PROGETTAZIONE DI BIOREATTORI SU MISURA, COSA SERVE E QUANTO COSTA
Aknazar Arysbek, fondatore, ingegnere biomedico (MSc, Tufts University). LinkedIn ↗
Vale la pena costruire un bioreattore su misura quando il suo protocollo richiede una geometria del recipiente, un regime di flusso o un sistema di rilevamento che nessuna unità a catalogo offre. I componenti per un'unità da banco su misura con perfusione, controllo della temperatura e registrazione dati spesso costano qualche migliaio di dollari, ben al di sotto di un pezzo unico commerciale. Questa nota illustra i sottosistemi di cui un bioreattore ha bisogno, quanto costano componenti e ingegneria, e quando conviene invece modificare un'unità a catalogo.
Le sue cellule devono sopravvivere in condizioni che il catalogo non vende. Un flusso specifico attraverso uno scaffold, un carico meccanico con un programma ciclico, un livello di ossigeno mantenuto a un setpoint, una camera sagomata sul tessuto anziché sul recipiente standard del fornitore. Il bioreattore a serbatoio agitato della brochure del fornitore non fa nulla di tutto questo, e adattarlo o cambia l'esperimento o fallisce del tutto.
Questa nota spiega di cosa è fatto un bioreattore su misura, quanto costa ogni parte e dove passa il confine tra costruirne uno e acquistarne uno. Progettiamo e costruiamo questi strumenti, e ne abbiamo costruito uno noi stessi per la coltura tissutale, quindi legga l'ultima sezione sapendo che siamo parte interessata. L'ingegneria che la precede è la stessa, chiunque faccia il lavoro.
Cosa deve fare un bioreattore
Un bioreattore mantiene cellule vive in un ambiente controllato e le offre un modo per leggere e modificare quell'ambiente. Sei sottosistemi svolgono questo lavoro, e un progetto su misura è un insieme di scelte su tutti e sei.
Il recipiente. La camera contiene la coltura e ne definisce la geometria. Il materiale deve resistere alla sterilizzazione senza rilasciare sostanze nella coltura, il che di solito significa vetro autoclavabile, silicone di grado medicale o un polimero lavorato a macchina. La geometria è spesso l'unica ragione di una realizzazione su misura, perché uno scaffold o un costrutto tissutale raramente entra in un pallone a fondo tondo.
Controllo ambientale. La temperatura si mantiene a 37 gradi per le cellule di mammifero, e lo scambio gassoso regola l'ossigeno disciolto e il pH tramite una miscela controllata di aria e anidride carbonica. Un riscaldatore, un sensore di temperatura e un circuito del gas con anello di retroazione mantengono stabili entrambi.
Trasferimento di massa. Le cellule consumano nutrienti e ossigeno e producono scarti, quindi il terreno di coltura deve muoversi. Un serbatoio agitato lo muove con una girante; un progetto a perfusione pompa terreno fresco attraverso la camera a una portata prestabilita. La perfusione è il motivo più comune per cui un laboratorio supera le opzioni a catalogo, perché portata e percorso dipendono dal protocollo.
Stimolazione meccanica, se la scienza la richiede. La ricerca su osso, cartilagine e tessuto vascolare spesso richiede un carico: compressione, trazione o sforzo di taglio applicati secondo un programma. Questo aggiunge un attuatore, un passaggio meccanico verso l'interno di una camera sterile e il controllo per azionarlo.
Rilevamento. Il set minimo utile è temperatura, ossigeno disciolto, pH e flusso. La densità ottica aggiunge una lettura in tempo reale della crescita cellulare. Ogni sensore necessita di una procedura di calibrazione, perché una lettura non calibrata pubblicata in una sezione Metodi è peggiore di nessuna lettura.
Controllo e dati. Un microcontrollore mantiene i setpoint, gestisce gli anelli di retroazione, comanda pompe e riscaldatori, registra ogni canale con un timestamp e si spegne in sicurezza in caso di guasto. Questo è il livello del firmware, ed è qui che un banco di prova diventa uno strumento citabile anziché un mucchio di componenti che per caso hanno funzionato una volta.
Su misura, catalogo modificato o fai-da-te
Costruire non è sempre la risposta giusta, e il test onesto richiede meno di un minuto.
| Situazione | Risposta giusta |
|---|---|
| Un bioreattore da banco a catalogo fa il lavoro con piccoli aggiustamenti | Lo acquisti. Adatti il protocollo. Il su misura serve quando l'adattamento compromette la scienza. |
| Le serve una geometria, un flusso o un carico che nessuna unità a catalogo offre | Costruire su misura, con rilevamento e controllo progettati attorno al protocollo. |
| È un progetto formativo e la scienza è interessante da costruire | Lo faccia costruire a uno studente, ma richieda documentazione e calibrazione come deliverable. |
| Le servono attrezzature validate di grado GxP per una produzione regolamentata | Fornitore commerciale. Quel sovraccarico di validazione è proprio il prodotto che sta pagando. |
Quanto costa
I pezzi per un bioreattore personalizzato da banco sono più economici di quanto la maggior parte delle persone si aspetti. I progetti open source pubblicati hanno dato dati reali. Un bioreattore a carico compressivo e perfusione validato è stato costruito per circa $3,600 in parti. Un bioreattore a perfusione riutilizzabile stampato in 3D per l'ingegneria tissutale è stato costruito a una frazione del costo delle camere di perfusione commerciali, che costano diverse migliaia di dollari ciascuna. Camere di perfusione individuali sono state assemblate per meno di $10 e riutilizzate. I materiali raramente sono la parte costosa; lo è l'ingegneria.
Progettare il recipiente, selezionare e integrare i sensori, scrivere il firmware di controllo e verificare che l'intero sistema mantenga i setpoint sotto carico: è questo il lavoro che separa qualche migliaio di dollari di componenti da uno strumento funzionante. Un pezzo unico commerciale su misura include tutto questo più i costi generali del fornitore, ed è per questo che parte da cifre a cinque zeri. Una realizzazione più snella include l'ingegneria senza i costi generali.
Cosa deve essere consegnato insieme
Un bioreattore senza documentazione diventa un problema il giorno in cui chi l'ha costruito se ne va. Qualunque cosa commissioni, esiga CAD e schemi modificabili, il codice sorgente del firmware commentato con le istruzioni di compilazione, una distinta base con codici articolo reali, una procedura di sterilizzazione, una procedura di calibrazione per ogni sensore e una descrizione operativa abbastanza dettagliata da poter essere citata in una sezione Metodi. Lavoriamo in modo aperto per convinzione, quindi consegniamo tutto questo come deliverable standard. Può vedere un esempio concreto nella pagina del nostro progetto di bioreattore in miniatura, un'unità modulare di perfusione e stimolazione meccanica costruita per la coltura cellulare.
Domande comuni
Quanto costa un bioreattore su misura? I componenti di un'unità da banco con perfusione, controllo della temperatura e registrazione dei dati costano spesso alcune migliaia di dollari, e progetti open source pubblicati sono stati costruiti e validati con circa $3,600 di materiali. L'ingegneria per progettare, integrare e validare il sistema è il costo maggiore. Un esemplare unico commerciale su misura parte da cinque cifre; una realizzazione più snella sostiene l'ingegneria senza i costi generali del fornitore.
Qual è la differenza tra un bioreattore e un fermentatore? Entrambi sono recipienti che ospitano una coltura biologica controllata. Per convenzione un fermentatore coltiva microrganismi come batteri o lieviti, mentre per bioreattore si intende di solito una coltura di cellule di mammifero o di tessuti, con un controllo più stretto di ossigeno, pH e sforzo di taglio. Un fermentatore è un tipo di bioreattore; la parola che si sceglie indica l'organismo e il controllo che la coltura richiede.
È possibile costruire un bioreattore a perfusione per l'ingegneria tissutale? Sì, e la perfusione è uno dei motivi più comuni per cui i laboratori commissionano una realizzazione su misura, perché portata e percorso dipendono dallo scaffold e dal tessuto. Un progetto a perfusione pompa terreno fresco attraverso la camera a una portata prestabilita, e la geometria della camera è progettata attorno al costrutto anziché a un recipiente standard.
Di quali sensori ha bisogno un bioreattore? Il set minimo utile è temperatura, ossigeno disciolto, pH e portata. La densità ottica aggiunge una misura in tempo reale della crescita cellulare, e il lavoro meccanico aggiunge il rilevamento di carico o spostamento. Ogni sensore richiede una procedura di calibrazione documentata, perché le letture reggano in una sezione Metodi.
Dove ci inseriamo
Riferimenti open design: Perfuse and Reuse: a low-cost 3D-printed perfusion bioreactor (Tissue Engineering Part C) · A low-cost compressive loading and perfusion flow bioreactor (HardwareX) · JANUS: an open-source 3D-printable perfusion bioreactor (Frontiers). Correlati: attrezzature da laboratorio su misura · il nostro bioreattore in miniatura.