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支架生物相容性：测试协议

Scaffold Biocompatibility: Testing Protocols

David Bell |

支架生物相容性 对于培养肉生产至关重要。支架必须支持细胞粘附、生长和分化，同时安全可食用。它们应降解为无害的副产品，不留下不可食用的残留物。监管标准要求符合 ISO 10993 医疗器械协议 和 英国/欧盟食品安全法。以下是您需要了解的内容：

  • 关键测试领域：
    • 细胞毒性：材料必须显示超过 70% 的细胞活力（ISO 10993-5）。
    • 降解性：支架必须安全降解为可食用的成分。
    • 机械性能：刚度、孔隙率和耐久性对于细胞生长至关重要。
  • 材料类别：
    • 天然聚合物（e.g，海藻酸盐、大豆蛋白）：由于已建立的食品用途，较容易获得监管批准。
    • 合成聚合物：根据新型食品法规需要详细的安全数据。
    • 去细胞化ECM：动物来源的支架需要对过敏原和病原体进行彻底测试。
  • 监管重点：
    支架必须符合ISO 10993标准，符合新型食品评估，并确保对人类食用的安全性。测试包括细胞毒性、过敏性和降解产物分析。
  • 实际应用：
    开发者应将生物相容性数据与机械和结构指标结合，以优化支架性能。像Cellbase这样的平台有助于将经过验证的支架与生产需求相匹配。

本文提供了关于培养肉生产中支架的测试协议、监管要求和材料选择的详细指南。

支架生物相容性的监管标准

适用的测试标准

监管标准已建立明确的测试协议，以确保用于培养肉生产的支架的安全性和生物相容性。这些支架必须符合 ISO 10993 医疗器械标准和食品安全法规的要求[6][3][4]。这种双重要求的产生是因为支架不仅作为生物材料支持细胞生长，还需要作为最终产品的一部分安全食用。

ISO 10993 系列最初为医疗器械设计，在评估生物相容性方面起着核心作用。ISO 10993-5 专注于体外细胞毒性测试，已广泛应用于培养肉研究。例如，如果材料的细胞活力与对照组相比至少为 70%，则被认为是无细胞毒性的。一项关于自愈水凝胶支架的研究表明，水凝胶前体在WST-8测定中对小鼠和牛细胞的细胞活力超过70%，符合ISO 10993-5标准[2].

其他ISO标准，包括10993-10、-23、-11、-13、-14和-15，涵盖了致敏、刺激、全身毒性和降解产物评估等领域。ISO 10993-1提供了一个基于风险的框架，帮助制造商确定其支架材料所需的特定测试。该方法根据材料来源和面临的监管挑战对支架进行分类。

然而，仅仅符合医疗器械标准是不够的。在英国和欧盟，支架材料还必须符合食品安全法规，包括新型食品评估和食品接触材料规则[6][3][4]。这些要求在法规（如保留在英国法律中的《条例（EC）第178/2002号》和《条例（EC）第1935/2004号》）中有所规定。欧洲食品安全局（EFSA）在整个欧盟执行类似的标准。

对于打算进入英国和欧盟市场的支架，它们必须是可食用的、可消化的，并且不留下不可食用的残留物[6][3][4][5]。这将重点从长期植入物性能转移到支架与消化系统的相互作用，包括其代谢和营养效果。

为了简化监管审批，支架开发者通常使用具有已建立食品安全档案的成分，如明胶、海藻酸盐和植物蛋白[6][4][5]。这些不同的测试要求自然将支架分为不同的材料类别。

材料类别和监管要求

支架的监管途径在很大程度上取决于其材料组成和来源。了解这些类别有助于制造商预测获得批准所需的证据，并指导他们的材料和工艺选择。

天然聚合物和植物基支架通常更容易进行监管。像海藻酸盐、淀粉和大豆蛋白这样的材料已经被认可为食品成分，使得监管接受更加顺利[6][3][4][5]。这些支架通常需要进行ISO 10993-5 细胞毒性测试，以及EFSA和FSA对食品和食品接触材料的评估。监管机构将这些支架视为食品添加剂或加工助剂，而不是全新的材料。然而，仍需提供文件以解决潜在的污染物问题，如农药或重金属，并确保任何加工化学品为食品级或降低至安全水平[3][4][5]。

去细胞化植物组织，如菠菜叶或纹理化大豆蛋白，是一种新兴趋势。虽然这些材料比合成聚合物更容易融入现有的监管框架，但制造商必须证明去细胞化过程中的残留化学品，如清洁剂或溶剂，符合食品安全标准。

工程水凝胶和合成聚合物面临更严格的审查。这些材料根据《新食品法规》（欧盟）2015/2283（保留在英国法律中）被归类为新型食品成分。批准需要全面的安全档案，涵盖化学成分、毒理学、消费者暴露以及材料及其降解产物的消化等方面。测试包括ISO 10993标准的全范围——细胞毒性、致敏性、全身毒性和降解产物分析——以及新型食品评估。这些聚合物的评估类似于医疗材料，但重点是摄入而非植入[6][3][5]。

去细胞外基质（ECM）支架源自动物组织，带来了独特的挑战。虽然在食品中使用动物组织已被广泛接受，但摄入的ECM支架相对较新[4]。监管要求包括关于原材料、过敏原、动物传染病因子和朊病毒的详细文件。制造商必须确保来源物种和组织的可追溯性，验证去细胞化过程，并证明病原体的灭活。还必须遵守可传播的海绵状脑病 (TSE)、牛海绵状脑病 (BSE) 和动物副产品规则。[4]分析证据必须确认细胞、DNA 和病原体的去除达到安全水平。

以下是不同支架类别的监管要求摘要：

材料类别 监管熟悉度 主要标准 主要安全关注点
天然聚合物&和植物基 被认可为食品成分 (e.g。藻酸盐，淀粉，大豆蛋白），简化审批 [6][3][4][5] ISO 10993-5 细胞毒性，EFSA/FSA 食品接触规则；作为食品添加剂或加工助剂处理 [6][2][3] 残留加工化学品，农业污染物，过敏原性
工程水凝胶 &和合成聚合物 作为新型食品成分处理；需要详细的安全档案 [6][3][5] 广泛的ISO 10993系列（细胞毒性、致敏性、全身毒性、降解产物）加上新型食品法规[6][3][5] 降解产物安全性、全身毒性、可消化性
去细胞化ECM（动物来源） 动物组织的使用已确立，但摄入的ECM支架相对较新[4] ISO 10993测试、TSE/BSE法规和动物副产品规则[4] 人畜共患病风险、朊病毒污染、残留细胞材料、来源可追溯性

监管指导强调，测试策略必须与支架的使用方式保持一致——无论是设计为完全降解、部分保持完整，还是完全移除，以及预期的消费者接触[6][3]。这种方法基于ISO 10993原则和食品毒理学，确保所提供的证据与支架在最终产品中的作用相匹配。

对食品级和非动物支架的日益关注反映了监管要求和消费者偏好的变化。最近的评论强调了对植物基、多糖和蛋白质支架的兴趣日益增长，特别是那些来自非动物来源的支架。这一趋势与对具有已建立食品安全记录和较低感知风险的材料的偏好相一致[6][3][4][5]。

支架的生物相容性测试协议

体外细胞相容性测试

为了评估支架的生物相容性，研究人员依赖于体外测定法来测量细胞活力和细胞毒性。一种常用的技术是水溶性四唑盐（WST-8）测定法，通常通过CCK-8测定法使用。此方法量化在支架上培养的细胞在一周内的代谢活性[2]。根据ISO 10993-5食品接触材料标准，支架材料必须显示出相对于对照条件超过70%的细胞活力[2]。这些测试通常使用肌肉细胞，如小鼠来源的C2C12成肌细胞和脂肪细胞，如3T3-L1前脂肪细胞进行。

例如，设计用于大理石纹理培养肉的自愈合水凝胶支架显示出良好的结果。这些水凝胶通过硼酸–二醇和氢键形成双重可逆网络，能够在小鼠和牛来源的细胞中保持超过70%的细胞活力[2]。

除了可行性之外，研究人员还评估细胞粘附和播种效率。例如，纹理化大豆蛋白支架在不需要额外表面处理的情况下，播种效率已超过80%[3]。同时，由天然多糖或鱼明胶和琼脂等组合制成的涂层可以进一步改善细胞粘附。为了确保支架有效支持肌肉和脂肪细胞的生长，研究人员测量细胞粘附、活力和分化。阳性对照，如Matrigel，作为评估细胞增殖和分化的基准[2]。

这些体外研究结果为进一步测试支架的生物降解性和机械耐久性奠定了基础。

测试支架降解和消化性

一旦细胞活力得到确认，支架将被测试降解和消化性，以确保它们安全地分解成可食用的成分。与设计为保持完整的医疗植入物不同，培养肉的支架必须在细胞形成自身细胞外基质时可预测地降解。

模拟消化测试用于评估支架在胃液和肠液中的分解，确保材料降解为食品安全的副产品。可生物降解的成分，特别是那些源自植物的成分，由于其可预测的降解特性和最小的毒性残留风险而受到青睐。[3][4]。

不同的支架材料需要量身定制的测试方法。鱼类海洋胶原蛋白因其出色的兼容性和降低的人畜共患病风险而经常被选择[1]。另一方面，植物基支架，如纹理大豆蛋白或去细胞叶片，必须经过仔细表征以确认其降解为安全、可食用的成分。配方因素如明胶与海藻酸盐的比例（通常为7:3或6:4）以及增塑剂如甘油或山梨醇的加入显著影响支架的降解行为和整体性能[1]。

长期性能和机械性能

虽然初始细胞兼容性至关重要，但支架还必须在较长时间内表现良好以支持培养肉生产。在长期培养过程中，支架需要保持其机械性能，同时促进细胞生长。关键因素包括刚度、粘弹性和孔隙率，这些对于细胞增殖、分化和组织形成至关重要。柔软、多孔的支架具有互连网络尤为重要，因为细胞必须保持在距营养源约200微米以内，以确保适当的氧气扩散[3]。

可调节的自愈合水凝胶在满足这些要求方面显示出希望。这些水凝胶可以根据肌肉或脂肪细胞培养的机械需求进行调整，从而生产出具有精心控制的大理石花纹的厘米厚培养肉[2]。

长期机械测试侧重于压缩强度、弹性模量和几周内的尺寸稳定性等参数。还必须监测这些特性在支架降解时的变化。降解过快的材料可能无法支持适当的组织形成，而持续时间过长的材料可能会留下不可食用的残留物。制造技术经过优化，以平衡孔隙率、机械强度和兼容性[1].

研究示例：支架生物相容性研究

水凝胶和混合支架

明胶和海藻酸盐水凝胶作为培养肉的支架材料显示出强大的潜力，但实现正确的生物相容性取决于精确的配方。研究表明，7:3 的明胶与海藻酸盐比例——甚至更好的是 6:4——可以产生具有改进胶体稳定性的支架。为了增强细胞粘附性和结构完整性，通常在混合物中加入增塑剂，如甘油和山梨醇[1]。例如，含有 0.375% 三文鱼明胶、0.375% 海藻酸盐、0.1% 甘油和 0.25%琼脂糖被发现显著改善C2C12肌母细胞的生长和支架微结构，同时也增强了水的相互作用能力[4]。凝胶剂的选择也起着关键作用；使用琼脂糖制成的支架在水相互作用性能方面优于使用琼脂的支架[1]。

由聚乙烯醇（PVA）制成的自愈合水凝胶支架已显示出与细胞的良好兼容性。使用WST-8试剂盒（商业上称为Cell Counting Kit-8）的测试证实对C2C12肌肉肌母细胞和3T3-L1前脂肪细胞成纤维细胞无细胞毒性作用，细胞活力超过70%，符合ISO 10993-5标准[2]。这些水凝胶已成功用于使用单一培养物创建大理石花纹肉原型。

基于蛋白质的水凝胶混合物是另一个有前途的途径。例如，将2%的结冷胶与0.5%或1%的大豆或豌豆蛋白分离物混合，形成结冷胶-蛋白水凝胶，从而提高生物相容性。这些混合物改善了细胞附着、增殖和鸡骨骼肌卫星细胞的分化[4]。虽然这些水凝胶和混合支架提供了灵活性和机械定制，去细胞化ECM支架提供了一种基于天然组织的替代方案。

去细胞化ECM支架

去细胞化ECM支架代表了一种不同的策略，利用天然组织结构。例如，去细胞化植物组织，如菠菜叶，已被证明可以支持肌肉细胞的生长，同时保持其结构完整性并最大限度地减少人畜共患病风险[1]。这种技术作为一种在培养肉生产中创建可食用支架的可行方法，正在引起关注[1].

植物基支架

植物基支架提供了额外的优势，特别是在成本效益和营养益处方面。例如，纹理化大豆蛋白支持牛干细胞的附着，播种效率超过80%，即使没有功能化[3]。为了进一步提高生物相容性和细胞粘附性，已在这些支架上应用了由天然多糖或鱼明胶和琼脂组合制成的涂层[3]。除了与细胞的相容性外，植物蛋白基支架既经济实惠又营养丰富，使其在培养肉应用中具有吸引力[1]。然而，一些植物基材料可能需要添加生物材料以增强细胞结合特性。已经探索了细菌纤维素和结冷胶等增强材料，尽管每种材料都有其自身的挑战和权衡。 应用生物相容性数据进行支架选择 在工艺设计中使用生物相容性数据 为了做出有效的工艺决策，生物相容性数据需要与结构和机械指标密切配合。如前所述，保持孔隙互连性和确保细胞活力是至关重要的。工艺工程师必须将细胞活力、氧气消耗和营养扩散限制与总孔隙率、孔隙互连性和支架厚度等结构参数对齐。这种综合方法有助于识别在生物反应器中运行良好的支架。

例如，支架在薄层中支持高细胞活力但在较厚结构中表现不佳，通常表明存在质量传递问题。这些问题可以通过调整材料厚度、调整灌流或修改细胞播种密度来解决。设计具有高孔隙率和互连结构的支架，能够在整个厚度上保持活力，对于厚度超过2-3毫米的结构尤为重要。这种设计提高了质量传递效率，并最大限度地减少了在中心形成坏死核心的风险。

孔径与细胞行为之间的关系是另一个关键因素，特别是在考虑产品形式时。关于细胞如何与不同孔几何形状相互作用的数据——例如肌管是否对齐和融合或以随机模式生长——可以决定支架更适合切碎产品还是结构化的整切格式。结合生物相容性指标与生物反应器性能数据，如剪切应力和混合动力学，可以对支架格式、堆叠方法和操作参数做出明智的决策。

机械性能也起着关键作用。开发人员应评估促进成肌细胞增殖和分化的压缩模量范围，同时满足最终产品的感官期望。对于肌肉组织，较软且更具弹性的支架模仿天然组织的刚度，通常能促进更好的细胞排列和融合。相反，过于刚性的材料，即使它们是细胞相容的，也可能阻碍分化。在部分降解的支架上测试生物相容性也很重要。这有助于确定培养过程中机械软化是否影响细胞活力或表型，特别是在降解与晚期成熟阶段重合时。降解过快或释放酸性副产物的支架可能会损害细胞活力或改变口感，因此降解速率和副产物必须与工艺时间表保持一致。

为了简化支架评估，可以使用标准活力测定法（如WST-8（细胞计数试剂盒-8））和在预期培养条件下的形态评估来建立分级验收标准。符合基本细胞相容性阈值并在7-14天内表现出正常形态和增殖的支架可以进入3D或共培养测试。增殖不佳的支架可能需要表面改性或与其他生物材料混合，如纹理化大豆蛋白或琼脂/明胶改性。通过将细胞相容性排名与成本、可扩展性和感官特性等因素结合，开发人员可以创建一个决策矩阵，以优先考虑支架的进一步优化或扩展。这项全面的数据整合是在进行监管评估之前的关键步骤。

满足监管要求

一旦技术评估完成，脚手架开发人员必须准备数据以符合英国和欧盟的监管标准。将生物相容性测试与新型食品的监管要求对齐，需要同时关注食品安全和组织工程原则。公司应构建其生物相容性数据，以解决英国和欧盟新型食品批准框架中规定的监管问题。

标准的监管包通常包括细胞毒性和增殖测定、降解和消化产物的分析，以及与植物、微生物或动物衍生生物材料相关的潜在过敏原或污染物的评估。这些数据应在全面的风险评估中进行总结，涵盖材料身份、制造工艺、最终产品中的预期使用水平以及相对于预期消费者暴露的安全边际。通过将体外数据（如非细胞毒性和可接受的降解特性）与毒理学和膳食暴露评估相结合，开发人员可以解决关于支架持久性、降解产物生物利用度和长期消费影响的担忧。

每种材料类别都需要针对细胞毒性、降解性和过敏性的量身定制评估。为了确保更顺利的监管审查过程，开发人员必须清楚地记录方法、控制和统计分析。为每种材料类型定制生物相容性面板和安全性理由可以提高及时获得监管批准的可能性，并最大限度地减少新食品授权过程中的延误。

通过 Cellbase 采购支架

Cellbase

一旦生物相容性数据和监管标准到位，选择合适的供应商就成为下一个关键步骤。将实验室数据转化为采购规范需要供应商了解培养肉生产的独特需求，并能提供经过验证的性能数据。开发人员可以将实验室发现转化为详细的供应商要求，指定细胞活力阈值、可接受的内毒素或污染物水平、机械模量范围、孔隙率和在定义条件下的降解率等因素的定量范围。

Cellbase 提供一个平台，供研发和采购团队识别和验证适合特定培养肉产品的生物相容性支架选项。团队可以首先定义目标产品属性，例如产品是绞肉还是牛排状格式，然后概述相应的支架要求，包括孔隙率、刚度、降解行为和生物相容性指标，如存活率和分化支持。通过 Cellbase，采购专家可以筛选符合这些标准的支架列表，并包括来自可靠检测或已发表研究的验证生物相容性和机械数据。

对于通过 Cellbase采购的支架，买家可以请求或筛选具有验证性能数据的列表，减少重复初步筛选的需要。这使团队能够将实验精力集中在每种产品类型最有前途的选项上。符合基线标准的支架可以进行快速的内部测试——例如使用公司的细胞系进行短期生存能力和形态测定——然后再考虑用于长期开发或供应协议。

为了确保批次一致性，可以要求供应商提供与指定标准相关的分析证书。在可能的情况下，这些证书应参考在代表性培养肉细胞系（如牛或鸡成肌细胞）中的性能。在质量协议中包含这些要求，确保支架始终支持工艺性能并简化监管文件。通过利用 Cellbase的精选市场和结构化生物相容性规范，团队可以有效缩小支架选择范围，降低采购风险，并加速从实验室到试点规模生产的进程。

生物相容性测试，您需要了解的内容

结论

生物相容性测试在开发培养肉的支架中起着关键作用，连接了材料科学、细胞生物学和食品安全领域。本文讨论的协议——从ISO 10993-5等标准细胞毒性测试到降解和消化性的评估——为选择促进健康细胞生长并符合人类消费法规标准的支架奠定了坚实的基础。这些实践为更好的支架选择和更具战略性的采购铺平了道路。

研究表明，植物基和工程水凝胶均能持续满足基本的生物相容性标准。这表明非哺乳动物材料可以为培养肉生产提供必要条件，同时降低人畜共患病风险并简化监管流程。

在选择支架时，结合生物相容性数据与机械性能、降解速率和生产要求等因素是至关重要的。例如，一个在薄层中表现良好但在较厚结构中失败的支架表明需要进行设计改进。同样，降解过快的材料可能会在培养的后期阶段危及细胞的存活性。通过设定分级验收标准，并将细胞相容性排名与成本、可扩展性和感官属性结合考虑，开发人员可以创建决策框架，以识别最有前途的选项进行进一步优化。

法规合规要求生物相容性测试超越传统的组织工程基准，解决食品安全、过敏性和消化性问题。详细的文档涵盖材料成分、制造方法、预期使用水平以及与消费者接触相关的安全边际是必不可少的。定制的生物相容性面板可以简化监管审批过程。

一旦实现合规，重点就转向采购高性能支架。在这个阶段，高效的采购变得至关重要。将实验室结果转化为精确的供应商规格需要与了解培养肉生产独特需求的合作伙伴合作。像 Cellbase这样的平台提供定制化解决方案，使研发和采购团队能够识别具有验证生物相容性的支架，按性能标准筛选选项，并与有培养肉经验的供应商建立联系。这种专注的方法降低了采购风险，加快了从实验室验证到试点规模生产的过渡。

常见问题

在培养肉生产中使用合成聚合物作为支架会遇到哪些挑战？

合成聚合物常用于培养肉的生产中，因为它们具有灵活性并可以根据特定需求进行定制。然而，它们也带来了一些挑战。一个关键问题是生物相容性 - 合成材料并不总是能为细胞的附着、生长和正常发育创造最佳环境。此外，一些聚合物可能会分解并释放可能损害细胞健康或影响最终产品安全性的副产物。

另一个障碍是实现合适的机械性能。支架需要足够坚固以支持细胞，但也要足够灵活以复制天然组织的质地和结构。

要达到这种平衡，需要进行广泛的测试和微调，以确保支架满足培养肉生产的独特要求。

英国和欧盟的支架生物相容性法规与其他地区相比如何？

支架生物相容性的法规因地区而异，由不同的安全标准、测试方法和审批程序决定。在英国和欧盟，通常注重严格的测试，以确保用于培养肉生产的材料符合严格的消费者安全要求，并与环境责任目标一致。这些法规通常由欧洲食品安全局（EFSA）等机构制定的食品安全和生物相容性原则指导。

在其他地方，监管方法可能会有所不同，一些地区的框架可能不太详细，这取决于其细胞农业行业的发展程度。对于企业和研究人员来说，了解目标市场的具体监管要求对于保持合规性至关重要。像 Cellbase 这样的工具为采购符合培养肉生产标准的支架和材料提供了宝贵的资源。

植物基支架如何帮助减少人畜共患病风险并简化培养肉的监管审批？

植物基支架是培养肉生产中的关键组成部分，提供了一个安全、无动物的框架供细胞生长。由于它们来自植物，消除了与动物基材料相关的人畜共患疾病风险，使其成为生产者和消费者的更安全选择。

另一个优势是它们有可能简化监管审批。源自植物的材料通常已被认为对人类使用是安全的，这可能意味着更少的监管挑战。这个精简的流程可以帮助培育肉类产品更快地推向市场。

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Author David Bell

About the Author

David Bell is the founder of Cultigen Group (parent of Cellbase) and contributing author on all the latest news. With over 25 years in business, founding & exiting several technology startups, he started Cultigen Group in anticipation of the coming regulatory approvals needed for this industry to blossom.

David has been a vegan since 2012 and so finds the space fascinating and fitting to be involved in... "It's exciting to envisage a future in which anyone can eat meat, whilst maintaining the morals around animal cruelty which first shifted my focus all those years ago"

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    支架生物相容性 对于培养肉生产至关重要。支架必须支持细胞粘附、生长和分化，同时安全可食用。它们应降解为无害的副产品，不留下不可食用的残留物。监管标准要求符合 ISO 10993 医疗器械协议 和 英国/欧盟食品安全法。以下是您需要了解的内容： 关键测试领域： 细胞毒性：材料必须显示超过 70% 的细胞活力（ISO 10993-5）。 降解性：支架必须安全降解为可食用的成分。 机械性能：刚度、孔隙率和耐久性对于细胞生长至关重要。 材料类别： 天然聚合物（e.g，海藻酸盐、大豆蛋白）：由于已建立的食品用途，较容易获得监管批准。 合成聚合物：根据新型食品法规需要详细的安全数据。 去细胞化ECM：动物来源的支架需要对过敏原和病原体进行彻底测试。 监管重点： 支架必须符合ISO 10993标准，符合新型食品评估，并确保对人类食用的安全性。测试包括细胞毒性、过敏性和降解产物分析。 实际应用： 开发者应将生物相容性数据与机械和结构指标结合，以优化支架性能。像Cellbase这样的平台有助于将经过验证的支架与生产需求相匹配。 本文提供了关于培养肉生产中支架的测试协议、监管要求和材料选择的详细指南。支架生物相容性的监管标准 适用的测试标准 监管标准已建立明确的测试协议，以确保用于培养肉生产的支架的安全性和生物相容性。这些支架必须符合 ISO 10993 医疗器械标准和食品安全法规的要求[6][3][4]。这种双重要求的产生是因为支架不仅作为生物材料支持细胞生长，还需要作为最终产品的一部分安全食用。 ISO...

  • Selecting Sensors for Cultivated Meat Bioreactors

    选择用于培养肉类生物反应器的传感器

    在生产培养肉时，维持精确的生物反应器条件至关重要。传感器监测关键参数，如温度（37°C）、pH值（6.8–7.4）、溶解氧（30–60%）、CO₂（<10%）、葡萄糖、生物量和代谢物，以确保细胞健康和产品质量。传感器性能不佳可能导致批次浪费、质地不一致和产量降低。 您需要了解以下内容： 温度和pH传感器：电阻温度检测器（RTD）和玻璃或ISFET pH传感器在维持严格公差方面可靠。 溶解气体：光学传感器适用于一次性系统中的氧气和CO₂，而电化学传感器耐用但需要维护。 营养物和生物量：酶生物传感器或光谱方法可跟踪葡萄糖、乳酸和氨。电容传感器实时测量活细胞密度。 生物反应器兼容性：搅拌罐、波动系统和灌流设置需要根据规模、无菌性和监测需求量身定制的传感器解决方案。 关键要点：根据精度、灭菌兼容性和生物反应器类型选择传感器。像Cellbase这样的平台通过为培养肉行业提供精选选项来简化采购。 传感器能否降低与培养肉相关的成本？ 培养肉生物反应器中需要监测的关键参数 在培养肉生产中，七个关键变量在生物过程中的作用至关重要：温度、氧气、二氧化碳、pH值、葡萄糖、生物量和代谢物 [4]。这些因素中的每一个都直接影响细胞健康、增长和最终产品的质量。自动化系统旨在响应任何偏差，实时调整条件以维持细胞培养的理想环境。让我们深入了解细节，从温度和pH值开始。 温度和pH值 温度和pH值是细胞培养的基石，因为它们直接影响酶活性、膜稳定性和细胞周期进程。对于大多数用于培养肉类的哺乳动物细胞——如牛、猪和禽类细胞系——温度通常维持在约37°C，公差范围为±0.1–0.3°C [4][5]。即使是超出此范围的微小波动也会严重影响细胞的存活率和生长速度。 pH值是另一个关键因素，通常控制在6.8到7.4之间 [4][5]。在制药级工艺中，pH容差更窄 - ±0.05–0.1单位 - 以确保在较长时间内细胞的最佳存活率和生产力[2][4][5]。在高密度培养中，保持如此精确的控制尤为重要。 pH不是一个孤立的参数；它与其他变量相互作用。例如，溶解的CO₂形成碳酸，从而降低pH，而乳酸积累也会使pH下降。相反，氨的积累会使pH上升[4][5]。为了管理这些波动，策略通常结合通过优化曝气去除CO₂、添加碱如碳酸氢钠，以及定制的饲养方案以最小化乳酸和氨的形成[4][5]。温度进一步使问题复杂化，因为它影响气体溶解度。例如，较高的温度会降低氧气溶解度，使得在37°C时溶解氧的控制更加具有挑战性。这强调了精确传感器放置的重要性[4]. 溶解氧和二氧化碳 溶解氧（DO）对于细胞代谢和有氧呼吸至关重要。大多数动物细胞培养将DO维持在空气饱和度的30–60%，尽管确切的范围取决于细胞系，并在工艺开发过程中进行微调[4][5]。低于20%的水平可能导致缺氧并停止生长，而接近100%的水平可能导致氧化应激[4][5]。溶解CO₂（dCO₂）水平通常保持在气相中的5–10%以下，以防止细胞内酸化[4]。生物反应器的设计在管理溶解氧和溶解CO₂方面起着重要作用。例如，搅拌罐反应器比波动系统提供更好的氧气传递和气体混合，允许在更大规模上进行更严格的控制。另一方面，波动生物反应器在高填充体积时常常面临CO₂积聚的挑战[3][6]。灌流生物反应器在高细胞密度下运行，由于其高氧气消耗和CO₂产生，要求精细的控制。通常使用多气体入口、微泡曝气或膜曝气等技术[3][4][5]。DO通常使用以下三种传感器类型之一进行监测：电化学、光学或顺磁性[5]。电化学传感器成本效益高，但会消耗氧气并可能随时间漂移。光学传感器依赖于氧敏染料，不消耗氧气，非常适合一次性生物反应器，长期稳定性更好[2][5]。 对于CO₂，监测选项包括Severinghaus型电化学传感器、光学dCO₂传感器或间接方法，如废气分析和pH相关性[4][5]。光学dCO₂传感器与一次性生物反应器兼容，允许在线操作，但往往更昂贵且操作范围较窄[4][5]。营养水平和生物量 葡萄糖、乳酸和氨等营养物质的特征提供了关于细胞生长和压力水平的宝贵见解。监测这些指标有助于确定细胞是否处于生长阶段、经历营养限制或处于压力状态，从而进行及时调整，如喂养或培养基更换[4][5]。这些分析物可以通过在线、旁线或离线方法进行跟踪，先进的系统采用红外光谱同时监测多个变量[4]。 葡萄糖的常见策略是将水平维持在目标范围内，例如1–4 g L⁻¹，通过在水平下降时启动或调整进料速率[4][5]。乳酸水平通过减少葡萄糖浓度或在检测到积累时改变喂养模式来控制。对于氨水，特别是在较高pH值下有毒，当超过阈值时，实施部分培养基交换或增加灌流速率[4][5]。 使用电容（介电常数）传感器、光密度探头、成像系统或自动细胞计数器等工具监测生物量和活细胞密度...

  • Process Monitoring in 3D-Printed Scaffold Fabrication

    3D打印支架制造中的过程监控

    3D打印支架是培养肉生产的基础。 这些结构为细胞生长成肌肉和脂肪组织提供了框架，模仿了传统肉类的质地。然而，即使是支架制造中的小缺陷——如不均匀的层或空隙——也可能影响其强度和功能。 以下是您需要了解的内容： 像PLA和PCL这样的材料 因其食品级质量和可定制的特性而被广泛使用。 打印参数很重要。 喷嘴温度、打印速度和材料进料率直接影响支架质量。 实时监控（e.g., 温度和压力传感器）和打印后检查（e.g., 微CT扫描）确保支架符合严格标准。 可追溯性和文档记录 对于合规性至关重要，将每个支架与其原材料和制造数据连接起来。 自动化和人工智能工具 通过在生产过程中动态调整参数来提高一致性。 本文提供了每个阶段的过程监控详细指南 - 材料准备、打印机设置、过程控制和打印后评估。还强调了像OCT和机器学习这样的工具如何提高支架的可靠性。 关键要点： 一致的监控和文档记录对于生产符合安全和性能标准的高质量支架是不可或缺的。3D细胞培养自报告支架 | 协议预览 材料准备和质量控制 用于培养肉类生产的支架质量在很大程度上依赖于原材料的精确准备和控制。无论是处理像PCL和PLA这样的食品级聚合物、生物墨水，还是复合混合物，这些材料都必须符合精确的规格，以确保它们在打印过程中表现一致。如果没有仔细的准备和严格的质量控制，即使是最先进的3D打印机也难以生产出符合工艺机械、生物和结构要求的支架。 原料组成和特性 每批原料都必须经过彻底检查，以确保其在打印和细胞培养过程中表现如预期。该过程的一个关键部分是流变学特性表征。对于生物墨水和聚合物熔体等材料，了解它们在喷嘴剪切力下的流动行为至关重要。振幅和频率扫描等技术有助于定义线性粘弹性范围，并确认材料在挤出后保持其形状。流动曲线揭示了剪切变稀行为，这对于支架材料是理想的——在喷嘴压力下变稀，但在沉积后迅速恢复粘度，确保形成干净的线条和牢固的层粘附。 在实际打印温度下进行流变学测试至关重要（e.g，例如PLA为200°C），以建立可接受的参数，如粘度、屈服应力和模量值。任何超出这些阈值的批次都应被拒绝或重新配方，因为即使是轻微的粘度变化也会显著影响丝径、孔隙几何形状和机械性能，如杨氏模量。对于复合系统，固体含量和粒度分布同样重要。例如，在用羟基磷灰石增强PCL以改善机械性能时，陶瓷颗粒必须大小均匀且分散良好。激光衍射或显微镜等工具可以评估粒度分布，并设定上限以防止喷嘴堵塞。关于PCL/羟基磷灰石支架的研究表明，材料成分、温度和打印速度的变化可以显著改变线条宽度和孔隙几何形状，从而影响机械强度和细胞相容性[1]。即使是微小的缺陷，如空隙或不均匀的线条，也会显著降低压缩模量[1]。 水分含量是另一个常见问题。像PLA这样的吸湿性聚合物容易吸收水分，在加热时导致水解降解。这导致了较低的粘度、气泡形成和支架的弱化[2]。为减轻这种情况，材料应预先干燥，存放在带有干燥剂的密封容器中，并使用可靠的方法如卡尔费休滴定法进行监测。设定严格的湿度阈值是至关重要的。 对于培养肉的应用，灭菌和生物相容性是不可妥协的。支架必须无微生物污染和内毒素，以支持哺乳动物细胞的生长。灭菌方法——如伽马辐射、紫外线照射、过滤或高压灭菌（如果聚合物允许）——应经过验证，并定期进行内毒素检测。在英国和欧洲，遵循ISO 10993生物相容性标准是一个明智的做法，即使在早期研究阶段也是如此。所有测试方法、批次详情和结果都应在集中数字系统中详细记录。支架不仅必须促进细胞生长，还必须符合食品安全标准。 内部检查清单可以及早发现问题。这可能包括对变色或颗粒的目视检查、生物墨水的pH值测量，以及使用手持流变仪进行快速粘度测试。打印网格或简单晶格等基准几何形状也可以揭示线条均匀性或层粘附性的问题。为这些测试建立明确的通过/失败标准，并保持记录以随时间监测材料质量趋势。...

  • Analysing Surface Functionalization for Cultivated Meat

    分析培养肉的表面功能化

    表面功能化是培养肉生产中的关键过程，专注于修改支架表面以改善细胞的附着、生长和发育成组织。通过定制表面特性如化学性质、电荷和纹理，生产者可以增强细胞的粘附、排列和分化——这些是创建结构化肉类产品的关键步骤。这种方法支持开发更厚、更有结构的切块，具有更好的质地，同时满足食品安全要求。 关键点包括： 定义：表面功能化在不改变支架核心材料特性的情况下修改其表面。 重要性：改善的细胞附着和生长可带来更好的产量、质地和可扩展性。 方法：使用等离子处理、蛋白质涂层和肽接枝等技术。 分析工具：SEM、AFM、XPS和生物测定等方法验证了改造的有效性。 挑战：在确保食品安全和成本效益的同时，将这些方法扩展到商业生产。 表面功能化正在塑造培养肉行业，帮助生产商优化生产流程、降低成本，并提供符合消费者期望的高质量产品。 David Kaplan博士：使用组织工程培育培养肉 评估表面功能化的分析方法 在修改支架表面后，研究人员需要确认这些变化是有效的，并能产生预期的生物学结果。这个过程涉及物理、化学和生物技术的混合，每种技术都提供了独特的见解，了解这些改性如何影响培养肉生产中的细胞行为。 主要目标是验证功能基团、涂层或表面纹理的存在；评估这些改性在培养条件下的均匀性和稳定性；并将表面特征与可测量的结果联系起来，如细胞附着、扩散和分化。使用强大的分析方法还可以让研究人员比较不同的支架材料和处理方法，简化可扩展的食品级产品的开发。 对于英国的培养肉开发者，将这些技术纳入支架开发可以减少试错，加速从实验室原型到市场就绪产品的过渡。工具如 Cellbase 可以通过将研究人员与提供定制分析服务、参考材料和设备的供应商连接起来，协助满足培养肉生产的特定需求。以下是用于评估这些修改的关键方法。 表面表征技术 物理表征方法有助于揭示支架的地形、结构和微观及纳米尺度的机械性能，这对于塑造细胞与表面相互作用的方式至关重要。 扫描电子显微镜 (SEM)是一种广泛使用的技术，用于可视化支架结构。它提供孔结构、纤维直径和表面粗糙度的高分辨率图像，有助于确定支架是否支持营养扩散和肌肉纤维对齐。对于培养肉应用，扫描电子显微镜（SEM）需要仔细的样品准备，包括干燥和涂层技术，以保持支架的结构。研究人员使用放大倍率来捕捉整体孔隙网络和更精细的表面细节，提供支架地形的全面视图。 原子力显微镜（AFM）通过在支架上扫描细探针来测量纳米级表面特征和刚度。与SEM不同，AFM可以在液体或水合条件下操作，更好地模拟细胞在生物反应器中经历的环境。通过使用力-距离曲线等方法，研究人员可以收集粗糙度和弹性模量的数据——这些是肌肉和脂肪细胞培养的关键因素。例如，肌肉细胞对刚度信号有反应，弹性模量在10–100 kPa之间促进肌肉分化。AFM提供了用于微调支架机械和化学特性以适应培养肉生产的基本数据。接触角测量 通过在支架上放置一滴水或细胞培养基并测量液固界面形成的角度来评估表面润湿性。较低的接触角表示亲水表面，而较高的角度则表明疏水性。功能化处理后的接触角变化表明表面化学性质是否已成功改变。例如，等离子体处理或添加亲水基团通常会降低接触角，从而改善蛋白质吸附和细胞附着。这些测量通常在平坦的支架样品如薄膜或片材上进行。 这些技术共同帮助研究人员确认功能化已实现所需的物理和机械变化，同时不损害支架的结构完整性。这对于植物基聚合物、水凝胶和可食用纤维等材料尤为重要，因为保持与食品相关的加工和结构稳定性至关重要。 化学分析方法 虽然物理方法侧重于结构和地形，化学分析则确认预期的功能基团、涂层或生物活性分子是否存在并在时间上保持稳定。 X射线光电子能谱（XPS）用于检查支架表面的元素组成和化学状态。通过检测在X射线照射下发射的光电子，XPS可以验证功能基团如胺基、羧基或接枝肽的成功引入。对于培养肉支架，这项技术确保功能化策略是食品安全的，在生物反应器条件下稳定，并支持蛋白质吸附以增强细胞粘附。例如，如果支架经过处理以引入胺基，XPS可以确认氮的存在及其预期浓度和化学状态。 傅里叶变换红外光谱（FTIR）通过检测特定的吸收带来识别体积和近表面功能基团，因为红外光与支架相互作用。该技术作为分子指纹，确认聚合物、交联剂和生物活性化合物的存在，同时监测灭菌或培养后的化学变化。例如，如果支架涂有蛋白质或肽，FTIR可以检测指示成功涂层的酰胺带。它还可以揭示灭菌方法如高压灭菌或伽马辐照是否改变或降解了功能基团。XPS和FTIR共同提供互补的见解：XPS专注于细胞初始接触的最外层表面，而FTIR则提供支架整体化学成分的更广泛视角。这种组合对于优化功能化协议特别有用，确保表面改性足够密集并在细胞培养过程中保持稳定。 一个典型的工作流程可能从FTIR和XPS的化学确认开始，然后是SEM和AFM的结构验证。接触角测量可以用于评估润湿性变化。这种综合方法使研究人员能够在小规模上测试多种配方，然后将有前途的候选者推进到更耗资源的生物学测定中。一旦验证了支架的物理和化学性质，生物学测定将验证其对细胞性能的功能影响。细胞相容性的生物测定 虽然物理和化学分析提供了有价值的数据，但生物测定最终决定了细胞对功能化支架的反应。这些测试测量细胞的附着、活力、增殖和分化，将支架特性与组织发育联系起来。...

  • Mechanical Properties of Edible Scaffolds: Key Metrics

    可食用支架的机械性能：关键指标

    可食用支架对于培养肉的生产至关重要，它们塑造组织生长并影响最终产品的质地。其机械性能——如刚度、孔隙率和降解速率——在培养和烹饪过程中影响细胞行为、营养流动和结构完整性。本文分解了有效评估可食用支架所需的关键指标： 抗压强度：支持细胞生长并防止坍塌。理想模量：10–100 kPa。 拉伸性能：模拟肌肉质地；像玉米醇溶蛋白和明胶这样的材料可以提高弹性。 孔隙率：确保营养流动和废物清除。最佳孔径：50–200 µm。 降解速率：支架寿命应与培养时间一致，通常为2–4周。 防水性：控制膨胀并确保在水环境中的稳定性。 采购团队应优先考虑详细的测试数据，如杨氏模量、降解曲线和生物相容性指标。像 Cellbase 这样的平台通过将生产商与提供经过验证材料和透明文档的供应商连接起来，简化了采购过程。选择合适的支架可确保一致的质量并支持可扩展的生产。 弹簧如何帮助我们再生 | 生物材料的刚度 评估可食用支架的关键机械性能 在评估可食用支架时，必须测量影响细胞生长和最终产品整体性能的特定机械性能。抗压强度和模量 压缩测试评估支架在变形前能承受多少负载。这对于支持细胞增殖和分化至关重要。10–100 kPa范围内的压缩模量与天然肌肉组织非常接近，确保支架在成熟过程中保持其结构，同时促进有序的肌肉纤维生长[2]。 如果支架太软，可能会在生长细胞的重量下坍塌，破坏组织形成。另一方面，过度的刚性会阻碍自然的细胞运动和分化。这种平衡也影响支架在切片和烹饪过程中的表现[2]。 为了增强机械强度和韧性，通常采用加固技术。例如，使用与4%胶原蛋白和30 U/g转谷氨酰胺酶交联的对齐多孔支架，通过冰模板定向冷冻干燥创建，提供了改进的稳健性[3]。额外的材料，如纳米纤维素和基于蛋白质的交联剂，可以进一步提高刚度、韧性和凝聚力[2]。 虽然压缩性能至关重要，但拉伸强度和弹性对于复制天然肌肉的质地同样重要。 拉伸强度和弹性 拉伸性能衡量支架抵抗拉伸的能力，这直接影响其质地和口感[2]。为了让可食用支架提供真实的培养肉体验，它们必须模仿这些特性。添加玉米醇溶蛋白可以提高弹性，而明胶提供有助于细胞附着的生物活性基序。然而，仅靠明胶可能缺乏稳定性。将明胶与琼脂按4:1的比例结合，提供更平衡的解决方案，提供刚度、稳定性和增强的细胞附着力[3]。 除了强度和弹性，孔隙率在促进营养扩散和细胞迁移方面起着关键作用。 孔隙率和孔径分布 孔隙率决定了营养物质、氧气和废物通过支架扩散的有效性。50–200 µm的孔径是维持细胞在有效氧气质量传递限制内的理想选择[2][4]。 互连的孔隙对于实现细胞迁移和营养流动至关重要。孔隙过小会限制运动，而大于200 µm的孔隙则有助于质量传递和渗透[2][4]。...