剪切力是作用于细胞表面的力。广义上来讲,剪切力是指影响细胞的各种机械力的总称。它对细胞生长状态有着非常大的影响,是设计和放大生物反应器的重要参数。
在生物制药的很多领域,如:疫苗、激素、干扰素、单抗、双抗等都用到大规模的动物细胞培养。但动物细胞因为没有像细菌一样坚固的细胞壁而只有一层比较脆弱的由磷脂双分子层构成的细胞膜。因此剪切力成为在动物细胞培养过程中的一个重要问题。
动物细胞根据其培养过程中是否贴壁可分为两类,一类是贴壁细胞,另一类是悬浮细胞。
对于贴壁细胞,目前主要应用于疫苗等行业,常用培养方式有转瓶分批培养、细胞工厂培养及微载体培养。前面两种培养方式由于其比表面积低,限制了大规模生产。微载体技术克服了这一缺点。微载体比表面积大,可通过悬浮培养进行放大,工艺稳定,且易控制。贴壁细胞对氧需求比较低,且微载体相对比重较大,因此实际生产中常用搅拌的方式来避免细胞沉淀。因此需对搅拌速度进行研究,以使微载体能均匀悬浮,且所产生的剪切力又不至于对细胞造成太大损伤。细胞在这个过程中所遇到的剪切力主要来自两个方面,一个是由于搅拌引起的湍流与细胞表面产生剪切力,另一个是微载体直接碰撞产生的剪切力。控制搅拌速度,控制微载体密度,细胞密度,能较好的控制在这个过程中产生的剪切力。
对于悬浮细胞,目前最常用于抗体等行业。悬浮细胞小试培养(摇瓶)时常用表面曝气法,因此气泡对细胞的损伤较小,但发酵罐规模的培养常用鼓泡法培养,因此气泡破碎产生的剪切力对细胞产生的影响较大。因为悬浮细胞比微载体比重小的多,所以悬浮细胞间碰撞产生的剪切力较小,受到的剪切力主要来自气泡破碎。因此需要对气泡大小,鼓泡频率进行控制。一般小气泡比大气泡的对细胞产生的伤害更大。可以添加消泡剂,合理选择鼓泡装置孔径,对气泡进行控制。另外鼓泡太快,对细胞损伤较大,如果鼓泡太快,就会导致对细胞产生的损伤来不及修复,导致细胞大量破碎死亡,影响细胞密度、活率,最终影响表达量和质量,而且还增加了下游纯化的压力。
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