支架式生物反应器中流体的流动方式是培养肉生产的变革者。适当的流动确保细胞获得足够的营养和氧气，同时去除废物，特别是对于厚组织结构。以下是其重要性：
- 扩散限制： 营养物质仅通过扩散渗透100–200 μm，导致内部细胞营养不足。
- 灌流生物反应器： 这些系统主动将培养基推过支架，改善营养输送和废物去除。
- 剪切应力权衡： 控制的流动刺激生长，但过度的剪切可能损害细胞。
关键因素包括灌流速率、支架设计（孔径、孔隙率）和预测流动行为的计算模型。先进的生物反应器和工具，如通过
继续阅读以了解流量控制、支架设计以及计算工具如何塑造这一领域的见解。
使用ANSYS Fluent的灌流生物反应器建模 - 第1部分
灌流速率和剪切应力解释
基于支架的生物反应器的最佳剪切应力范围和流动参数
灌流速率如何影响细胞生长
灌流速率对于控制营养物质的输送和通过培养基流动去除废物至关重要。如果流量过低，细胞将缺乏必要的营养。另一方面，过高的流量可能会对细胞造成物理伤害。关键是找到正确的平衡，以最大化营养交换而不造成损害。
研究表明，与静态培养相比，灌流培养在两周内可以使细胞增殖增加一倍以上[4]. 在某些情况下，差异更加显著。例如，在球形支架中，细胞体积在三周灌流后增加了四倍，而在立方体支架中则没有这种效果[7]. 这不仅仅是关于增加流速——而是关于创造适合生长的机械条件。
“灌流引起的混合和流体剪切应力将通过机械刺激细胞来改善发育，使其分化为所需的细胞类型。” – SN Applied Sciences [4]
剪切应力也起着关键作用。低水平（~0.05 mPa）促进细胞生长，而较高水平（15 mPa–1.5 Pa) 驱动差异化并激活组织特异性基因 [2][8]. 这意味着灌注策略需要随着细胞从初始生长到形成功能性组织的转变而适应。下一节深入探讨如何有效管理剪切应力以保护细胞活力。
控制剪切应力以维持细胞活力
壁面剪切应力（WSS）是一把双刃剑。对于骨组织工程，理想范围是10–30 mPa，这支持矿化。然而，超过60 mPa可能会损害细胞活力 [5]. 随着细胞密度的增加，支架孔隙率降低，这可能会限制流动路径，并在流速保持不变时导致局部剪切应力的峰值。
解决此问题的一种方法是随着组织密度的增加逐渐降低流速。例如，在恒定流动条件下，暴露于最佳壁面剪切应力（WSS）的细胞百分比在21天内从50%减少到18.6%。相比之下，随着时间的推移降低流速可以保持超过40%的细胞处于最佳条件[5]. 在播种阶段，精确校准是必不可少的；120 µl/min的流速是理想的，而像600 µl/min这样较高的流速会产生涡流，阻止支架的正确附着[3].
支架几何形状也有重大影响。流动与支架结构的相互作用需要与其架构保持一致，以维持细胞健康并支持组织生长。例如，在相同的流动条件下，球形支架元素产生的平均WSS为20 mPa，而立方体元素为11 mPa[7]. 这突显了正确的支架设计结合细致的流动控制对于优化结果的重要性。
流动控制的生物反应器设计
支架孔隙率和流道设计
支架的结构在管理流体流动和细胞分布中起着关键作用。孔径、孔隙率百分比和孔排列等关键因素直接影响流体的流动方式以及作用于细胞的剪切力[1] . 基本上，孔的大小和布局决定了流速以及剪切应力在支架上的分布方式。
“在施加的灌注条件下，细胞沉积主要由局部壁面剪切应力决定，而这又受到支架孔网络结构的强烈影响。” – 生物材料杂志[1]
支架设计通常是各向同性或梯度的。各向同性支架具有均匀的孔径 - 大约412 μm，孔隙率为62% - 导致稳定的剪切速率范围为15到24 s⁻¹。相比之下，梯度支架具有不同的孔径（250–500 μm）和孔隙率水平（35%–85%），创造了更广泛的剪切范围12–38 s⁻¹ [1]. 这种梯度设计鼓励细胞在特定区域积聚，而各向同性支架则确保细胞在整个结构中均匀分布。
随着细胞生长并占据支架的空隙，它们会降低支架的孔隙率，从而改变流体动力学。密度更大的支架需要更高的压力来维持流动，这可能会产生过大的剪切应力。为了有效的组织长入，孔径约为100 μm是至关重要的 [2][6]. 然而，理想的孔径大小因培养的组织类型而异。这些因素对于设计能够有效管理流动的生物反应器至关重要。
生物反应器类型和流量控制方法
灌流生物反应器在均匀输送营养物质的同时施加受控剪切应力方面表现出色。通过将培养基引导通过支架，它们支持更厚组织的发展[2] .
填充床反应器, 另一方面，设计用于大容量操作，但面临径向孔隙率不均匀的挑战。这可能导致“通道化”，即流体绕过某些区域，破坏均匀分布。例如，在2017年11月，研究人员测试了3D Biotek的商业PCL支架（直径5毫米，高度1.5毫米）。他们发现流速为120 μl/min时，播种效率为11% ± 0.61%。然而，在600 μl/min时，效率下降到6.5% ± 0。由于涡流形成，61%的细胞被困在再循环区域，而不是附着在支架纤维上[3]. 这突显了流动控制对于实现一致的细胞播种是多么关键。
不同的系统采用不同的方法来管理流动。灌流生物反应器专注于将流动引导通过支架，而中空纤维系统则调节内腔入口流量和出口背压，以模拟类似毛细血管的营养输送[9]. 先进的系统结合传感器和监控器以维持稳定的条件[8]. 此外，为了避免气泡——这可能会损害细胞或扰乱流动——将培养基储存器放置在培养室上方，利用静水压力取得良好效果[8].
sbb-itb-ffee270
使用计算模型预测流动行为
CFD在生物反应器设计中的优势
计算流体动力学（CFD）模型是预测流体如何通过支架结构移动的强大工具。通过求解Navier-Stokes方程，这些模型提供了关于剪切应力和营养分布的见解——无需物理原型。这不仅减少了开发成本，还消除了在重复实验试验中可能发生的污染风险[11][3][10].
支架几何形状可以使用CAD设计标准形状，或使用μCT成像设计更复杂的结构[2][10]. 2005年3月，研究人员使用Lattice-Boltzmann方法结合μCT成像，以34 μm体素分辨率模拟介质如何通过圆柱形支架流动。他们的模型显示，平均表面剪切应力为5×10⁻⁵ Pa与细胞增殖的改善有关[2].
CFD还帮助预测随着细胞生长并填充支架内的空隙空间，流动模式如何演变。例如，在2021年11月，一项研究利用COMSOL Multiphysics模拟流体通过分层3DP/TIPS支架的流动。通过在一个直径为10毫米的支架中建模38个入口通道，研究人员微调蠕动泵速度以实现20 mPa的壁面剪切应力，这对小鼠成骨前体细胞是理想的[4]. 这些模型甚至可以结合复杂因素，如细胞生长动力学和使用Michaelis-Menten方程的氧气消耗率。这使设计师能够预测组织发展如何随时间影响流体动力学 [11][12]."CFD可以帮助减少实验所需的成本、时间和固有的污染风险。" – 未来食品小综述 [11]
这些预测能力也为整合传感器反馈以动态调整流动条件铺平了道路。
传感器实时监控
将传感器与计算模型配对，通过实现实时调整以维持最佳条件，使生物反应器设计更进一步。例如，在2025年12月，研究人员使用COMSOL Multiphysics 6.3测试了BioAxFlow生物反应器，以模拟氧气分布和流体速度。他们对PLA支架上的SAOS-2细胞应用了细胞标准化的氧气消耗率，2 nmol min⁻¹ 10⁻⁶ 细胞。结果显示，腔室的几何形状支持均匀的细胞分布，无需机械搅拌器 [13].
先进的系统现在可以根据监测到的氧气水平调整流速，确保即使是支架的中心也能保持适当的氧气供应 [13]. 然而，一个挑战仍然存在：测量支架内的局部剪切应力。正如萨斯喀彻温大学的X. Yan所指出的：“由于缺乏足够的传感器，测量支架内的局部剪切应力分布是困难的，甚至是不可能的” [10]. 这一限制强调了CFD建模的价值，它可以提供物理传感器目前无法实现的详细预测。
将流动动力学应用于培养肉生产
通过流动控制改善组织质量
使用受控流动动力学可以显著提高培养肉的质量，确保细胞在支架中的均匀分布。静态培养的一个主要问题是细胞生长常常集中在支架的边缘，导致中心发育不良。流动动力学通过改善质量传输解决了这个问题，使氧气和营养物质能够到达支架的核心，同时有效去除废物。这种平衡对于生产高质量、结构坚固的培养肉产品至关重要。
剪切应力在这里起着关键作用。例如，研究表明，平均表面剪切应力为5×10⁻⁵ Pa可以促进3D结构中的细胞增殖。相比之下，设计用于骨组织的支架通常目标为大约20 mPa (0.02 Pa) 在培养开始时提供机械刺激 [2][4]. 然而，当细胞填充支架的孔隙时，即使泵速保持不变，流动通道也会变窄，自然增加剪切应力 [4].
“观察到的基质合成异质性被认为是由于构建体内营养物质分布不均和废物去除不充分所致。” – Robert Guldberg [2]
初始细胞播种的有效性也突显了流动动力学如何影响组织结果。使用PCL支架的研究发现，120 μl/min的流速是播种的理想选择，而较高的流速，如600 μl/min，由于涡流形成而降低了效率，涡流将细胞困在再循环区域 [3]. 实现均匀的初始细胞分布对于确保最终产品的质量至关重要。这些发现强调了使用能够满足精确流量要求的设备的重要性。
通过 Cellbase 采购设备
实现精确的流量控制和优化组织质量需要使用专业设备。这就是
通过
对于那些扩大生产规模的人，
结论
在基于支架的生物反应器中管理流动动态对于生产高质量的培养肉至关重要。成功取决于在整个培养过程中有效控制灌注速率和剪切应力。静态培养无法支持商业规模生产所需的厚实、均匀的组织结构。位于表面100–200 μm以外的细胞往往无法获得足够的营养和氧气，这突显了在生物反应器设计中先进流动管理的重要性[4].
当流动参数得到优化时，灌注生物反应器的细胞增殖率可以是静态培养的两倍以上[4]. 调整灌注和剪切应力对于实现一致的组织生长尤为重要。例如，谢菲尔德大学在2020年4月进行的研究发现，随着时间的推移逐渐减少流体流动，而不是保持恒定速率，显著改善了结果。21天后，40.9%的细胞表面保持在最佳剪切应力范围内，而在恒定流动条件下仅为18.6%。[5]. 这一单一变化可以大大提高组织质量和生产效率。
“为了获得更多矿化组织，传统的灌注生物反应器加载方式（i.e. 恒定流速/速度）应改为随时间减少流量。” – F. Zhao et al. [5]
在质量传输和机械刺激之间取得适当的平衡至关重要。流量不足会导致内部细胞缺乏，而过多的流量则有可能将其冲走[10][3]. 计算流体动力学 (CFD) 模型在预测局部流动条件和优化生物反应器性能方面起着关键作用[2][10].
扩大生产规模也带来了设备挑战。从具有分层结构的支架到具有精确流量控制的生物反应器，寻找合适的工具至关重要。
常见问题
我如何为我的支架选择安全的灌注速率？
平衡灌注速率是确保细胞成功附着和支架性能的关键，同时避免潜在损害。通常，从中等流速开始是一个明智的方法。在此基础上，随着逐步调整，密切监测细胞活力和支架完整性。使用针对特定支架设计的计算模型或实验数据可以提供有价值的见解。这有助于微调灌注速率，以支持最佳的细胞生长和营养运输，同时最大限度地减少剪切应力损伤的风险。
随着组织增厚，我如何避免剪切应力损伤？
为了减少随着组织增厚而导致的剪切应力损伤风险，在培养过程中逐渐降低灌注流速是很重要的。这种调整有助于将壁面剪切应力（WSS）保持在10–30 mPa , 的理想范围内，从而保护细胞免受过度应变，同时促进矿化。计算研究支持这种方法，表明它可以显著减少暴露于高剪切应力的组织量，帮助保护发育中的组织免受伤害。
CFD建模应包括哪些内容以实现现实的流动预测？
CFD建模需要结合支架的微观结构，确保精确的流体流动模拟，并提供剪切应力的详细分析。此外，实验数据验证对于确保预测与现实条件一致至关重要。这些因素共同有助于更深入地理解基于支架的生物反应器中的流动动力学。
