定制生物反应器设计，所需条件及成本
Aknazar Arysbek，创始人，生物医学工程师（塔夫茨大学硕士）。 LinkedIn ↗
当您的实验方案需要任何目录型号都无法提供的容器几何结构、流动模式或传感能力时，定制生物反应器就值得打造。一台带灌流、温控和数据记录功能的台式定制设备，零件费用通常只有几千美元，远低于商业供应商的一次性定制价格。本文介绍生物反应器需要的各个子系统、零件和工程的成本，以及什么时候应改为改装目录型号。
您的细胞需要在目录产品无法提供的条件下存活。流经支架的特定流量、按周期施加的机械负载、维持在设定值的氧含量、按组织形状而非供应商标准容器设计的腔室。供应商宣传册里的搅拌罐式生物反应器一样也做不到，强行改造的结果要么是改变了实验，要么是彻底失败。
本文说明定制生物反应器由什么组成、每个部分的成本，以及自制与购买之间的分界线在哪里。我们设计并制作这类设备，也曾为组织培养自己做过一台，所以请把最后一节当作利益相关方的观点来读。在那之前的工程内容，无论谁来做都是一样的。
生物反应器必须做什么
生物反应器让活细胞处于受控环境中，并让您能够读取和调整这个环境。六个子系统承担这些工作，而定制设计就是在这六个子系统上做出的一系列选择。
容器。 腔室盛放培养物，并决定其几何结构。材料必须经得起灭菌，且不能有物质析出到培养物中，这通常意味着可高压灭菌的玻璃、医用级硅胶或机加工聚合物。几何结构往往是定制的全部理由，因为支架或组织构建体很少能放进圆底烧瓶。
环境控制。 哺乳动物细胞的温度保持在 37 度，气体交换通过可控的空气与二氧化碳混合来设定溶解氧和 pH。加热器、温度传感器以及带反馈回路的气路，让两者都保持稳定。
传质。 细胞消耗养分和氧气并产生代谢废物，所以培养基必须流动。搅拌罐用叶轮推动培养基；灌流设计则以设定的流量把新鲜培养基泵入腔室。灌流是实验室的需求超出目录选项的常见原因，因为流量和流路都取决于具体的实验方案。
机械刺激（如果科研需要）。 骨、软骨和血管研究常常需要施加负载：按设定的时间表施加压缩、拉伸或剪切。这就需要增加一个执行器、一条通往无菌腔室的运动路径，以及驱动它的控制系统。
传感。 最基本的有用组合是温度、溶解氧、pH 和流量。光密度可以实时读取细胞生长情况。每个传感器都需要校准流程，因为发表在方法部分的未校准读数，比没有读数更糟糕。
控制与数据。 微控制器保存设定值，运行反馈回路，驱动泵和加热器，为每个通道记录带时间戳的数据，并在出现故障时安全停机。这就是固件层，也正是在这一层，一台装置变成可以在论文中引用的仪器，而不是一堆碰巧成功运行过一次的零件。
定制、改装目录产品，还是自制
自制并不总是正确答案，而诚实的判断用不了一分钟。
| 情况 | 正确答案 |
|---|---|
| 目录台式生物反应器稍加调整就能胜任 | 买它。 调整实验方案。定制是为调整会破坏科学性的情况准备的。 |
| 您需要的几何结构、流动或加载方式，任何目录型号都不提供 | 定制制作，围绕实验方案设计传感和控制。 |
| 这是一个训练项目，而且做它本身就有科学意义 | 让学生来做，但要把文档和校准作为交付物。 |
| 您需要经过验证的 GxP 级设备用于受监管的生产 | 商业供应商。 那部分验证开销，正是您付费购买的产品。 |
费用是多少
台式定制生物反应器的零件比大多数人预想的便宜。已发表的开源设计给出了真实数字。一台经过验证的压缩加载与灌流生物反应器，零件花费约 $3,600。一台用于组织工程、可重复使用的 3D 打印灌流生物反应器，成本只是商用灌流腔的一小部分，而商用灌流腔每个要数千美元。还有单个灌流腔的组装成本不到 $10，并且可以重复使用。材料很少是昂贵的部分，昂贵的是工程。
设计容器、选择并集成传感器、编写控制固件，以及验证整个系统在负载下能否维持设定值，这些工作就是几千美元零件与一台能用的仪器之间的差别。商业供应商的一次性定制包含所有这些，再加上供应商的开销，这就是它起价五位数的原因。更精简的制作只承担工程，没有那些开销。
交付时应附带什么
没有文档的生物反应器，在制作者离开的那天就成了负担。无论您委托什么，都请要求提供：可编辑的 CAD 和原理图、带注释并附编译说明的固件源代码、带真实零件编号的物料清单、灭菌流程、每个传感器的校准流程，以及详尽到可以在方法部分引用的操作说明。开放是我们的信念，所以我们把这些全部作为标准交付物交给您。您可以在我们的微型生物反应器项目页面上看到这样一个项目的样貌，那是一台为细胞培养打造的模块化灌流与机械刺激设备。
常见问题
定制生物反应器要花多少钱？带灌流、温控和数据记录的台式设备，其零部件通常只需几千美元，已公开的开源设计也有以约 $3,600 的材料成本制造并通过验证的先例。设计、集成和验证系统的工程工作才是更大的成本。商业厂商的定制单件起步就是五位数；精简的自建方案只承担工程工作，没有厂商的管理开销。
生物反应器和发酵罐有什么区别？ 两者都是盛放受控生物培养物的容器。发酵罐按惯例用于培养细菌或酵母等微生物，而生物反应器通常指对氧气、pH 和剪切力控制更严格的哺乳动物细胞或组织培养。发酵罐是生物反应器的一种；选用哪个词，反映的是所培养的生物以及培养所需的控制程度。
可以为组织工程定制灌流生物反应器吗？ 可以，灌流是实验室委托定制最常见的原因之一，因为流量和流路取决于具体的支架和组织。灌流设计以设定的速率把新鲜培养基泵入腔室，腔室几何结构围绕构建体而非标准容器来设计。
生物反应器需要哪些传感器？ 最基本的有用组合是温度、溶解氧、pH 和流量。光密度可以实时测量细胞生长，机械类研究还需要负载或位移传感。每个传感器都需要有文档的校准流程，这样读数才能经得起方法部分的推敲。
我们的定位
开放设计参考：Perfuse and Reuse：低成本 3D 打印灌流生物反应器（Tissue Engineering Part C） · 低成本压缩加载与灌流生物反应器（HardwareX） · JANUS：开源可 3D 打印的灌流生物反应器（Frontiers）。相关阅读：定制实验室设备 · 我们的微型生物反应器项目。