Bach搅拌桨在搅拌罐反应器中实现人间充质干细胞的高密度微载体扩增：工程表征与规模化应用

这篇研究通过工程表征与生物实验相结合，创新性地采用Bach搅拌桨在搅拌罐反应器（STR）中实现沃顿胶源人间充质干细胞（WJ-hMSC）的高密度扩增。研究证实该搅拌系统在75 rpm转速下可获得1.7×106 cells/mL的细胞密度（存活率>90%），并保持CD73+/CD90+/CD105+表型和三系分化能力。通过1L到5L的规模放大验证，为临床级细胞治疗产品生产提供了可放大的技术方案。

　　

工程创新与细胞扩增的完美结合

ABSTRACT
本研究通过工程表征与生物实验的协同创新，在配备Bach搅拌桨的搅拌罐反应器（STR）中实现了沃顿胶源人间充质干细胞（WJ-hMSC）的高密度扩增。该搅拌系统在低功率输入下展现出卓越的颗粒悬浮能力，为敏感细胞类型提供了理想的培养环境。

2 方法论
2.1 工程表征
采用定制化1L丙烯酸反应器模拟商业化UniVessel系统，配置温度、pH和溶氧（DO）探头。通过粒子图像测速（PIV）技术测得75 rpm时最大剪切应力为0.195 Pa，远低于hMSC的耐受阈值（0.25-2 Pa）。氧传递实验显示，在75 rpm转速下体积氧传质系数（k_La）达0.5 h^-1，可支持1×10⁶ cells/mL的细胞密度。

2.2 细胞培养体系
使用Cytodex 1微载体（5.6 g/L），在αMEM培养基中添加10%胎牛血清（FBS）。通过优化接种密度（4000 cells/cm²）和搅拌程序（初始50 rpm促进贴附，24小时后调整至目标转速），实现79%±5%的贴附效率。

3 结果
3.1 1L规模培养
在75 rpm条件下，WJ-hMSC在5-6天内达到1.2×10⁶ cells/mL的峰值密度，群体倍增时间（t_d）为28±2 h。当微载体浓度提升至11.2 g/L时，细胞密度进一步提升至1.6×10⁶ cells/mL。流式细胞术显示CD73/CD90/CD105阳性率>90%，且保持三系分化潜能。

3.2 规模放大验证
采用恒定转速（75 rpm）策略成功将工艺放大至5L规模，细胞密度维持1.2×10⁶ cells/mL。代谢分析显示葡萄糖消耗与乳酸积累呈典型关联，氨生成量维持在正常范围。冻存后细胞仍保持20-30 h的倍增能力。

4 讨论
相比传统搅拌系统，Bach搅拌桨在细胞密度和培养时间上实现突破：较文献报道的3BS桨（5×10⁵ cells/mL）提高2.4倍，比垂直轮式反应器（1×10⁶ cells/mL）缩短50%培养周期。工程分析表明，当转速超过115 rpm时，剪切应力接近细胞耐受极限，导致增殖效率下降。

5 结论
该研究建立了可放大的hMSC生产平台，通过精确控制流体力学环境，在5天内获得临床相关剂量的细胞产品（1.8×10⁹ cells/5L）。未来可通过双搅拌桨设计或富氧通气进一步优化氧传递，为再生医学提供更高效的制造方案。