PROJETO PERSONALIZADO DE BIORREATOR, O QUE É NECESSÁRIO E QUANTO CUSTA
Aknazar Arysbek, fundador, engenheiro biomédico (MSc, Tufts University). LinkedIn ↗
Um biorreator personalizado vale a pena ser construído quando seu protocolo precisa de uma geometria de vaso, regime de fluxo ou sensores que nenhuma unidade de catálogo oferece. As peças para uma unidade personalizada de bancada com perfusão, controle de temperatura e registro geralmente custam alguns milhares de dólares, bem abaixo de uma unidade comercial única. Esta nota cobre os subsistemas que um biorreator precisa, o custo das peças e da engenharia, e quando modificar uma unidade de catálogo.
Suas células precisam sobreviver sob condições que o catálogo não vende. Um fluxo específico através de um arcabouço, uma carga mecânica em um cronograma cíclico, um nível de oxigênio mantido em um ponto definido, uma câmara moldada para se encaixar no tecido em vez do recipiente padrão do fornecedor. O biorreator de tanque agitado do folheto do fornecedor não faz nada disso, e adaptá-lo ou muda o experimento ou falha completamente.
Esta nota explica do que é feito um biorreator personalizado, quanto custa cada parte e onde fica a fronteira entre construir um e comprar um. Nós projetamos e construímos esses equipamentos, e já construímos um para cultura de tecidos, então leia a última seção como a de uma parte interessada. A engenharia das seções anteriores é a mesma, seja quem for que faça o trabalho.
O que um biorreator tem que fazer
Um biorreator mantém células vivas em um ambiente controlado e oferece uma forma de ler e mudar esse ambiente. Seis subsistemas fazem esse trabalho, e um design personalizado é um conjunto de escolhas entre os seis.
O recipiente. A câmara contém a cultura e define sua geometria. O material precisa resistir à esterilização e não liberar substâncias na cultura, o que geralmente significa vidro autoclavável, silicone de grau médico ou um polímero usinado. A geometria muitas vezes é o motivo principal de uma construção sob medida, porque um arcabouço ou um constructo de tecido raramente cabe em um frasco de fundo redondo.
Controle ambiental. A temperatura é mantida em 37 graus para células de mamíferos, e a troca gasosa define o oxigênio dissolvido e o pH por meio de uma mistura controlada de ar e dióxido de carbono. Um aquecedor, um sensor de temperatura e uma linha de gás com malha de realimentação mantêm ambos estáveis.
Transferência de massa. As células consomem nutrientes e oxigênio e produzem resíduos, então o meio precisa circular. Um tanque agitado o movimenta com um impulsor; um projeto de perfusão bombeia meio fresco pela câmara a uma vazão definida. A perfusão é o motivo mais comum pelo qual as opções de catálogo deixam de atender um laboratório, porque a vazão e o trajeto são específicos do protocolo.
Estimulação mecânica, se a ciência exigir. Trabalhos com osso, cartilagem e vasos frequentemente exigem carga: compressão, estiramento ou cisalhamento aplicados em um cronograma. Isso acrescenta um atuador, um caminho de movimento para dentro de uma câmara estéril e o controle para acioná-lo.
Sensoriamento. O conjunto mínimo útil é temperatura, oxigênio dissolvido, pH e vazão. A densidade óptica acrescenta uma leitura em tempo real do crescimento celular. Cada sensor precisa de um procedimento de calibração, porque uma leitura não calibrada publicada em uma seção de Métodos é pior do que nenhuma leitura.
Controle e dados. Um microcontrolador mantém os setpoints, executa as malhas de realimentação, aciona as bombas e os aquecedores, registra cada canal com carimbo de tempo e desliga com segurança em caso de falha. Essa é a camada de firmware, e é nela que um equipamento se torna um instrumento que você pode citar, e não um monte de peças que por acaso funcionaram uma vez.
Personalizado, catálogo modificado ou DIY
Construir nem sempre é a resposta certa, e o teste honesto leva menos de um minuto.
| Situação | Resposta certa |
|---|---|
| Um biorreator de bancada de catálogo faz o trabalho com pequenos ajustes | Compre. Adapte o protocolo. O sob medida é para quando a adaptação compromete a ciência. |
| Você precisa de uma geometria, fluxo ou carga que nenhuma unidade de catálogo oferece | Construa sob medida, com sensores e controle projetados em torno do protocolo. |
| É um projeto de treinamento e a ciência é interessante de construir | Deixe um aluno construir, mas exija documentação e calibração como entregáveis. |
| Você precisa de equipamentos validados, grau GxP, para produção regulada | Fornecedor comercial. Esse custo de validação é o produto pelo qual você está pagando. |
O que custa
As peças para um biorreator personalizado de bancada são mais baratas do que a maioria das pessoas espera. Projetos de código aberto publicados colocam números reais nisso. Um biorreator validado de carga compressiva e perfusão foi construído por cerca de $3,600 em peças. Um biorreator de perfusão reutilizável impresso em 3D para engenharia de tecidos foi construído por uma fração do custo das câmaras comerciais de perfusão, que custam vários milhares de dólares cada. Câmaras individuais de perfusão foram montadas por menos de $10 e reutilizadas. Os materiais raramente são a parte cara; a engenharia é.
Projetar o vaso, selecionar e integrar sensores, escrever o firmware de controle e validar que o sistema inteiro mantém seus setpoints sob carga é o trabalho que separa alguns milhares de dólares em peças de um instrumento funcional. Uma unidade comercial personalizada única carrega tudo isso mais os custos indiretos do fornecedor, por isso começa em cinco dígitos. Uma construção mais enxuta carrega a engenharia sem esses custos indiretos.
O que deve acompanhar o equipamento
Um biorreator sem documentação é um passivo no dia em que quem o construiu for embora. Seja qual for a encomenda, exija o CAD editável e os esquemas, o código-fonte do firmware comentado com instruções de compilação, uma lista de materiais com números de peça reais, um procedimento de esterilização, um procedimento de calibração para cada sensor e um relatório de operação detalhado o suficiente para ser citado em uma seção de Métodos. Construímos de forma aberta por convicção, então entregamos tudo isso como entregável padrão. Você pode ver o formato de uma dessas construções na nossa página do projeto de biorreator em miniatura, uma unidade modular de perfusão e estimulação mecânica construída para cultura de células.
Perguntas frequentes
Quanto custa um biorreator personalizado? As peças de uma unidade de bancada com perfusão, controle de temperatura e registro de dados costumam somar alguns milhares de dólares, e projetos open source publicados foram construídos e validados com cerca de $3,600 em materiais. A engenharia para projetar, integrar e validar o sistema é o maior custo. Um projeto único comercial sob medida começa em cinco dígitos; uma construção mais enxuta traz a engenharia sem a sobrecarga do fornecedor.
Qual é a diferença entre um biorreator e um fermentador? Ambos são recipientes que armazenam uma cultura biológica controlada. Um fermentador convencionalmente cultiva micróbios como bactérias ou leveduras, enquanto um biorreator geralmente significa cultura de mamíferos ou tecidos com controle mais rigoroso de oxigênio, pH e cisalhamento. Um fermentador é um tipo de biorreator; a palavra que você escolhe sinaliza o organismo e o controle que a cultura exige.
É possível construir um biorreator de perfusão para engenharia de tecidos? Sim, e a perfusão é um dos motivos mais comuns pelos quais os laboratórios encomendam uma construção sob medida, porque a vazão e o trajeto são específicos do arcabouço e do tecido. Um projeto de perfusão bombeia meio fresco pela câmara a uma vazão definida, e a geometria da câmara é projetada em torno do constructo, e não de um recipiente padrão.
De quais sensores um biorreator precisa? O conjunto mínimo útil é temperatura, oxigênio dissolvido, pH e vazão. A densidade óptica acrescenta uma medida em tempo real do crescimento celular, e o trabalho mecânico acrescenta a medição de carga ou deslocamento. Todo sensor precisa de um procedimento de calibração documentado para que as leituras se sustentem em uma seção de Métodos.
Onde nos encaixamos
Referências de design aberto: Perfuse and Reuse: um biorreator de perfusão impresso em 3D de baixo custo (Tissue Engineering Part C) · Um biorreator de carga compressiva e fluxo de perfusão de baixo custo (HardwareX) · JANUS: um biorreator de perfusão de código aberto imprimível em 3D (Frontiers). Relacionado: equipamentos de laboratório personalizados · nosso biorreator em miniatura.