Jos valitsisin elektrospinning-järjestelmää viljellylle lihalle, aloittaisin yhdestä faktasta: kone asettaa rajan kuidun suuntaukselle, vikamäärälle, steriiliydelle ja tuotannolle kauan ennen soluviljelyn alkamista.
Bioprosessien insinööreille ja viljellyn lihan T&K-tiimeille päätös yleensä perustuu neljään toisiinsa liittyvään valintaan:
- Järjestelmän tyyppi: yksineulainen, monineulainen tai neulaton
- Kokoajan asettelu: satunnainen, suuntautunut tai kerrostettu tukirakenne
- Prosessi-ikkuna: jännite, virtausnopeus, kärjen ja kokoajan välinen etäisyys, kosteus ja lämpötila
- Valmistusreitti: liuos-elektrospinning tai sulatus-elektrospinning
Artikkelin ydinajatus on yksinkertainen.Elektrospinning voi luoda ECM:n kaltaisia kuitumaisia tukirakenteita, jotka ohjaavat myoblastien suuntautumista ja tukevat massansiirtoa, mikä usein vaatii pintafunktionalisointia solujen kiinnittymisen optimoimiseksi, mutta oikea järjestelmä riippuu siitä, tarvitsetko hienokuituohjausta, suurempaa tuotantoa, elintarvikelaatuisten liuottimien käsittelyä tai pilottimittakaavan toistettavuutta. Käytännössä tasapainotat morfologian hallintaa vs läpimenoa ja ratkaisun joustavuutta vs liuotinrasitusta.
Jos olisin seulontalaitteisto, tarkistaisin nämä ensin:
- Voiko se tuottaa kohdekuidun halkaisijan ja suuntauksen johdonmukaisesti?
- Vastaako keräin tarvitsemaani tukirakenteen arkkitehtuuria?
- Voiko polymeeri-liuotin- tai polymeeri-sulamissysteemi toimia elintarvikkeiden käsittelyrajojen sisällä?
- Ovatko kosketuspinnat puhdistettavissa ja soveltuvatko ne steriiliin käsittelyyn?
- Voidaanko kosteus ja lämpötila pitää hallinnassa koko ajon ajan?
Elektrospinning-järjestelmät viljellylle lihalle: keskeiset kompromissit yhdellä silmäyksellä
Dr.David Kaplan: Kudostekniikan käyttö viljellyn lihan kasvattamiseen
sbb-itb-ffee270
Nopea vertailu
| Järjestelmän valinta | Pääasiallinen käyttö | Pääasiallinen vahvuus | Pääasiallinen rajoitus |
|---|---|---|---|
| Yksineulainen | Lab R&D, prosessin hienosäätö | Tarkka prosessinhallinta, helpompi vianmääritys | Alhainen läpäisykyky |
| Monineulainen | Korkeampi tuotanto samanlaisella kuituformaatilla | Enemmän tuotantokapasiteettia | Suihkun sovittaminen neulojen välillä on vaikeampaa |
| Neulaton | Läpimenoon perustuva tuotanto | Korkea tuotantopotentiaali | Kuitujen hallinta ja ylläpito ovat vaikeampia |
| Ratkaisu elektrospinning | Hienokuituinen muodostus | Parempi hallinta pienten kuitujen muodostumisessa | Liuottimen käsittely, kuivaus, jäännösten poisto |
| Sulakkeen elektrospinning | Elintarvikekeskeinen liuottimeton prosessointi | Ei liuotinjäämäongelmaa | Vähemmän materiaalivaihtoehtoja, lämpörajoituksia |
Joten, johtopäätökseni on tämä: määrittele rakenne ja biomateriaalit ensin, sitten sovita järjestelmä, sitten testaa, toimiiko materiaalireitti edelleen pilottimittakaavassa.Tämä lähestymistapa auttaa navigoimaan laajempia viljellyn lihan skaalaushaasteita tehokkaasti. Tämä järjestys välttää paljon hukkaan mennyttä aikaa ja huonosti sopivia laitepäätöksiä.
Elektrospinning-järjestelmien arkkitehtuurit ja ydin komponentit
Tukirakenteiden menestys riippuu järjestelmän arkkitehtuurista. Se asettaa käytännön rajat kuitujen hallinnalle, kohdistukselle ja läpäisylle. Riippumatta muodosta, elektrospinning-järjestelmät käyttävät samaa ydinketjua: korkeajännitelähde, syöttöjärjestelmä, suutin, keräin ja kotelo. Muuttuva tekijä on, kuinka hyvin arkkitehtuuri tukee viljellyn lihan kuitujen hallintaa, kohdistusta ja kontaminaation hallintaa. Jos kokoonpano ei sovi materiaalin reologiaan tai kohdegeometriaan, tukirakenteen suorituskyky voi jäädä vajaaksi viljelyssä [1].
Yksineulaiset, monineulaiset ja neulattomat järjestelmät
Yksineulaiset järjestelmät soveltuvat hyvin T&K-työhön, koska niitä on helpompi säätää ja vianmäärittää. Vaihtokauppa on yksinkertainen: läpäisykyky on alhainen.
Monineulaiset järjestelmät lisäävät tuotantoa käyttämällä useita kehräpäitä samanaikaisesti. Toisaalta, suihkukäyttäytymisen pitäminen yhtenäisenä neulojen välillä on vaikeampaa, joten prosessinhallinnan on oltava tiukempaa.
Neulattomat järjestelmät käytetään, kun läpäisykyky on päätavoite. Mutta tämä ylimääräinen tuotanto vaatii vaativampaa kuitujen hallintaa ja vaikeampaa ylläpitoa.
Keräimen suunnittelu kohdistetuille ja monikerroksisille telineille
Keräimen suunnittelu ohjaa kuitujen suuntausta ja lopullista telinearkkitehtuuria. Keräimestä riippuen voit tuottaa satunnaisia, kohdistettuja tai kerrostettuja kuituja. Joten keräin tulisi valita vastaamaan kohdekudoksen rakennetta ja tarvittavaa viljelysuorituskykyä jatkossa.
Viljellyn lihan tuotannossa steriili käsittely on tärkeää elintarviketurvallisuuden ja prosessin luotettavuuden kannalta [2]. Siksi kotelon on hallittava kontaminaatiota koko ajon ajan.
Kun arkkitehtuuri on asetettu, prosessiparametrit määrittävät lopullisen kuitumorfologian.
Prosessiparametrit ja tukirakenteen suorituskykytavoitteet
Kun järjestelmäarkkitehtuuri on paikallaan, kuidun laatu riippuu prosessinhallinnasta.
Päämuuttujat ovat jännite, virtausnopeus, kärjen ja keräimen välinen etäisyys, kosteus ja lämpötila. Jokainen niistä muuttaa kuitumorfologiaa suoralla, mitattavalla tavalla. Korkeampi jännite yleensä pienentää kuidun halkaisijaa, mutta jos sitä viedään liian pitkälle, helmivirheet tulevat todennäköisemmiksi.Alhaisemmat virtausnopeudet tuottavat yleensä hienompia ja tasaisempia kuituja, kun taas korkeammat virtausnopeudet voivat jättää liian vähän aikaa liuottimen haihtumiselle, mikä johtaa paksumpiin ja epäsäännöllisempiin säikeisiin. Pidempi kärjen ja keräimen välinen etäisyys antaa suihkulle enemmän aikaa kuivua, mikä voi parantaa kuidun vakautta ja vähentää pintavirheitä. Kosteus ja lämpötila vaikuttavat liuottimen haihtumiseen ja polymeerin kiinteytymiseen, joten kehräysympäristön tiukka hallinta auttaa toistettavuudessa ja vähentää virheiden määrää.
Nämä asetukset eivät toimi eristyksissä. Kun yhtä muutetaan, usein myös muiden on muututtava sen mukana. Esimerkiksi jännitteen lisääminen voi kaventaa kuidun halkaisijaa, mutta se voi myös vaatia muutoksia virtausnopeuteen tai kärjen ja keräimen väliseen etäisyyteen helmien muodostumisen tai kuitujen sulautumisen estämiseksi. Keräimen geometria asettaa perustan suuntaukselle, mutta parametrien hienosäätö terävöittää sitä entisestään.Käytännössä alhaisemmat virtausnopeudet ja hyvin asetettu jännite antavat usein johdonmukaisemman kuitujen suuntautumisen keräimen pinnalla, mikä parantaa tukirakenteen yhtenäisyyttä.
Tukirakenteen morfologia vaikuttaa suoraan viljellyn lihan suorituskykyyn. Kuidun halkaisija ja huokoisuus säätelevät ravinteiden ja hapen diffuusiota tukirakenteen läpi, mikä on tärkeää solujen elinkelpoisuudelle paksummissa rakenteissa. Kuitujen suuntaus ohjaa myoblastien pidentymistä ja järjestäytymistä yhteiselle akselille, mikä on keskeistä lihaksen kaltaisen rakenteen muodostumiselle. Joten tämä ei ole vain käsittelyyn liittyvä yksityiskohta. Tarkka hallinta muuttaa valitun elektrospinning-asetelman syötäväksi tukirakenteeksi , joka saavuttaa määritellyt viljelysuorituskyvyn tavoitteet.
Kun yksimateriaalikuidut eivät riitä, kehittyneet elektrospinning-tilat mahdollistavat komposiittirakenteiden ja kerrostetun toiminnan rakentamisen tukirakenteeseen.
Materiaalit, elintarvikelaatuinen prosessointi ja skaalausrajoitukset
Kun tukirakenteen arkkitehtuuri ja prosessi-ikkuna on lukittu, seuraava pullonkaula on yksinkertainen: voitko valmistaa tukirakenteen materiaaleista ja liuottimista, jotka sopivat viljellyn lihan tuotantoon? Kuitujen morfologia saattaa määrittää rakenteen, mutta materiaalivalinta päättää, voiko rakenne valmistua elintarvikekelpoisessa prosessissa pilottimittakaavassa. Tämä siirtymä vaatii vankan tuotannon skaalaussuunnittelijan hallitsemaan kustannuksia ja kapasiteettia.
Materiaalit, elintarvikelaatuinen prosessointi ja skaalausrajoitukset
Kun arkkitehtuuri ja prosessiparametrit on kiinnitetty, seuraava rajoitus on, voidaanko tukirakenne valmistaa viljellyn lihan tuotantoon sopivista materiaaleista ja liuottimista. Kun kuitujen morfologia on asetettu, materiaalivalinta määrittää, voidaanko tukirakenne tuottaa elintarvikekelpoisessa, skaalautuvassa prosessissa.
Syötävien polymeerivaihtoehtojen ja liuotinvalintojen tarkastelu
Aloita elintarvikkeisiin soveltuvilla polymeereillä, jotka voivat muodostaa vakaita kuituja ja tukea solujen kiinnittymistä. Tämä kuulostaa yksinkertaiselta, mutta käytännössä se tuo mukanaan monia prosessiin liittyviä kompromisseja. Liuottimen käyttö, liuottimen poisto, jäännösrajat ja lämpöstabiilisuus on kaikki pidettävä elintarvikkeiden käsittelyrajojen sisällä.
Polymeerivalinta vaikuttaa myös itse koneeseen. Se ei ole erillinen päätös laitteiston valinnasta. Polymeeri-liuotinjärjestelmä voi tarkoittaa, että tarvitset liuottimen talteenottoa, ylimääräistä kuivauskapasiteettia, lämmitettyjä toimituslinjoja tai tiukempaa kotelon hallintaa. Toisin sanoen, materiaali ei vain muotoile tukirakennetta. Se muotoilee koko tuotantoasetelman.
Ratkaisu- vs. sulasähkökehruu elintarvikesovelluksissa
Ratkaisusähkökehruu antaa tiukemman hallinnan hienokuitujen muodostumiselle, mutta se tuo mukanaan liuottimen käsittelyyn, kuivaamiseen ja jäännösten poistoon liittyviä ongelmia.Se voi lisätä paljon prosessikuormitusta, kun siirrytään benchtop-työskentelystä eteenpäin.
Sulamissähkökehräys poistaa liuotinongelman, mikä on suuri etu elintarvikekäytössä. Mutta siinä on yksi haittapuoli: materiaalivaihtoehdot ovat rajatumpia, ja prosessilämpötilat voivat muodostua tiukaksi rajoitteeksi. Tämä on tärkeää, jos polymeerillä on kapea lämpötila-alue tai jos lämmönkestävyys vaikuttaa jatkokäyttöön.
Valinta liuos- ja sulamissähkökehräyksen välillä tulisi tehdä yhdessä tukirakenteen määrittelyn kanssa alusta alkaen. Se vaikuttaa suoraan laitteiston asetteluun ja materiaalivaihtoehtoihin, joiden kanssa tiimi voi työskennellä.
Laboratoriosta pilottituotantoon
Pilottimittakaavan järjestelmän on tehtävä enemmän kuin vain valmistettava kuituja, jotka näyttävät hyvältä mikroskoopin alla. Sen on tarjottava vakaa suihkukäyttäytyminen, toistettava kuitumorfologia, puhdistettavat tuotteen kosketuspinnat ja linjassa oleva valvonta kosteudelle, lämpötilalle ja läpäisylle.
Kun arvioidaan laitteita, ostajien tulisi tarkistaa:
- Kaikkien kosketuspintojen puhdistettavuus
- Toistettavuus eri ajoissa
- Ympäristön hallinta pyörityksen aikana
- Sopivuus elintarvikelaatuisten käsittelyvaiheiden kanssa, mukaan lukien kuivaus, keräys ja sterilointi
Nämä eivät ole yksityiskohtia, jotka voidaan selvittää myöhemmin. Niiden tulisi ohjata järjestelmän valintaa alusta alkaen.
Elektrospinning-järjestelmien valinta ja keskeiset hankintapäätökset
Hankintakriteerit viljellyn lihan tiimeille
Aloita määrittelemällä tavoitekehikon muoto, kuituarkkitehtuuri, ja läpimeno. Se kuulostaa yksinkertaiselta, mutta säästää paljon hukattua aikaa myöhemmin. Jos kehikon määrittely on vielä epäselvä, toimittajien vertailuista tulee yleensä arvailua.
Siitä eteenpäin, seulotaan järjestelmät seuraavien perusteella:
- suuttimen tyyppi
- keräimen suunnittelu
- ympäristön hallinta
- materiaalin yhteensopivuus
Materiaalin yhteensopivuus tarvitsee asianmukaisen tarkistuksen, ei nopeaa oletusta. Käytännössä tämä tarkoittaa sen varmistamista, että polymeeri-liuotin järjestelmä voidaan käsitellä elintarvikkeiden kanssa yhteensopivien rajojen sisällä. Jos se toimii laboratoriossa, mutta riippuu liuottimen käsittelystä, joka ei sovi prosessirajoituksiisi, se on luultavasti väärä reitti.
Määritä myös lämpötila ja kosteuden hallinta, kun kuidun halkaisijan ja suuntauksen on pysyttävä johdonmukaisina. Elektrospinningissä pienet muutokset ympäristöolosuhteissa voivat nopeasti siirtää tuotoksen pois kohteesta. Tämä herkkyys korostaa antureiden valinnan tärkeyttä, jotka pystyvät seuraamaan näitä muuttujia reaaliajassa.
Käyttämällä Cellbase tukemaan hankintaa ja toimittajien löytämistä
Kun telineen määrittely on kiinnitetty, ostajat voivat suodattaa toimittajia näiden vaatimusten perusteella.
Listat sisältävät käyttötapauksen yksityiskohdat , jotka auttavat hankintatiimejä valitsemaan telineeseen yhteensopivat materiaalit ja GMP-yhdenmukaiset laitteet. Tämä helpottaa kentän kaventamista ja relevanttien toimittajien nopeampaa valintaa.
Päätelmä: Keskeiset kompromissit, jotka muokkaavat järjestelmän valintaa
Elektrokehräys antaa viljellyn lihan tiimeille tarkan hallinnan kuitujen morfologiaan ja suuntautumiseen, mutta järjestelmän valinta perustuu edelleen kompromisseihin tukirakenteen muodon , materiaalin yhteensopivuuden, liuotinstrategian, ja ympäristön hallinnan.
välillä.Aloita tukirakenteen vaatimuksesta. Sitten sovita järjestelmän määrittely. Sitten varmista toimittajan sopivuus.
UKK
Mikä elektrokehräysjärjestelmä sopii parhaiten pilottimittakaavaan?
Pilottimittakaavan viljellyn lihan tukirakenteen tuotannossa paras valinta riippuu yleensä läpäisyn ja kudostekniikan vaatimien hallintatasojen välillä.
Useimmissa tapauksissa monineulaiset tai neulattomat elektrokehräysjärjestelmät ovat suosituin vaihtoehto.He voivat lisätä kuidun tuotantoa samalla säilyttäen tarvittavan tukirakenteen solujen kiinnittymiselle ja solujen kasvulle .
Miten valitsen liuos- ja sulakehruun välillä?
Se riippuu kehrättävästä materiaalista ja prosessisi rajoituksista. Liuoskehruu käyttää liuottimeen liuotettuja polymeerejä. Tämä antaa laajemman valikoiman materiaaleja ja tuottaa usein ohuempia, hienompia kuituja. Haittapuolena on, että liuotin on poistettava, ja mittakaavan kasvattaminen voi olla vaikeampaa.
Sulakehruu käyttää lämpöä liuottimien sijaan. Elintarvikelaatuiseen tuotantoon se voi tehdä käsittelystä yksinkertaisempaa ja vähentää liuottimiin liittyviä huolia. Mutta se toimii vain polymeerien kanssa, joilla on oikea lämpökäyttäytyminen.
Miksi kuidun suuntaus on niin tärkeää viljellyille lihasrakenteille?
Kuidun suuntaus on tärkeää, koska se heijastaa eläimen lihaskudoksen luonnollista rakennetta. Tämä vaikuttaa suoraan tekstuuriin ja suutuntumaan, jotka ovat kaksi vaikeinta asiaa saada oikein viljellyssä lihassa.
Elektrospunatuissa rakenteissa suuntautuneet kuidut antavat lihassoluille selkeän fyysisen vihjeen. Sen sijaan, että solut muodostaisivat satunnaisia aggregaatteja, ne todennäköisemmin erilaistuvat ja järjestäytyvät lihaksen kaltaisiksi kuiduiksi. Tämä muutos on tärkeä, jos tavoitteena on rakenteellinen kudos. Se vie prosessia lähemmäksi monimutkaisten leikkeleiden tuottamista, sen sijaan että pysähdyttäisiin vain jauhelihatuotteille sopiviin muotoihin.
