实现大规模、成本效益高且可复制的干细胞制造的挑战。传统的一次性细胞袋生物反应器由于其刚性和单点传感器的限制，在高质量细胞制造的准确性和可扩展性方面存在困难。因此，开发了智能生物反应器系统，该系统能够实现多点空间感测，用于实时、无线培养监测，这对于提高干细胞培养的质量和可复制性至关重要。
研究简介
本研究成功开发了一种大规模智能生物反应器系统，该系统具有完全集成的无线多变量传感器和电子设备，用于长期原位监测干细胞培养。该系统包括一个低轮廓、无标记的薄膜传感器阵列和电子设备，与柔性细胞袋集成，允许同时评估培养特性，如pH值、溶解氧、葡萄糖和温度，以实现长达30天的实时反馈。
实验结果表明，该系统能够准确监测从塑料培养皿到2升细胞袋中干细胞和肌细胞的时间动态和空间变化。这些进展为智能感测系统在大规模、低成本、可复制和高质量的工程细胞制造中的广泛应用打开了道路，这在临床使用中具有广泛的应用前景。
研究中介绍的智能生物反应器系统通过使用灵活的多功能传感器阵列，能够实现对细胞培养过程中的实时和连续监测，捕捉培养环境中的时间和空间变化。这种高级的细胞制造技术能够精确调整营养供给策略，并优化生物反应器条件，从而提高细胞密度、增强生产力，并实现大规模细胞制造。
该系统的关键优势包括高数据采样率、集成无线传感器、长达30天的监测以及从培养皿到2升细胞袋的可扩展性。通过使用灵活的多变量传感器阵列，该平台实现了对细胞需求的实时和连续监测，提供了对培养条件的时间和空间变化的详细信息。这对于高质量细胞生产至关重要，因为它能够确保在整个制造过程中维持最佳的细胞质量。
研究还涉及了对于传感器和电子设备的长期稳定性和可靠性的验证。通过有限元分析（FEA）和实验研究，验证了系统的机械稳定性和可靠性，确保了在生物反应器中长期使用的可行性。FEA结果表明，所开发的薄膜传感器能够承受由连续晃动引起的重复弯曲，而不会有疲劳损伤。
此外，研究还展示了在生物反应器系统中使用明胶水凝胶载体进行3D细胞培养的工程化。与2D培养方法相比，3D培养能够提供更生理相关的微环境，影响细胞活动和功能。研究中开发的生物相容性明胶水凝胶作为细胞培养的支架，能够在生物反应器中改善培养质量。
在iPSCs的培养监测中，研究结果表明，iPSCs能够在生物反应器系统中保持其形态和生长，而不受生物传感器安装的影响。这表明，该系统能够用于监测iPSCs的培养，而不会对细胞的生长和分化产生负面影响。
对于小鼠原代成肌细胞（mPMs）的培养，研究结果表明，mPMs在生物反应器系统中的培养与在常规孵化器中的培养没有显著差异。这进一步证明了生物反应器系统的生物相容性，并且能够为细胞提供稳定的培养环境。
最后，研究还展示了在大规模生物反应器系统中使用明胶水凝胶包裹的干细胞进行培养。结果显示，该系统能够支持长达9天的细胞培养，并且在整个培养期间维持了良好的细胞活力和形态。
综上所述，本研究开发的智能生物反应器系统在实现干细胞大规模培养方面显示出巨大的潜力。该系统不仅能够提供实时、连续的监测，还能够确保细胞培养环境的稳定性和可复制性，这对于提高细胞治疗和生物医学研究的质量具有重要意义。未来的工作将集中在进一步的工程开发和系统的规模化验证上，以实现治疗性细胞和干细胞的确定性、高质量生产，以满足临床和工业应用的广泛需求。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6714
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