气升式环流中空纤维膜生物反应器内骨髓间充质千细胞的培养与扩增

骨髓间充质干细胞（MSCs）具有多向分化的潜能,是重要的组织工程“种子细胞”和理想的基因治疗靶细胞,但在骨髓中的含量非常少,需体外扩增才能满足临床需求。今将第四代MSCs与Ⅰ型胶原溶液混合后接种于中空纤维膜（HFMs）内,置37℃、5％CO2、饱和湿度的培养箱内1h后形成凝胶,然后将此HFMs接种至气升式环流生物反应器（ALB）内,进行MSCs的三维动态培养与扩增。实验过程中每24h取样测吸光度、计细胞数、绘制细胞生长曲线,测定细胞代谢参数,并对扩增的细胞进行流式细胞仪分析及多向诱导分化检测。结果表明;在气升式环流中空纤维膜生物反应器（ALHFMB）内,O2含量基本保持恒定;细胞代谢旺盛,MSCs扩增倍数明显增加,7d后扩增近16倍;扩增的细胞仍保持MSCs表型并具有较强的成骨、成软骨及成脂肪的多向分化能力。     

中空纤维膜在旋转壁式生物反应器内作为细胞载体的性能

利用中空纤维膜作为成骨细胞的载体,在旋转壁式中空纤维膜生物反应器(Rotating wall hollow-fiber membrane bioreactor, RWHMB)内对其进行大规模扩增,并在静态环境使用中空纤维膜和在旋转壁式生物反应器(Rotating wall vessel bioreactor, RWVB)中使用微载体以相同条件对照培养.每隔12 h 对细胞进行取样,培养 5 d 后对细胞进行收获.对所扩增的细胞分别进行扩增能力、扫描电镜(SEM)观察、苏木精-伊红染色、碱性磷酸酶(ALP)染色、钙化结节染色等生物学性能检测.结果显示在RWHMB内动态培养的成骨细胞生长良好,分泌大量的细胞外基质.证实RWHMB能结合RWVB和中空纤维膜的优点,较好地模拟体内环境,对所培养的细胞施加适当的流体应力刺激,促进细胞的新陈代谢和物质交换,更有利于细胞的生长及增殖.     

曝气膜生物反应器的CFD模拟

利用Fluent软件对曝气膜生物反应器中气液两相流动进行模拟计算,探讨了进气气泡的直径、进气速度及膜纤维束的长度等因素对膜生物反应器内液体流动、气体分布的影响.结果表明,减小气泡的直径并适当增大进气速度、膜纤维束长度可以有效提高膜生物反应器内气体的分布和液体与气体的接触,从而促进气液两相进行高效的传质.     

甲烷生物转化膜反应器的CFD模拟

针对甲烷气体在发酵体系中的传质效率偏低,提出了将中空纤维膜反应器应用于甲烷生物转化体系的方法。使用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真软件FLUENT对中空纤维膜生物反应器内部流场进行CFD仿真模拟,探究纤维束长度和通气速率对反应器内气含率和液环速率的影响。结果表明,增大纤维束长度可有效提高反应器内的甲烷气含率和液环速率,从而促进气液两相进行高效传质。最终,通过CFD仿真模拟研究,获得了可用于高效生物转化甲烷生物反应器的最优纤维束长度和通气速率的设计区间,为中空纤维膜反应器的设计和实现甲烷高效生物利用提供研究基础,具有重要的指导意义。     

气泡循环流动型膜生物反应器流体力学特性研究

以气升式环流反应器和膜生物反应器为基础,提出气泡循环流动型膜生物反应器的概念.利用气液循环流动减缓膜污染,通过充压渗透的操作方式,降低水处理能耗与设备投资.实验研究了下降管内中空纤维膜填充率对反应器的平均气含率、循环液速等流体力学性能的影响,使用模拟体系考察膜分离性能. 研究结果表明:循环流动的气液两相能够明显缓解膜污染,提高膜渗透通量;利用充压渗透的操作方式可以实现膜分离过程,同时加压操作会导致平均气含率减小,循环液速降低.在理论分析基础上,导出平均气含率、循环液速随操作气速和压强的变化关系.     

新型温敏性中空纤维膜的制备与表征

采用自由基聚合方法对中空纤维膜(hollow fiber membranes,HFMs)进行了N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)的接枝聚合,制备了一系列PNIPAAm-g-HFMs,同时考察了成纤维细胞在PNIPAAm-g-HFMs表面的培养与降温脱附情况。傅里叶红外光谱和元素分析结果表明PNIPAAm成功地在中空纤维膜上接枝聚合。动态接触角分析结果显示,当温度降至LCST以下,PNIPAAm-g-HFMs表面接触角明显降低;蛋白黏附测定结果进一步证实了当温度发生改变时,PNIPAAm-g-HFMs表面呈现亲疏水性质变化,即具有温敏性。37℃时,成纤维细胞在HFMs-0.005,HFMs-0.01和HFMs-0.05表面均能正常黏附、铺展与增殖;而HFMs-0.2不适宜细胞的黏附与生长。降温孵育后,黏附于PNIPAAm-g-HFMs表面的细胞发生明显的形态变化并从其表面发生脱附,细胞脱附率高达90%以上。以上实验结果表明,PNIPAAm-g-HFMs具有良好的温敏性,可实现细胞的降温脱附,可与生物反应器相结合用于贴壁型细胞的大规模扩增与降温收获。     

同时扩增与收获脐带血来源造血干细胞及间充质干细胞的研究

目的为利用生物反应器,实现脐带血(Umbilical cord blood,UCB)来源的造血干细胞(Hematopoietic stem cells,HSCs)与间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)的同时扩增与收获。方法为在不添加血清、只添加细胞因子组合(SCF15ng·mL-1,FL5ng·mL-1,TPO6ng·mL-1,IL-315ng·mL-1,G-CSF1ng·mL-1,GM-CSF5ng·mL-1)及海藻酸钙壳聚糖胶珠包被基质细胞支持的条件下,采用玻璃包被的聚苯乙烯(Glass coated styrene copolymer,GCSC)微载体与生物反应器相结合的策略,考察了UCB-HSCs与UCB-MSCs在转瓶及旋转壁式生物反应器(Rotating wall vessel bioreactor,RWVB)内的共培养。结果RWVB中的扩增效果最佳,12天内有核细胞(Nuclear cells,NCs)扩增了3.7±0.3倍;集落形成细胞(Colony-forming units in culture,CFU-Cs)扩增了5.1±1.2倍;CD34+CD45+CD105-(HSCs)细胞扩增了5.2±0.4倍;CD34-CD45-CD105+(MSCs)细胞扩增了13.9±1.2倍。培养结束后,通过自由沉降的方法分离UCB-HSCs和粘附在GCSC微载体表面的UCB-MSCs。同时,细胞多向诱导分化及免疫表型分析结果显示,粘附在GCSC微载体表面上的细胞能够向骨、软骨及脂肪细胞分化;并能够表达间质细胞相关表面标志CD13,CD44,CD73和CD105,而不表达造血细胞的相关表面标志CD34,CD45及HLA-DR,与骨髓MSCs相一致。结论为添加细胞因子、基质细胞及微载体支持的条件下,在生物反应器内能够实现UCB-HSCs和UCB-MSCs的同时扩增与收获。     

新型温敏性中空纤维膜的制备与表征

采用自由基聚合方法对中空纤维膜（hollow fiber membranes,HFMs）进行了N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）的接枝聚合,制备了一系列PNIPAAm-g-HFMs,同时考察了成纤维细胞在PNIPAAm-g-HFMs表面的培养与降温脱附情况。傅里叶红外光谱和元素分析结果表明PNIPAAm成功地在中空纤维膜上接枝聚合。动态接触角分析结果显示,当温度降至LCST以下,PNIPAAm-g-HFMs表面接触角明显降低;蛋白黏附测定结果进一步证实了当温度发生改变时,PNIPAAm-g-HFMs表面呈现亲疏水性质变化,即具有温敏性。37℃时,成纤维细胞在HFMs-0.005,HFMs-0.01和HFMs-0.05表面均能正常黏附、铺展与增殖;而HFMs-0.2不适宜细胞的黏附与生长。降温孵育后,黏附于PNIPAAm-g-HFMs表面的细胞发生明显的形态变化并从其表面发生脱附,细胞脱附率高达90%以上。以上实验结果表明,PNIPAAm-g-HFMs具有良好的温敏性,可实现细胞的降温脱附,可与生物反应器相结合用于贴壁型细胞的大规模扩增与降温收获。     

转光膜在雨生红球藻养殖上的应用

通过对雨生红球藻在不同光质条件下生长的比较,确定了红色光有利于藻生长,进而用2.5 L气升式光照反应器在转光膜及普通PE膜下培养藻进行对比,结果显示雨生红球藻生物量、色素、光合活性等几项生物指标在转光膜条件下明显高于普通PE膜. 在气升式反应器内培养的藻细胞,接种9 d,虾青素含量可达3.57 mg/L,叶绿素浓度达到12.42 mg/L,干重提高8.8%以上.     

气升式三相内环流生物反应器内流体力学和传质性能的实验研究

本文通过实验研究了气升式三相内环流反应器在非牛顿流体中的流体动力学特性和传质性能.考察了表观气速、导流筒与反应器截面积之比、固体粒子加入量及CMC溶液浓度等操作条件对气升式三相内环流生物反应器中导流筒与环隙内液体循环速度、气含率、固含率及气-液体积传质系数等流动与传质特性参数的影响.