研究员开发出新型细胞培养生物反应器的数字建模方法-aau3d打印

aau讯（编辑彬彬）近日，来自美国和葡萄牙的研究人员正在进一步完善组织工程的应用，并在题为“一种用于组织工程的多模式刺激细胞培养生物反应器的数字建模方法”的论文中公布了他们的研究结果。在创建用于3D打印的新型生物反应器时，作者致力于提高可重复性和优化性，制造出使用传统技术无法实现的设计。

众所周知，在大多数生物3D打印中，细胞被植入到支架上，这也是许多研究的主要研究方式，无论是关于新技术、增强技术，还是界面工程，然后研究人员希望细胞具有再生存能力。促进细胞生长和可持续性是任何类型的生物3D打印所面临的最大挑战之一，通常情况下，研究员会使用类似灌注流生物反应器这样的设备来替代培养基以去除毒素。在某些情况下，它们也用于通过流体流动剪切应力（FFSS）进行机械刺激。电场刺激装置可以很容易地用来促进细胞生长、成熟和分化。

这里使用的生物反应器是作者先前研究的一部分，但现在其准备更新（使用SOLIDWORKS 2018学生版）以包括电场刺激和流体流动机械刺激的能力。作者使用SOLIDWORKS 2018学生版进行3D设计。对新设计的评估是本研究的一部分，团队目前只能创建该模型的数字有限元分析（FEA）。

通过有限元分析，研究人员可以预测生物反应器的输入条件，进一步提高由体外数据确定的细胞刺激效果。总的来说，体外测试可以提供“必要的”信息，以确认通过数据研究预测的多峰刺激范围。

研究员开发出新型细胞培养生物反应器的数字建模方法

采用直流电刺激平行板电容器装置（具有横向和顶部切片视图）对所提出的生物反应器设计进行数字有限元分析。三个俯视图表示ROI上切片（T1）、ROI中间平面切片（T2）和ROI下切片（T3）。（a）直流电刺激生物反应器的电位分布预测。（b）在相同直流电刺激条件下预测的电场强度分布。

研究员开发出新型细胞培养生物反应器的数字建模方法

生物反应器设计的数字有限元分析，考虑横向和顶部切片的层流灌注。三个俯视图表示ROI上切片（T1）、ROI中间平面切片（T2）和ROI下切片（T3）。（a）考虑0.003 m/s的入口速度和0 Pa的出口压力，预测压力分布。（b）相同入口/出口条件下预测的流体速度分布。在切片平面右侧的俯视图中更详细地显示了ROI中间平面切片处的速度分布。

作者解释说：“根据先前两项关于骨细胞刺激的体外研究（一项应用机械刺激，另一项使用电场刺激）得出的参考值，考虑将ROI的电刺激和机械刺激条件用于骨细胞刺激优化。”。

研究员开发出新型细胞培养生物反应器的数字建模方法

新型生物反应器设计：（a）生物反应器设计的垂直剖视图，在该视图中可以观察到平行电极、上下入口和入口分流装置。（b）生物反应器设计的水平剖视图，可观察径向出口系统。绿色区域表示脚手架将放置的感兴趣区域（ROI），由高度为4 mm、直径为10 mm的圆柱体表示。（c）CAD生物反应器设计组装在正面视图中，主出口孔在中间可见。（d） CAD生物反应器设计组装在侧视图中，显示两条电极连接线（棕色）。

据研究员解释，在入口和支架之间增加了分流装置，从而导致“间接流流动”。入口和出口安装了软管接头，将它们连接到灌注泵。细胞培养室被分成两个不同的区域进行细胞培养和细胞播种。根据ISO 10993-5标准，平台所用材料必须无毒。

研究员开发出新型细胞培养生物反应器的数字建模方法

采用COMSOL Multiphysics建立的生物反应器为几何体网格，元素质量为1.9×106，平均元素质量为0.65。

“因此，在直接接触试验中，与所有材料接触培养的细胞呈现正常的成纤维细胞形态，没有任何抑制晕圈效应或细胞死亡的迹象。根据细胞毒性试验结果，所有候选材料都适合3D打印我们的生物反应器，”研究人员总结说。“我们将考虑C8和PETG作为未来设计制造的重要材料。C8是一种新材料，具有良好的层间粘附性和表面质量，是灌注流动的关键指标。根据C8供应商数据表显示，这种材料的拉伸强度比ABS高，从而改善了机械特性，这对承受压力的生物反应器的室密封性以及整体稳健性都非常重要。”

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