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在前篇綜述中，我們已對微載體的基礎(chǔ)知識架構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理，并對其分類進(jìn)行了初步闡釋。微載體作為細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，憑借其卓越的三維支撐特性，為細(xì)胞的黏附、生長與增殖提供了理想的微環(huán)境，顯著提升了細(xì)胞培養(yǎng)的效率與質(zhì)量。然而，微載體的種類繁多，不同材料的微載體在物理與化學(xué)特性上存在顯著差異，這些特性直接決定了其在特定應(yīng)用場景中的適用性與局限性。本文將聚焦于各類不同材料構(gòu)成的微載體，深入剖析其獨(dú)特的性能表現(xiàn)，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行全面評估，希望可以為大家選擇適宜的微載體提供科學(xué)依據(jù)與支持。
 

葡聚糖微載體憑借其天然的生物高分子特性，幾乎能夠滿足所有能在體外貼壁的動物細(xì)胞的培養(yǎng)需求
優(yōu)點(diǎn)：
1. 比表面積大：此類微載體具有極大比表面積，使得單位體積的培養(yǎng)液中能夠培養(yǎng)出更多的細(xì)胞，提高細(xì)胞產(chǎn)率。
2. 良好的生物相容性：葡聚糖是一種天然生物高分子，由葡萄糖單體通過糖苷鍵連接而成，具有良好的生物相容性，對細(xì)胞和生物體的毒性較低，一般不會引起免疫反應(yīng)或其他不良生理反應(yīng)，有利于細(xì)胞的黏附、生長和增殖，廣泛應(yīng)用于藥物遞送、細(xì)胞培養(yǎng)和組織修復(fù)等領(lǐng)域。
3. 化學(xué)修飾性強(qiáng)：葡聚糖分子上含有豐富的羥基等活性基團(tuán)，可以通過化學(xué)方法進(jìn)行修飾，引入各種功能基團(tuán)，如靶向基團(tuán)、藥物結(jié)合位點(diǎn)、親水性或疏水性基團(tuán)等，從而實(shí)現(xiàn)對微載體的功能化定制，滿足不同的應(yīng)用需求，例如提高藥物的負(fù)載量、實(shí)現(xiàn)靶向給藥、增強(qiáng)細(xì)胞的黏附能力等。

 

缺點(diǎn)：
1. 分離困難：以葡聚糖為基質(zhì)的微載體溶脹后與生物反應(yīng)器內(nèi)壁具有較強(qiáng)的黏附性，進(jìn)行大規(guī)模微載體細(xì)胞培養(yǎng)后，不易將細(xì)胞從微載體上有效地消化分離，難以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞高效高產(chǎn)回收。
2. 增加生產(chǎn)成本和工藝復(fù)雜性：目前一般采用胰酶消化進(jìn)行分離，在小規(guī)模培養(yǎng)階段也可使用葡聚糖酶降解微載體，給細(xì)胞回收帶來較大浪費(fèi)，也給工藝放大帶來一些技術(shù)障礙，增加了生產(chǎn)成本和工藝的復(fù)雜性。
3. 某些環(huán)境中的穩(wěn)定性問題：在一些極端的條件下，如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫或高鹽濃度等環(huán)境中，葡聚糖基質(zhì)微載體可能會發(fā)生結(jié)構(gòu)的改變、降解速度的變化或功能的喪失等，從而限制了其在某些特殊環(huán)境中的應(yīng)用。
 

與葡聚糖微載體不同，明膠微載體主要適用于貼壁依賴型細(xì)胞和懸浮培養(yǎng)細(xì)胞，如人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞等。
優(yōu)點(diǎn)：
1. 生物相容性：明膠是一種生物相容性好的材料，主要為豬源性明膠或牛源性，對人體幾乎無毒性。明膠基質(zhì)微載體以交聯(lián)明膠蛋白為基質(zhì),。明膠具有生物相容性、多微孔、非剛性、無毒性、活性好、易降解、可回收的特點(diǎn)。較大的比表面積能滿足哺乳動物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng),對于貼壁依賴型細(xì)胞和懸浮培養(yǎng)細(xì)胞均有較好的承載效果。
2. 生物可降解性：在生物體內(nèi)或特定的環(huán)境中，明膠可以逐漸降解，其降解產(chǎn)物通常是一些無毒的氨基酸等小分子物質(zhì)，能夠被生物體代謝和吸收，不會在體內(nèi)長期殘留，減少了對機(jī)體的潛在危害，這使得明膠類微載體在藥物緩釋和組織工程等領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢。

3. 多孔結(jié)構(gòu)：明膠基質(zhì)的大孔球狀微載體具有多孔性特點(diǎn)，增加了培養(yǎng)表面積，可為細(xì)胞提供更多的黏附位點(diǎn)和生長空間，并且可以使細(xì)胞在載體內(nèi)部獲得相對穩(wěn)定的生長環(huán)境，減少外界因素對細(xì)胞的影響。
缺點(diǎn)：
1. 外源成分：動物源性的明膠微載體這些污染物可能會對細(xì)胞培養(yǎng)造成不良影響。如果明膠的來源動物種類或提取工藝不當(dāng)，可能攜帶病毒、細(xì)菌或其他微生物污染物，從而引發(fā)免疫反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞的免疫激活或產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，影響細(xì)胞的正常生長和功能，尤其在一些對免疫反應(yīng)敏感的細(xì)胞培養(yǎng)或體內(nèi)應(yīng)用場景中需要特別注意。
2. 批次差異：由于動物源性明膠的來源和提取方法的不同，以及制備過程中的一些因素影響，可能具有批次間的不一致性，這會影響細(xì)胞培養(yǎng)的重復(fù)性和結(jié)果的一致性。
3. 成本問題：動物源性的明膠微載體通常價(jià)格較高，這可能會增加細(xì)胞培養(yǎng)的成本。
 

與上述兩種動物源性微載體相比，纖維素微載體則完全由100%纖維素組成，適合貼壁依賴型細(xì)胞，也適合懸浮培養(yǎng)細(xì)胞。主要應(yīng)用于通過培養(yǎng) CHO、BHK、NSO 和雜交瘤細(xì)胞生產(chǎn)重組產(chǎn)品和單克隆抗體。
優(yōu)點(diǎn)：
1. 無毒且可生物降解：纖維素基質(zhì)微載體由 100%纖維素組成，對細(xì)胞無毒，可生物降解。
2. 多微孔結(jié)構(gòu)：由交聯(lián)纖維素構(gòu)成，呈多微孔結(jié)構(gòu)，硬度高，細(xì)胞在接種后容易進(jìn)入微載體內(nèi)部，在增加細(xì)胞培養(yǎng)表面積的同時(shí)，減少剪切力對細(xì)胞的機(jī)械損傷。
 

 

3. 高密度細(xì)胞培養(yǎng)：由于細(xì)胞在微載體內(nèi)受到很好的保護(hù)，可以增加通氣和攪拌速度，使用更高濃度的載體，進(jìn)行高密度培養(yǎng)。
缺點(diǎn)：
1. 在線監(jiān)測和分析困難：由于細(xì)胞大多生長在孔內(nèi)，不利于直接對細(xì)胞進(jìn)行在線監(jiān)測和分析。
2. 細(xì)胞收獲困難：細(xì)胞在孔內(nèi)生長，也增加了細(xì)胞收獲的難度。
 

聚苯乙烯微載體不同于天然材料微載體，在流化床灌注培養(yǎng) CHO 細(xì)胞應(yīng)用較多，也可用于培養(yǎng)貼壁和半貼壁細(xì)胞。
優(yōu)點(diǎn)：
1. 透明度高：聚苯乙烯具有良好的光學(xué)透明性，便于在顯微鏡下觀察細(xì)胞在微載體表面的生長情況，監(jiān)控細(xì)胞的生長狀態(tài)。

2. 不吸附血清：聚苯乙烯微載體不吸附血清，這有助于收獲細(xì)胞的特殊代謝產(chǎn)物，同時(shí)減少了對培養(yǎng)液中營養(yǎng)成分的攝取，使得培養(yǎng)基的利用率提高。
3. 可重復(fù)使用：經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚?，聚苯乙烯微載體可以重復(fù)使用，這降低了細(xì)胞培養(yǎng)的成本。
4. 表面性質(zhì)可調(diào)節(jié)：通過化學(xué)或物理方式得到聚合物微球，表面覆蓋一些蛋白涂層或功能基團(tuán)，也可以改變表面性質(zhì)，如電荷分布、親疏水性、粗糙度等，以滿足不同細(xì)胞類型對基質(zhì)表面的特異性要求，增強(qiáng)細(xì)胞的黏附、增殖和分化效果。
缺點(diǎn)：
1. 生物相容性有限：聚苯乙烯是一種合成聚合物，可能缺乏一些生物活性分子和信號，對細(xì)胞的長期生長和功能維持可能產(chǎn)生一定的影響，在一些對生物相容性要求極高的細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用中可能受到限制。
2. 細(xì)胞黏附性相對較弱：聚苯乙烯本身具有一定的疏水性，對于一些細(xì)胞類型，其黏附性可能不足，需要對微載體表面進(jìn)行復(fù)雜的改性或預(yù)處理，增加了實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性和成本。

3. 不適合原代細(xì)胞培養(yǎng)：由于，聚苯乙烯微載體可能不適合用于原代細(xì)胞的培養(yǎng)。
4. 細(xì)胞損傷風(fēng)險(xiǎn)：在培養(yǎng)過程中，由于貼壁速度慢和微載體的剛性結(jié)構(gòu)和攪拌產(chǎn)生的碰撞，可能會導(dǎo)致細(xì)胞受到損傷。
 

聚酯纖維微載體是用于哺乳動物細(xì)胞貼壁培養(yǎng)的載體。
優(yōu)點(diǎn)：
1. 無動物源性成分：聚酯纖維微載體無動物源性成分，生物安全性高。
2. 良好的化學(xué)穩(wěn)定性：聚酯纖維具有優(yōu)異的耐酸堿性和耐熱性，在細(xì)胞培養(yǎng)的常見環(huán)境中，如不同的 pH 值、溫度和培養(yǎng)基成分條件下，能保持其化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定，不易發(fā)生降解、變形或與培養(yǎng)基中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而為細(xì)胞培養(yǎng)提供一個(gè)穩(wěn)定的物理支撐和化學(xué)環(huán)境。
3. 三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)：聚酯纖維微載體一般呈菱形或片狀扇葉型，一些具有三維網(wǎng)狀空間立體結(jié)構(gòu)，可為細(xì)胞提供更大的生長空間和更多的黏附位點(diǎn)。

 

4. 減少剪切力影響：由于其多層張力結(jié)構(gòu)，攪拌剪切力和通氣產(chǎn)生的氣泡對細(xì)胞生長不產(chǎn)生影響，細(xì)胞生長類似于轉(zhuǎn)瓶的靜止?fàn)顟B(tài)，可保證培養(yǎng)基和細(xì)胞充分接觸。
缺點(diǎn)：
1. 黏附性不足：聚酯纖維本身的疏水性較強(qiáng)，表面能低，不具備細(xì)胞識別位點(diǎn)，可能影響細(xì)胞的黏附及生長。在培養(yǎng)后期，細(xì)胞也可能會從聚酯纖維基質(zhì)微載體上脫落下來，影響細(xì)胞的收獲效率和純度。
2. 實(shí)時(shí)監(jiān)測困難：在培養(yǎng)過程中無法實(shí)時(shí)監(jiān)測細(xì)胞生長狀態(tài)，且細(xì)胞位于纖維微結(jié)構(gòu)深處，可能導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣供應(yīng)不充分，細(xì)胞生長不均勻。
3. 分離困難：聚酯纖維基質(zhì)微載體與細(xì)胞之間的分離可能比較困難，特別是在細(xì)胞聚團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，會增加細(xì)胞收獲的復(fù)雜度和勞動強(qiáng)度。
還有聚氨酯泡沫微載體、藻酸鹽凝膠微載體、磁性微載體等，這些微載體因其不同的物理和化學(xué)特性，能夠支持不同類型細(xì)胞的貼壁和生長。
 
綜上所述，不同類型微載體的特性決定了其在細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域的多樣化應(yīng)用前景。在選擇微載體時(shí)，我們需要綜合考慮細(xì)胞類型、培養(yǎng)條件、成本以及最終應(yīng)用需求等因素。未來我們期待通過跨學(xué)科的協(xié)同合作，進(jìn)一步突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，開發(fā)出更高效、安全、更具成本效益的微載體，推動細(xì)胞治療、組織工程和生物制藥等領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)步。