本報告說明了使用 PreSens 傳感器技術測量不透明固體微型生物反應器內的環境條件的傳感器適配器的操作。通過這種方法，應用程序仍然易于處理，并且可以根據需要快速應用或更換不同類型的光學傳感器（O 2、pH 或 CO 2 ），而無需修改生物反應器本身。

圖 1：帶有 PreSens 傳感器點（左）的傳感器適配器（剖視圖）。

萊比錫大學細胞技術和應用干細胞生物學系開發了一種微型生物反應器（直徑：69 毫米，高度：39 毫米），用于研究和提高體外透明軟骨移植物的生產 [2]。為此目的，有必要控制和測量生物反應器內圍繞移植物的細胞培養基的選定參數。雖然，例如 pH 值的降低可以清楚地表明感染，但溶解氧的降低會顯示細胞活性的增加。除了與細胞活力的關系外，氧氣率可以是一個固定條件。與血液相比，血液中的氧分壓約為 20%，而人類膝關節軟骨中的氧分壓僅為 1-6% [1]。要使用不同的預定義氧張力進行試驗，需要監控此參數。由于多種原因，生物反應器由不透明的熱塑性塑料制成。為了使用化學光學傳感器并使用相應的氧氣計從生物反應器外部非侵入性地讀取傳感器響應，需要一個光學透明窗口。為了實現這一點，開發了一種可以連接到生物反應器的傳感器適配器（圖 1）。為了評估與氧傳感器適配器組合的生物反應器，進行了兩個實驗。第一個測試展示了傳感器的動態行為，當將氧氣吸收劑添加到生物反應器內的流體中時。進行第二個實驗以模擬非常高的細胞活性，以驗證生物反應器增加流體氧張力的能力。為了使用化學光學傳感器并使用相應的氧氣計從生物反應器外部非侵入性地讀取傳感器響應，需要一個光學透明窗口。為了實現這一點，開發了一種可以連接到生物反應器的傳感器適配器（圖 1）。為了評估與氧傳感器適配器組合的生物反應器，進行了兩個實驗。第一個測試展示了傳感器的動態行為，當將氧氣吸收劑添加到生物反應器內的流體中時。進行第二個實驗以模擬非常高的細胞活性，以驗證生物反應器增加流體氧張力的能力。為了使用化學光學傳感器并使用相應的氧氣計從生物反應器外部非侵入性地讀取傳感器響應，需要一個光學透明窗口。為了實現這一點，開發了一種可以連接到生物反應器的傳感器適配器（圖 1）。為了評估與氧傳感器適配器組合的生物反應器，進行了兩個實驗。第一個測試展示了傳感器的動態行為，當將氧氣吸收劑添加到生物反應器內的流體中時。進行第二個實驗以模擬非常高的細胞活性，以驗證生物反應器增加流體氧張力的能力。需要透明窗口。為了實現這一點，開發了一種可以連接到生物反應器的傳感器適配器（圖 1）。為了評估與氧傳感器適配器組合的生物反應器，進行了兩個實驗。第一個測試展示了傳感器的動態行為，當將氧氣吸收劑添加到生物反應器內的流體中時。進行第二個實驗以模擬非常高的細胞活性，以驗證生物反應器增加流體氧張力的能力。需要透明窗口。為了實現這一點，開發了一種可以連接到生物反應器的傳感器適配器（圖 1）。為了評估與氧傳感器適配器組合的生物反應器，進行了兩個實驗。第一個測試展示了傳感器的動態行為，當將氧氣吸收劑添加到生物反應器內的流體中時。進行第二個實驗以模擬非常高的細胞活性，以驗證生物反應器增加流體氧張力的能力。當將氧氣吸收劑添加到生物反應器內的流體中時。進行第二個實驗以模擬非常高的細胞活性，以驗證生物反應器增加流體氧張力的能力。當將氧氣吸收劑添加到生物反應器內的流體中時。進行第二個實驗以模擬非常高的細胞活性，以驗證生物反應器增加流體氧張力的能力。

圖 2：具有用于應用介質灌注的入口和出口的軟骨生物反應器（左）、氣體連接器（右）和用于 pH 和 O 2測量的兩個傳感器適配器（右下）。

材料與方法

為了模擬不同的條件，生物反應器（圖 2）被設計為對移植物施加機械力，更新培養基 - 它還施加剪切力 - 并控制內部的氧氣水平。移植物的壓縮 - 以刺激細胞活動 - 是由帶有圓盤狀板的應變致動器完成的，該板連接在蓋子的透明和柔性硅膜上。從上方，外部驅動器通過磁力與執行器對接并操縱其垂直位置。機械刺激的一個積極副作用是培養基的漩渦。因此，可以假設培養基內溶解氣體和營養物質的分布很均衡。生物反應器側面低的一對入口和出口用于介質交換，而上面的一對用于引入氣體，擴散到介質中。與生物反應器的大多數部分一樣，傳感器適配器由生物相容性熱塑性塑料 TECAPEEK 制成TM。配備 M8 螺紋，它與移植物橫向連接到生物反應器水平。一塊玻璃板（BOROFLOAT TM；直徑：5 毫米，高度：1.75 毫米）用硅膠粘貼到適配器的前邊緣。使用過的氧傳感器點（SP-PSt3-YAU-D5-YOP 型，PreSens GmbH）用 SG1 硅膠固定在玻璃板上。聚合物光纖 (POF) 可將激發光傳輸到傳感器，傳感器對氧計的響應（Fibox 3，PreSens GmbH）可以從玻璃板的另一側插入適配器，以進行非侵入式測量。蓋螺釘將 POF 非常緊密地固定在玻璃板上。

兩個實驗均使用 17 mL 由鹽、維生素、氨基酸和葡萄糖組成的普通培養基 (DMEM) 進行。這些測試的生物反應器中沒有應用階段和移植物。為了將 DMEM 與另一種流體軟化水進行比較。對于氧化實驗，引入的氣體含有 O 2 (20 %)、CO 2 (5 %) 和 N 2 (75 %)，通過添加2 g 亞硫酸鈉 (Na 2 SO 3 ): 2 Na 2 SO 3 + O 2 -> 2 Na 2 SO 4

圖 3：添加 Na 2 SO 3對微型生物反應器內的軟化水和 DMEM 的氧含量的影響。

圖 4：通過在微型生物反應器中引入氣體混合物對 Na 2 SO 3飽和 DMEM 進行氧化。

微型生物反應器中的測量

圖 3 顯示了在第一個實驗中，如果添加相同量的 Na 2 SO 3 ，水和 DMEM 的氧減少差異。5 分鐘后，啟動封閉式生物反應器的應變致動器以加速化學反應。假設氧氣指數下降，水（3 分鐘）和 DMEM（100 分鐘）的時間常數相差超過 30 倍。原因可能是 Na 2 SO 3在 DMEM 中的溶解度要慢得多，因為沒有變化直到渦流由應變致動器引起時才能被檢測到。圖 4 顯示了 Na 2 SO 3飽和 DMEM 與 20 % O 2的循環氧化3 分鐘，每 30 分鐘以 200 mL/min 進行。Na 2 SO 3的溶解仍在進行中，因此O 2水平趨于降低。但也有明確的跡象表明氧合的快速影響。總結這兩個實驗證實傳感器適配器不會根據生物反應器的處理和性能造成限制。PreSens 氧傳感器在此設置中經過現場驗證，功能齊全，具有足夠的動態行為。首先，傳感器信號的幅度在 30.000 和 70.000 之間確保穩定和精確的測量，其次，適配器作為封閉和無菌系統離開生物反應器。

參考文獻：

[1] Gibson JS、Milner PI、White R.、Fairfax TPA、Wilkins RJ：關節軟骨中的氧氣和活性氧：離子穩態調節劑。Pflüger Archiv - 歐洲生理學雜志 455 (2007), Nr. 4, 563 - 573

[2] Schulz RM, Wüstneck N., van Donkelaar CC, Shelton JC, Bader A.：開發和驗證一種新型生物反應器系統，用于軟骨細胞結構的負載和灌注控制組織工程。生物技術和生物工程 101 (2008), Nr。4, 714 - 728