摘要
在利用生物反应器进行3D细胞培养时，氧气供应是一个关键参数。由于生物反应器的设计通常会优先考虑实际限制因素，因此了解培养基中的氧气供应动态对于实现均匀或空间可控的氧气输送至关重要。这一点在低氧条件下培养软骨细胞时尤为明显。为了评估氧气供应情况，我们使用了一个带有中央流道的同心生物反应器（长度为140毫米）。培养基采用磷酸盐缓冲盐水（PBS），并通过氮气脱氧以形成氧气消耗区。在1.5%的琼脂糖凝胶床中，通过荧光淬灭氧气检测器实验测量了氧气扩散情况，并将其与有限元模拟结果进行了比较。此外，凝胶中的两个腔室被填充了胶原蛋白，以模拟无细胞的骨软骨微环境。测量结果显示，随着距离流道的增加，氧气浓度逐渐降低，150小时后浓度降至0.025 mM以下。在有无胶原蛋白的实验设置中，再氧化过程分别发生在50小时和80小时内，氧气浓度均超过了0.15 mM。模拟结果最初仅在脱氧/再氧化的初始或后期阶段与实验数据相符，但通过调整扩散系数和液体-凝胶界面的质量传递系数后得到了改进。进一步的优化可以包括针对批次特性的扩散系数调整以及基于浓度的扩散调节。了解生物反应器中的氧气动态将有助于实现精确的氧气输送，尤其是在将增殖的干细胞或软骨细胞作为氧气消耗源时。这些发现为设计更符合特定细胞培养需求的生物反应器奠定了基础。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
数据可用性声明
支持本研究结果的数据可向通讯作者提出合理请求后获取。
