基于微流體的桌面生物反應器生產(chǎn)效率為傳統(tǒng)生物反應器七十倍

生物反應器

“用鉛筆繪圖需要一筆筆畫出每一個線條，直至圖形完成。而印章只要印一次，想要的圖形就出現(xiàn)了?！?/p>

生物制造是可持續(xù)獲取材料的最有效方式，通過生物制造生產(chǎn)疫苗或者其他藥物對于滿足社會的治療需求和遏制健康威脅更是至關(guān)重要。

然而，開發(fā)生物產(chǎn)品的意愿與市場上現(xiàn)有工具的能力之間并不能完全匹配。目前，生物質(zhì)生產(chǎn)方法效率低下，若要真正實現(xiàn)使用替代資源來生產(chǎn)人類需要的生物質(zhì)，生產(chǎn)生物質(zhì)的裝機容量應增加至少數(shù)百倍。

通過不斷升級工藝研發(fā)與生物制造的技術(shù)平臺，能夠極大縮短生物工藝研發(fā)和生產(chǎn)的周期，優(yōu)化生物制造過程。實現(xiàn)快速研發(fā)的核心設(shè)備是新型生物反應器。

生物反應器是指任何提供生物化學反應的適當環(huán)境或工程設(shè)備。通常是指利用酶或生物體使裝置具有模擬生物的功能，可在細胞外進行生化反應，在模擬的過程中既可進行有氧反應也能進行無氧反應。在組織工程、生化工程、醫(yī)藥生產(chǎn)等應用上是相當重要的裝置。

目前，應用3D打印設(shè)計復雜的生物反應器成為升級生物制造平臺的有效手段之一。

在學術(shù)界，麻省理工學院和印度馬德拉斯理工學院的研究團隊利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建了一個可重復使用且易于調(diào)整的“微流控生物反應器”；克里特大學的研究人員通過3D打印獲得用于DNA復制目的的生物反應器；康奈爾大學的研究人員則通過3D打印了一個能夠制造合成腸子的微觀生物反應器。

產(chǎn)業(yè)界則稍顯平緩。近日，一家阿根廷生物技術(shù)公司St?mm Biotech剛剛完成了1700萬美元的A輪融資，并宣布該資金將用于開發(fā)其下一代3D打印生物反應器，為商業(yè)化做準備。

即插即用的桌面生物反應器

傳統(tǒng)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)使用巨大的消毒罐作為生物反應器，罐內(nèi)裝有培養(yǎng)基，用來培養(yǎng)某種類型的細胞或微生物。生產(chǎn)過程中，需要使用電動儀器進行攪拌，使用冷卻劑保持所需溫度，并提供適量的氧氣以支持細胞培養(yǎng)物生長。

2014年，Yuyo Llamazares Vegh和Federico D’Alvia Vegh聯(lián)合創(chuàng)立了St?mm Biotech，一直以來，公司的愿景是使生物制造變得簡單、可擴展和可重復。兩位創(chuàng)始人均畢業(yè)于阿根廷頂尖學府，擁有包括微生物學、合成生物學、納米技術(shù)和微流體等多學科背景。

隨著現(xiàn)代生物制造產(chǎn)業(yè)的加速形成與擴展，一個大規(guī)模的生物制造產(chǎn)業(yè)即將到來。生產(chǎn)效率低下是生物技術(shù)行業(yè)中“擴大規(guī)模”的主要限制，也是St?mm Biotech想要解決的問題。

所謂“工欲善其事，必先利其器”，基于以上原因，St?mm Biotech著手開發(fā)基于微流體的桌面生物反應器。

生物反應器

St?mm計劃將整個生物反應器縮小為一體化、即插即用的桌面單元。該生物反應器由三個微流控設(shè)備組成，包括Cell line-on-a-chip、Bioreactor-on-achip和The Bubble-Free-Bioreactor。

Cell line-on-a-chip提供持續(xù)的可用細胞流來啟動反應過程；Bioreactor-ona-chip可以在線實時校準培養(yǎng)基、pH值、溶解氧和細胞密度等參數(shù)；The Bubble-Free-Bioreactor是一個用多孔生物材料打印的無氣泡微生物反應器。

其中，無氣泡微生物反應器需要具備多個微通道，這些微通道使細胞處于連續(xù)的、單向的、層狀的流動狀態(tài)，可以讓細胞、培養(yǎng)基和氣體之間完美混合，始終處于最佳狀態(tài)，不斷繁殖。

具備多個微通道的無氣泡微生物反應器工藝復雜，需要借助3D打印技術(shù)進行制造，然而市場上暫無匹配的生產(chǎn)設(shè)備。綜合考慮需求和自我研發(fā)能力后，St?mm Biotech決定自己動手研發(fā)并成功推出3D打印機Sclereid。

3D打印獲得的無氣泡微生物反應器示例

Sclereid 3D打印機采用專有的“磚印技術(shù)”，利用了同時打印數(shù)百萬個點的優(yōu)勢，兼具激光打印機的精度和多功能性。Sclereid配備了29升的打印量，能夠每秒打印5.9億個大小為6微米的像素，每層的像素數(shù)高達9.83億。能夠在不影響精度尺寸的情況下提供大的表面區(qū)域。

同時，St?mm還開發(fā)了與Sclereid 3D打印機相匹配的設(shè)計軟件C?ster。

C?ster使能夠?qū)ι锓磻髦写笠?guī)模的微血管系統(tǒng)進行可視化、設(shè)計和渲染，然后生成圖像（幾乎任何分辨率的），將信息發(fā)送至Sclereid 3D打印機可以進行實時打印，或建立一個圖像庫以便以后打印。公司表示，C?ster可以模擬出一個總?cè)莘e為1600萬升的微血管系統(tǒng)，相當于生物制藥的全部裝機容量。

有了Sclereid 3D打印機，公司能夠根據(jù)培養(yǎng)活細胞或其成分（例如細菌、酶）不同“即插即用”打印所需的生物反應器。這樣一來，桌面生物反應器制作完成。

據(jù)公司官網(wǎng)顯示，與傳統(tǒng)生物反應器相比，它的外型縮小了200倍，處理量在100倍～400倍之間，生產(chǎn)效率將達到傳統(tǒng)生物反應器的70倍。該平臺將實現(xiàn)哺乳動物細胞的連續(xù)和自主生產(chǎn)。

但是目前與大多數(shù)大型生物反應器相比，它的運行規(guī)模仍然較小。St?mm的生物反應器可以達到約30升的產(chǎn)量，而不是工業(yè)規(guī)模上常見的數(shù)千升。不過，公司確實聲稱其核心概念可以擴展到大約5000升。

盡管該技術(shù)具有潛力，但St?mm仍處于商業(yè)化的早期階段。St?mm Biotech已經(jīng)完成了用于微細加工、細胞系開發(fā)、生物工藝優(yōu)化和中試規(guī)模認證的生物設(shè)施搭建，在此次融資的支持下，將繼續(xù)開發(fā)一站式解決方案，使抗體和細胞療法的生物制藥管道從發(fā)現(xiàn)到商業(yè)化成為可能。

目前它正在與一家專注于生產(chǎn)生物仿制藥的歐洲生物制藥公司合作，并表示它有五個潛在的新合作伙伴正在籌備中。該公司計劃在2022年進入“試點規(guī)?！?。

基于合成生物學的3D打印技術(shù)

3D打印可能是時下先進制造技術(shù)中最熱門的話題。最開始，3D打印主要應用于工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中制作產(chǎn)品原型，包括生活用品、飾品、服飾、武器，甚至是建筑，但近兩年它在許多其它領(lǐng)域取得進展。

業(yè)內(nèi)人士表示，3D打印和合成生物學的結(jié)合是一種可持續(xù)的策略，可以制造以預編程方式運行的生物對象和系統(tǒng)。許多微生物已被基因工程改造為細胞工廠，用于使用發(fā)酵進行化學物質(zhì)的生物合成，而使用這些細胞對活體材料進行3D打印可能會導致生物制造的新范式。

2021年8月，Humane Genomics宣布將基于合成生物學開發(fā)能夠精確靶向癌細胞的病毒。不是編輯，而是可以從“零”開始設(shè)計病毒。

公司首席執(zhí)行官表示：“我們可以根據(jù)計算機設(shè)計的A、G、C、T堿基信息，進行3D打印或合成DNA片段?！?/p>

使用CRISPR基因編輯來工程化自然產(chǎn)生的病毒可能需要數(shù)周和數(shù)千美元，與CRISPR工程化病毒的方法不同，這一創(chuàng)新平臺可以在一周內(nèi)制造出新的病毒，成本只需要幾百美元。該公司正在開發(fā)其第一個溶瘤病毒療法，用于骨癌、肝癌、小細胞肺癌和膠質(zhì)母細胞瘤。

2021年11月發(fā)表在《自然·通訊》期刊上的一篇研究中，美國東北大學合成生物學家、論文作者奈爾·喬希表示，與混凝土或塑料澆筑的結(jié)構(gòu)不同，理想狀態(tài)下，由微生物墨水打印的結(jié)構(gòu)能適應環(huán)境因素并能再生。這種墨水可能會被用作一種自我再生的物質(zhì)，以幫助在其他行星以及地球上建造居所。

這種微生物墨水完全由經(jīng)過基因改造的大腸桿菌產(chǎn)生。從細菌培養(yǎng)物中生長出的墨水，也是由活的細菌細胞組成，收集到的墨水像明膠一樣堅固，可以接入3D打印機并打印成活的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)不會進一步生長會保持被打印的樣子。目前，相關(guān)材料還在開發(fā)中。