1. 研究背景及意义

动物细胞体外培养技术自建立以来，为研究细胞的形态、结构、功能及其遗传学特征，揭示细胞生长、增殖与分化等生命科学领域的基础问题发挥了重要作用[1]。随着动物细胞体外培养技术的发展及相关产业的要求，特别是随着组织工程的发展与应用，传统的实验室常规培养显然不能满足这一要求，动物细胞的工业大规模培养已被提上日程[2]。

动物细胞培养技术开始于本世纪初，1962 年，其规模开始扩大，发展至今已成为实现生物技术由实验室研究向实用化和产业化转化的关键技术；利用动物细胞培养生产具有重要医用价值的酶、生长因子、疫苗和单抗等，已成为医药生物高技术产业的重要部分[3,4]；随着基因工程技术以及细胞融合技术的进一步发展，以生物医药为代表的生物技术产品将离开实验室进入大规模的商品化生产阶段[5]。生物技术产品的大规模商品化无不涉及到细胞代谢与大规模培养研究，为了提高生产水平，获得高生产能力的细胞株外，生物反应器是重要的核心技术，因此必须提供有利于生物过程研究的高效节能的生产装置[6,7,8]。 生物体的新陈代谢必须在适宜的周围环境中才能有效进行，这个周围环境就可称之为生物反应器[9]。生物反应器是机电一体化产品，具有很高的技术含量，在生物反应器中所发生的反应是在分子水平的遗传特性、细胞水平的代谢调节和反应器工程水平的混和传递等多尺度(水平)上发生的[10, 12]，因此不能将反应器仅看作是机械加工与仪表的简单结合，而是要将生物技术成果转化产业化的桥梁。对生物反应器的深入研究，不但可使生物技术新产品的迅速投产并为形成新产业做出贡献，也有利于己有生物技术产业的技术改造，以达到增加经济收益的目的。 在动物细胞的大规模培养过程中，最根本的是使细胞的培养条件达到最优化，尽可能消除或减轻环境对细胞的影响，保持细胞的高存活率和高效表达，同时又要充分考虑细胞表达产物的后续纯化[13]。动物细胞的大规模培养需要特殊的生物反应器，动物细胞脆性大，在反应器中务必减少剪切力[14]。自 20 世纪 70 年代以来，随着全世界生物技术的爆发式发展，用于动物细胞培养的生物反应器有很大的发展，种类越来越多，主要包括机械搅拌式、转鼓式[15]、中空纤维式、笼式搅拌[16]、袋式等几种商品化的动物细胞反应器。按其培养细胞的方式不同，这些反应器可分为以下三类：①悬浮培养用反应器：如搅拌反应器（如美国NBS公司和德国GBF公司的产品）、中空纤维反应器（如美国Bioresponse和Invitron公司的产品）、陶质矩形通道蜂窝状反应器、气升式反应器（如英国Celltech公司和瑞士Chemap公司的产品）；②贴壁培养用反应器：如搅拌反应器（微载体培养）、玻璃珠床反应器、中空纤维反应器、陶质矩形通道蜂窝状反应器；③包埋培养用反应器：如流化床反应器（如美国Bellco公司的产品）、固化床反应器。

2.动物细胞培养及动物细胞培养反应器简介

动物细胞生长特性如下：①细胞生长缓慢，易污染，培养需用抗生素；②细胞无细胞壁，机械强度低，环境适应性差；③需氧少，不耐受强力通风与搅拌；④有群体生长效应，贴壁生长（锚地依赖性）；⑤培养过程中产品分布于细胞内外，分离纯化成本高；⑥原代培养细胞一般繁殖50代即退化死亡。

依据在体外培养时对生长基质的依赖性差异，动物细胞可分为两类： 一类是贴壁依赖性细胞，这类细胞必须贴附于基质表面才能生长；另一类为非贴壁依赖性细胞，这类细胞生长不需贴附在基质表面，可采用类似于微生物细胞的悬浮培养。

随着动物细胞体外培养技术的发展及相关产业的要求，特别是随着组织工程的发展与应用，传统的实验室常规培养显然不能满足这一要求。因此，动物细胞的工业大规模培养已被提上日程。动物细胞体外培养技术能否生产人类所需的具有重要价值的生物活性组织或物质并走向商业化道路， 关键之一便是能否设计出合适的生物反应器。一台生物反应器的设计必须满足以下要求：①生物因素：必须有很好的生物相容性，能很好地模拟细胞在动物体内的生长环境；②化学因素：必须提供足够的停留时间，完成所需要的转化率，整个过程符合反应动力学的要求；③传质因素：对于非均相反应，反应过程往往被反应底物的扩散速率制约，而不是反应动力学所控制，因此必须满足物质传递的要求；④传热因素：有能力除去和加入反应过程的热量，无过热点；⑤安全因素：能隔离有毒有害的反应物和产物，有优良的防污染性能；⑥操作因素：便于操作和维修。

与微生物、植物细胞不同，动物细胞是一种无细胞壁的真核细胞，生长缓慢，对培养环境十分敏感，在人工培养环境中易受损伤，这在客观上增加了动物细胞生物反应器设计的难度。作为一个理想的动物细胞生物反应器，应该能够很好地满足动物细胞高密度增殖的需要，同时也要保证动物细胞高效分泌目标产品。采用传统的生物化工技术进行动物细胞大量培养，除了要满足培养过程必需的营养要求外，有必要建立合理的控制模型，进行pH和溶氧(DO)水平的最佳控制。细胞生物反应器可通过微机有序地定量地控制加入到动物细胞培养罐内的空气、氧气、氮气和二氧化碳的流量，使其保持最佳的比例来控制细胞培养液中的pH值和溶氧水平，使系统始终处于最佳状态，以满足动物细胞的生长对pH值和溶解氧的需要。为提高或达到一定的溶氧水平，可改变通入培养罐内气体中氧气和氮气的比例来实现控制DO值的目的。采用二氧化碳/碳酸氢钠（CO2/NaHCO3）缓冲液系统来控制培养液的pH值是一种较好的方法。动物细胞的高密度增殖取决于诸多因素,包括适宜的pH、温度、溶氧度、营养物质消耗(包括葡萄糖、氨基酸、必需脂肪酸等的消耗情况)、代谢废物积累(包括乳酸、氨等的产生情况)、搅拌速率(或氧气、营养物质和代谢废物传递效率)、细胞生长空间以及抗凋亡因素等。因而，在生物反应器设计时,需要综合考虑这些参数，并兼顾到培养规模放大时简单易行。生物反应器自动化程度越高，相应配备的传感器数量也越多。在整个培养过程中，依靠各种不同的传感器，生物反应器能够在线连续监测和调整与细胞生长、分化、增殖、凋亡有关的参数，使它们始终保持最佳组合。这样才能有效地进行物质传递，使培养细胞生长。

3. 国内动物细胞培养反应器发展现状

在我国的生物医药领域中，细胞的大规模培养技术与先进国家的差距较大。滞后的一个重要原因就是缺乏配套工艺的工业化放大技术和相应的装备技术支撑[17]。例如以动物细胞的培养技术来看，西方国家已进入产业化规模的培养阶段，可用于细胞培养的生物反应器高达 l000 L 以上，相比之下，我国多数药物开发单位的细胞反应规模仍停留在 2#8212;30 L 规模，l00 L 规模的反应器都不太常见。