《Sustainable Food Technology》：A passive-oxygenation silicone platform for biomass production: enhancing operational labor and process simplicity in cellular agriculture developmentOpen Access
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以细胞为基础的食品（cell-based food）的商业化生产目前受制于现有生物反应器技术，这些技术需要大量资金投入、专业操作技能和复杂的工艺配置。为了实现以细胞为基础的食品生产的民主化，研究人员开发了“oxy-thru cultivator”——一种由聚二
以细胞为基础的食品（cell-based food）的商业化生产目前受制于现有生物反应器技术，这些技术需要大量资金投入、专业操作技能和复杂的工艺配置。为了实现以细胞为基础的食品生产的民主化，研究人员开发了“oxy-thru cultivator”——一种由聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）制成的结构简单、可高温高压灭菌的密闭容器式生物反应器。通过利用PDMS的高氧渗透性，该平台实现了贯穿整个罐壁的被动供氧，从而无需外部通气或机械鼓泡。在测试期间，该培养器维持了超过23天的稳定培养环境，在测试条件下未检出可溶出物，并在10次高压灭菌循环后保持结构完整性和无菌性。这一稳健性支持了DF-1细胞长达74天的连续培养。通过标准化的传代方案，研究人员成功估算出每个培养器经5次传代可回收到2.60 g水合生物量（hydrated biomass）。值得注意的是，与传统生物反应器相比，该平台实现了127%的相对劳动时间效率，并可按照标准实验室操作流程运行。此外，该系统还成功支持了哺乳动物和禽类原代细胞系的扩增。尽管此前已有气体可渗透培养平台的探索，现有系统往往依赖专门的微流控技术或一次性膜材料。在此，研究人员提出的“oxy-thru cultivator”平台独特地集成了全罐壁被动供氧、可重复使用且可高压灭菌的硅胶罐体，以及针对细胞农业量身定制的食品接触合规性。
**研究背景与目的**
细胞农业（cellular agriculture）旨在通过体外细胞培养生产食用生物量，但其产业化进程长期受制于现有生物反应器技术的高昂资本投入、专业化操作技能要求和复杂工艺配置。随着培养体积扩大，溶解氧（dissolved oxygen, DO）的高效供给成为核心瓶颈；传统方案依赖机械搅拌、灌注系统或外部气源硬件，不仅增加系统复杂性和成本，还引入剪切力致细胞损伤及气泡泄漏等风险。因此，亟需一种结构简单、成本低廉且无需专门基础设施的细胞培养平台来实现生物量生产的大众化。基于聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）卓越的气体渗透性和生物相容性，研究人员设计了“oxy-thru cultivator”——一种仅由三个部件组成的闭式硅胶培养容器，通过全罐壁被动气体交换实现供氧，从根本上消除机械鼓泡和外部通气装置。研究旨在验证该平台在无额外供氧条件下支持稳定细胞培养的能力，并系统评估其在操作效率、设备需求及多种细胞类型适用性方面的实际优势。
**技术方法**
培养器采用注射成型工艺以PDMS硅橡胶（KE1950）制备。氧气透过率由外部检测实验室（日本爱知产业科学技术中心）采用气体透过率分析仪（GP-1000AZ）测定，并与聚乙烯培养袋对比。结构稳定性通过1至10次高压灭菌循环评估，无菌性经SCD琼脂上菌落形成单位（colony-forming unit, CFU）检测确认，溶出安全性依照日本《食品卫生法》和FDA 21 CFR 177.2600标准实施。细胞来源包括：DF-1细胞（购自ATCC, CRL-3586）、猪骨骼肌卫星细胞系（购自Creative Bioarray, CBADE0935）、C2C12小鼠成肌细胞（购自RIKEN, RCB0987）、鸭肝原代细胞（按既有方案分离）。细胞计数采用NucleoCounter NC-202自动计数器，葡萄糖和乳酸浓度以多重生物传感器（BF-9M）测定。操作时间比较中，传统生物反应器由五年以上经验专家操作，oxy-thru cultivator由普通研究人员操作。
**研究结果**
**3.1 设计**
oxy-thru cultivator由硅胶罐体、罐盖和轴承接头三部分组成。罐体采用壁厚梯度设计，开口处1.0–1.6 mm、底部2.4–7.8 mm，倾斜角5°，兼顾结构稳定性、低重心和高气体渗透性。该设计支持简便组装和常规实验室操作流程，无需任何外部气体供应设备。
**3.2 材料性能与安全性验证**
尽管硅胶膜厚度（0.5–1.0 mm）显著大于商用聚乙烯培养袋（0.1 mm），其氧渗透率仍高出1–2个数量级，证明硅胶材料被动供氧潜力显著优于传统聚合物培养容器。经23天连续运行，oxy-thru cultivator维持了较高溶解氧水平（5.5 mg L
-1）和稳定pH（7.43），优于商业培养袋和玻璃瓶对照组。培养器在10次高压灭菌循环后保持尺寸稳定性和完整性，SCD平板上无CFU检出；溶出试验在多种溶剂条件下未检出重金属和酚类化合物等有害可溶出物，证实其具备反复食品接触应用的安全性。
**3.3 长期稳定性与标准化细胞增殖**
以鸡胚胎成纤维DF-1细胞为模型进行悬浮培养，与一次性生物反应器（cultistar）比较，细胞生长趋势、葡萄糖消耗和乳酸生成曲线均无显著差异（p>0.05）。DF-1细胞在oxy-thru cultivator中成功维持连续培养74天，自第57天起建立3–4天的标准化传代间隔和4.5×10
5 cells mL
-1的固定传代阈值。基于标准化传代方案，按单细胞湿重5.0 ng（由干重0.36 ng per cell结合92.13%含水量折算）估算，单个培养器经5次传代可累积回收约2.60 g水合生物量；若使用5个培养器，至第17天总回收量可达12.99 g。
**3.4 资源需求与操作劳动时间效率**
oxy-thru cultivator仅需培养箱、层流工作台、高压灭菌器和磁力搅拌器四类常规设备，且无专用耗材；而传统生物反应器额外需要氧气发生器、蠕动泵、管路焊接机和密封机等外围设备。在1000 mL工作体积下的操作时间测量显示，oxy-thru cultivator的总操作劳动时间为三套系统中最短，连续运行试验间最大时间波动仅为约2.4%（即2.5 min），表明其三部件简化结构可即时实现程序可重复性。根据每月7次传代的生产日历推算，oxy-thru cultivator相对传统生物反应器的月度劳动时间效率达到127%。
**3.5 多种细胞类型的适用性**
通过在罐内放置明胶基支架并采用轨道摇床（60 rpm）温和搅拌，研究人员验证了贴壁培养模式。在7天培养中，小鼠C2C12成肌细胞、猪骨骼肌卫星细胞和鸭肝原代细胞均成功扩增，所有细胞类型活力均超过60%，其中鸭肝原代细胞活力达96.3%。结果证明该平台可跨越哺乳动物与禽类细胞培养的物种屏障，适用于细胞农业中的多种细胞类型。
**讨论与结论**
讨论部分指出，PDMS的高氧渗透性是实现全罐壁被动供氧的关键，从根本上消除了机械鼓泡这一剪切损伤的主要来源。尽管培养器中溶解氧水平仍从初始6.9 mg L
-1降至5.5 mg L
-1，显示氧传质速率（oxygen transfer rate, OTR）与细胞摄氧速率（oxygen uptake rate, OUR）未完全平衡，该平台在200 mL工作体积下仍展现出可接受的长期培养稳定性。操作层面，传统生物反应器因结构复杂且成本高昂（单台约1万至4万美元），构成显著技术壁垒；oxy-thru cultivator大幅降低了设备门槛和操作技能要求。研究同时承认若干局限性：验证规模仅限200 mL工作体积，组装罐体本身的氧传递未直接测量，壁厚和曲率对局部传质的影响尚待表征；高密度培养条件下OTR/OUR平衡亦需后续研究。
研究结论表明，oxy-thru cultivator验证了PDMS的高氧渗透性可独立维持长期细胞培养所需的稳定培养环境，74天DF-1连续培养及每个培养器2.60 g水合生物量的回收提供了可量化的生产基准。该系统在多种哺乳动物和禽类细胞（包括原代细胞）中的广泛适用性证实了其平台通用性。通过仅依赖标准实验室设备、消除专用耗材并满足食品接触合规要求，oxy-thru cultivator在简化操作复杂性与监管就绪性的同时，弥合了气体渗透材料优势与细胞基食品制造严格需求之间的鸿沟，为细胞农业的产业化提供了低门槛、高简化的生产方案。
