化作用会吸收能量。同化作用主要是细胞的生长、繁殖以及生成产物都要需要能量，细胞从培养基吸收营养和基质。从能量的角度来分析，分解产生的能量会大于同化产生的能量，多余的能量会转化为能量释放到外围环境中，无论是细胞反应还是酶反应，要及时将释放的热量排出去，才能保证细胞培养的正常进行，所以生物反应器会设置冷却装置。
2各种生物反应器的应用介绍
2.1搅拌式生物反应器在体外模拟细胞微环境中的应用
搅拌式生物反应器工作时，搅拌器旋转使液体在其中流动，类似于微生物发酵罐的工作原理，其主要结构包括培养罐、培养管、阀门、泵、马达、控制仪器。在保证溶氧充分的前提下，为保护细胞，减少转动和通气产生的剪切力。现在常用的通气方式有无泡通气、微泡通气、大光通气以及表面通气几种，搅拌式生物反应器主要是培养悬浮型的细胞，也可以与微载体技术进行结合培养贴壁细胞，培养规模较大，高达2000升，可以培养各种类型的细胞，培养工艺可以进行扩大，培养的细胞产品质量也很稳定，得到了广泛的应用。
2.2中空纤维生物反应器在体外模拟细胞微环境中的应用
中空纤维生物反应器的原理与体内血管的原理相仿，在特定的容器中装入细胞和培养基，插入成束的中空纤维，在毛细血管的内壁细胞开始生长，剪切力较低，传播质量很高，营养成分也会选择性的渗入。中空纤维生物反应器可以培养悬浮型和贴壁依赖型的细胞，细胞密度较高，主要培养杂交瘤细胞，进行单克隆抗体的生产。
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2.3流化床、固定床和规程床生物反应器在体外模拟细胞微环境中的应用
这是三种不同类型的生物反应器，其中流化床生物反应器的原理是对培养液进行通气搅拌后，营养液进行循环流动，细胞在微载体中生长。生物反应器中的脱分离系统包括很多不同的腔室，在灌注液体时所体会有充分的交换，颗粒会保存完整。流化床反应器的传质性很好，剪切力较低，一些气泡敏感细胞可以在硅胶膜的作用下实现无泡通气。流化床生物反应器可以留住高产量的细胞，使细胞培养的环境以及其他要求得以实现。
固定床生物反应器是流化床生物反应器的基础上改进的，在流化床玻璃柱的底部加上钢网等固定装置，微载体固定在固定装置上，在进行细胞培养时，固定床内进行细胞培养基的循环。
堆积床生物反应器的原理是推进管中的中心空气螺旋式实现培养基从下往上流动，从生物反应器的口里流出，通过规程床向下流动，直至罐体的底部，借助于推进器的中心管上流，规程床的聚脂片上规程了大理细胞，大量气体由喷射器喷出进入培养基。
这三种生物反应器最好结合微载体技术进行使用，适用于分泌性的细胞培养，广泛应用于重组蛋白的表达生产当中。
2.4气升式生物反应器
气升式生物反应器的原理为用气流进行液体搅拌，利用气体上升做为动力，导流装置进行液体的引导，形成气液混合体，进行有序的循环。用气升式生物反应器通气和搅拌是一次性完成的，产生的剪切力不高，可以有效的保护细胞，可以应用于悬浮细胞的培养，现在已经开发出规模为10000升的气升式生物反应器，可以进行抗体的规模化生产。如果将气升式生物反应器的下部改造为沉淀罐，可以培养骨髓细胞，结合微载体让细胞附着，用导流筒将气体引入，营养物质就会活跃的在其中流动，对细胞组织起到了保护作用。
2.5摇床式生物反应器
摇床式生物反应器主要是由摇动板提供动力，培养袋进行循环的摇动，培养袋中的培养基就会产生波浪，气液交界面就会越来越大，营养物质加速了交换，氧气的传递效率也会提高。如果与一次性的细胞培养袋结合使用，会节约空间和大量的人力。
如果以不同容量的摇床式生物反应器培养CHO细胞，规模不同，但是CHO细胞的生长密度、蛋白表达浓度、葡萄糖浓度以及乳酸浓度没有明显的差异，可以看出蛋白的产量和细胞密度是有关的，与生物学特性差异不大，摇床式生物反应器可以进行多种细胞的培养，细胞和重组蛋白的产量都较高。
2.6旋转式生物反应器
旋转式生物反应器包括两个圆筒，是内外相套的，外筒是固定的，内筒可以旋转，培养物的重力的就会降低，相当于模拟的微重力环境，所以又被称为空间生物反应器。用旋转式生物反应器，细胞在温各的环境中进行三维生长，生长的微环境得到有效改善，生长和分化的速度也会加快，是进行体外重建人体组织的完善方案。
除了以上六种生物反应器，还有许多新型的生物反应器，如膜生物反应器采用了涡流波原理，避免在狭窄通道中浓度边界层受到破坏，脉动式生物反应器可以进行心脏瓣膜的培养，使心脏瓣膜的机械强度可以增强。
3小结
生物反应器可以为细胞的增殖提供适宜的环境，广泛应用于体外模拟细胞微环境中，其成本较低，细胞生长效率高，并且减少了工业污染，是一种值得继续研究和推广的生物仪器。
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论文作者:曾宪卓,陈帅,王一飞,舒辉萍,张捷,滕娇,李德智
论文发表刊物:《健康世界》2016年第20期
论文发表时间:2016/11/15
标签：细胞论文; 生物反应器论文; 环境论文; 体外论文; 培养基论文; 流化床论文; 能量论文; 《健康世界》2016年第20期论文;