专访:干细胞研究的生物反应器和三维支架材料表面改性

我叫Karlan，目前在卡尔斯鲁厄理工学院的生物界面研究所担任生物物理学家。我们致力于开发生物反应器以及经过表面修饰的三维支架，用于功能性组织的培养和干细胞研究。我们的主要研究兴趣在于细胞与其人工环境之间的相互作用。2003年《自然》杂志的一篇社论提出了“平面生物学”（flat biology）这一问题，那么这背后究竟意味着什么？

过去，许多体外培养系统，主要是单层培养，存在一些缺点，例如分化后的原代细胞寿命相对较短，并且在培养过程中会发生去分化，即迅速失去大部分器官特异性功能。因此，为了在体外更好地模拟这些细胞的生长条件，人们已对传统的单层培养系统进行了多种不同的改进和优化。

这包括培养基的成分以及培养容器的包被处理，后者可使细胞主要形成单层结构。所有这些方法都表明了细胞与基质之间的相互作用以及细胞间通讯的重要性。另一个重要方面似乎是建立细胞特异性的微环境，例如通过缝隙连接复合体来实现，这是体内多种细胞的共同特征。

在传统的单层培养中，间隙连接通讯会迅速丧失。长期以来，有可能在一定程度上通过所谓的悬浮培养技术在体外重新建立类似组织的细胞排列方式。

我们实验室的一个例子表明，即使是成年大鼠肝细胞也能在这些聚集体中生成类固醇，并至少存活数周。肝细胞彼此保持紧密接触，促进细胞间通讯，从而稳定肝细胞特异性功能。但我们还发现，这种传统的三维培养技术存在若干缺点。

聚集体的大小至关重要。过大的聚集体直径可能诱导细胞坏死，且在大多数情况下，培养基体积与细胞数量的比例不恰当。此外，剪切力和旋转培养也可能带来问题。

生物体内的器官和组织具有极高的细胞密度，此外，物质通过这些组织层的定向主动运输也是一个重要特征。因此，真实的体外类器官组织模型应尽可能重建这种天然结构。而限制此类系统的关键因素之一是培养基与细胞体积之间的适当比例。

我之前提到过，我们设计了一种合适的细胞培养载体，其形状为精密微结构的聚合物支架，可为细胞聚集体的三维培养提供大小均一的容器。对于该聚合物支架，我们优选使用PMMA或PC聚醚、聚碳酸酯。该支架由一个面积为一平方厘米的微结构底板装置构成，可提供密集排列的超过1000个此类容器。

对于细胞聚集体的三维培养，已证明该方法适用于持续数周的三维细胞培养。阵列中每个小型立方形容器的边长约为 300 微米。该支架及其外围区域的特殊设计，即培养室的设计。

外部分泌培养基和气体供应系统支持不同的培养基供给模式：第一种是上流灌注，即组织的两侧分别独立供给营养培养基；第二种是灌注。

这意味着中等流速的液体被迫穿透组织层。灌注模式可用于创建更接近体内血管化的条件，甚至可以采用灌注与表面灌流相结合的混合模式。目前已开发出不同代次的细胞芯片。

每一代产品均可采用特定设计，以满足各种特殊应用的需求。例如，已开发出单船和双船生物反应器的设计，以及可单独寻址的多通道滴度排列或高度并行的变异装置。作为上一代这些不同形式的放大版本，已开发出一种称为微热成型容器的特定技术，该技术可进一步实现对这些三维成型容器整个表面的修饰，甚至可在亚微米尺度上利用信号分子进行表面图案化。

此外，还可以集成传感器和信号电极。其应用范围广泛，涵盖基础研究、细胞生物学、毒理学和药理学，也可用于高通量筛选。最后需要强调的一点是，我们最新一代的微热压芯片已优化设计，可实现低成本大规模生产，因而能够推广应用于其他实验室。