开发更好的生物传感器是实现组织制造规模化需要克服的障碍之一。
当研究科学家 Hsue-Chia Chang 想象成熟的智能生物制造时，他设想了一个巨大的工厂数百个反应堆容纳不同批次的骨头，旨在帮助修复癌症患者、车祸受害者和受伤士兵的身体缺陷。
不过，目前，制造骨头或任何其他人体组织的过程具有更多与工业 4.0 的智能互联工厂相比，Chang 可能会在上班途中抓起手工小批量咖啡。
圣母大学拜耳化学工程教授 Hsue-Chia Chang 创建了一种原型传感器，用于检测蛋白质改进酶联免疫吸附测定或 ELISA 的生物反应器，ELISA 是当前测量的黄金标准。由圣母大学提供
“大多数需要手工完成样品制备、提取、纯化等，”圣母大学拜耳化学工程教授 Chang 说。 “它太复杂，太需要人力，而且不适合自动化系统。”
直到几年前，他一直专注于用于诊断目的的癌症和传染病生物标志物。但是 Chang 响应了将人体组织制造推向 21 世纪比 1800 年代初期更熟悉的过程的呼吁。
在他看来，在生物反应器的传感器上工作是一项可行的任务必须克服才能获得 FDA 批准的可植入组织。
BioFabUSA，美国国防部资助的先进再生制造计划研究所 (ARMI) 已经承担了超越当前使用破坏性测试进行离线或在线监测的工作，并正在资助用于自动化在线监测的传感器工作。 BioFabUSA 两年前成立了一个社区工作组，以了解新兴的细胞和组织行业需要哪些传感器。
“为了让我们真正拥有一个严格和良好控制的过程，我们将需要深入了解该过程中发生的事情，”美国制造业创新机构 ARMI 的技术和工艺开发总监 Mary Clare McCorry 说。 “传感器是我们了解制造过程背后的方式，以便能够对其进行监控并实施适当的（过程）控制。”
到目前为止，研究人员和商业企业一直使用配方驱动的方法方法，将大部分希望与注入组织的生长因子溶液和营养素混合在预定时间反应器。他们祈祷里面的干细胞能够成熟为所需的组织。这是因为在几周到几个月后收获组织之前，无法知道细胞是否正在发生所需的分化和成熟。因此，很大一部分培养失败或存在不可接受的批次间差异。
此外，即使是专家也无法确定某个样品中存在的所有相关生物标志物干细胞生长并成熟为组织的生物反应器。如果这些潜在的纸巾制造商想要获得监管部门的批准，他们必须证明每批次的产品在安全性和有效性方面都是可靠且可靠的。
了解幕后情况是第一步 h3>
“我们想要达到的目标是，我们可以进行持续监控，进入反馈循环，我们可以推动流程并采取纠正措施 ha贯穿始终，”McCorry 说。
ARMI/BioFabUSA 的技术和工艺开发总监 Mary Clare McCorry 描述了她如何调整通常用于测量生物反应器内活生物量水平的基于电容的传感器组织和北卡罗来纳州立大学的 Binil Starly 应用该探针来测量嵌入组织基质中的细胞的活力。由 ARMI/BioFabUSA 提供
在愿望清单上是实时、自动化、低成本的在线传感器，以告知细胞在组织发育过程中发生了什么，包括谷氨酰胺和谷氨酸等代谢物的出现，脂类和蛋白质。找到用于无菌的传感器就像找到传感器的圣杯一样——并且将是确保细胞和组织产品安全的重大突破。
“对 n现在，无菌的黄金标准是 14 天的培养测试，”McCorry 说。 “而且我们的许多产品需要在一到两天内送到患者手中，所以这对我们没有任何好处。”
到目前为止，研究人员已经使用成熟的 pH 传感器，温度、溶解氧和细胞代谢生物标志物葡萄糖和乳酸。
问题的出现是因为即使传感器已经使用多年，生物材料研究人员使用单个检测器的时间比他们预期的“使用时间”长得多按”日期。旨在在培养期间连续使用的传感器通常设计或验证 7 到 14 天的持续时间而没有明显的信号漂移。然后他们需要重新校准。一些组织的生长需要两周以上，有些长达两个月。
超出使用期限的另一个问题是用于大型搅拌罐生物反应器的可用传感器的外形尺寸。细胞和组织制造ng 有许多不同的生物反应器形状因素，传感器需要符合这些因素。
为了帮助填补蛋白质检测的空白，Chang 的实验室正在研究阴离子交换膜传感器。佐治亚理工学院的项目包括可用于多点检测的薄膜弹性体，以更全面地了解生物反应器中发生的情况，以及用于实时原位检测的 3D 打印胶囊。
软传感器匹配自然流体运动
W.佐治亚理工学院的 Hong Yeo 团队开发了一种带有集成无线电路的一次性薄膜弹性体传感器。一个连接到细胞培养袋的原型，设计得非常低调，同时连接到任何生物反应器的壁上。用于多点检测，它可以更完整地描述内部情况。
佐治亚理工学院机械工程副教授兼佐治亚理工学院人机界面与工程中心主任 W. Hong Yeo 开发了一种一次性薄膜带有集成无线电路的弹性体传感器，连接到细胞培养袋。该传感器被设计为低调安装在任何生物反应器的壁上，具有多个检测点，可以更全面地了解内部情况。由佐治亚理工大学提供“我们将一次性电池袋作为目标，因为它可以轻松集成我们的传感器，同时避免任何污染问题，”机械工程副教授兼佐治亚理工学院以人为本的界面和工程中心主任 Yeo 说。我们的传感器超薄，外形尺寸非常小。我们的重点是使系统小型化，然后以所有传感器都可以改变的方式改变机械结构s 和电子设备非常柔软，因此不会中断细胞袋中的自然流体运动。”
该团队正在测试一种电化学传感器，该传感器设计用于测量 pH 值、溶解氧、葡萄糖和温度。他们已经收到传感器必须工作数周的反馈。 Yeo 说：“我们收到的意见是，监控其他值会更好，因此我们正在努力整合这一点。” “他们还想测量其他各种类型的生物标志物——微生物、支原体、病毒、内毒素 [都是为了无菌] 和其他。”
Yeo 描述的这种类型的进步可以应用于在线，实时无菌检测。
用于实时原位监测的胶囊
在佐治亚理工学院的另一个实验室，Billyde Brown 和他的团队制作了一个无线传感器系统，其中包含三个主要组件：多路复用、微加工传感器芯片、数据采集和d 无线收发器电子设备，以及 3D 打印、生物兼容、可灭菌和防水的包装。
“我们正在开发这种传感器胶囊，用于实时、现场监测关键质量属性组织生长生物反应器，”佐治亚理工学院制造研究所高级研究人员兼教育和劳动力发展主任布朗说。传感器芯片必须通过密封开口暴露于生物反应器中的溶液。包装可以保护电子设备，但也可以防止培养基受到污染。
Brown 说，他和他的团队正在研究的传感器用于检测 pH 值、葡萄糖、乳酸、白细胞介素 (IL) 6、IL 8 和血管内皮生长因子 (VEGF) α。和 Chang 一样，他之前的工作也包括癌症，但他的工作是使用免疫疗法的最新疗法。
到目前为止，该传感器已成功检测 pH 值和葡萄糖 14 天，损失可忽略不计Brown 说，在那段时间的灵敏度。
鉴于其能够在阵列中集成大量传感器，该系统更加灵活。 Brown 说，可以添加一个微型 GPS，以提供有关系统在大型生物反应器中的工作位置的信息。此外，胶囊可以适应不同的浮力大小，以帮助将它们定位在反应器中的不同点，从而准确指示内容物的均匀性。
改进测量的黄金标准
在圣母大学，Chang 和他的同事制作了一个原型传感器，该传感器由带正电的聚苯乙烯-二乙烯基苯颗粒制成，并由聚乙烯粘合剂和聚酰胺或聚酯纤维支撑，这种材料也用于海水淡化和废水处理。
阴离子交换聚合物膜材料带高电荷，可消除蛋白质污染。此外，膜可以改为带负电荷的聚磺酸盐阳离子交换膜，具体取决于取决于用户想要检测哪种蛋白质。
“这些离子选择性膜的独特之处在于，如果施加电场，则只有正离子或负离子可以通过，”Chang 说。 “大自然想要保持电中性，所以如果你失去抗衡离子（与膜的电荷相反），由于净损失，你也会大大降低膜表面附近的离子强度。”
如果只有阳离子进入，阴离子会移走以保持中性。因此，两种离子的浓度在一侧的膜附近都会降低。“结果是一个非常薄的离子耗尽层，最多 1 微米，”Chang 说。 “几乎所有的电压降都发生在这个缺离子区。因此，如果表面上有任何带电分子，您可以将它们捡起来，因为带电分子会带来一些移动离子，并且因为您之前已经耗尽了所有离子，所以如果您添加 ju加入几个离子，它会显着改变电导。”
Chang 的膜传感器在性能上可与当前的金标准酶联免疫吸附测定法或 ELISA 相媲美。然而，它的优越性在于它无需重新校准、无需样品制备、速度更快（1 小时比 7 小时）并且成本更低。
使用 Brown 开发的传感器，Chang , Yeo 和其他人，细胞和组织开发人员将更好地了解他们的过程，并可以自信地转向规模化生产，将手工加工委托给当地的咖啡店。
新型传感器有望彻底改变生物制药、细胞和组织制造
Rohit Sharma 和 Prashant Tathireddy 辞去了他们的大学工作，创办了一家初创公司并追求更大的回报。
他们的在线多分析生物传感器可以帮助彻底改变手工、手动生物-制造过程。目前的做法包括测试生物反应器样本在不同的时间点离线，而里面的复杂分子每秒都在变化。
有超过 8,000 种生物制药和 1,000 多种细胞和基因治疗候选药物正在筹备中，对更好的生物传感器的需求及其所能承受的可能性是巨大的。
“他们拥有有可能彻底改变癌症或免疫系统疾病的治疗方法，”盐湖城 Applied Biosensors LLC 公司的首席运营官 Sharma 说。 “虽然这个机会很好，但生物制造行业面临着许多挑战。”
他们的一次性智能探针使用磁力计和经过调整以检测特定分析物的微型新型聚合物。单个探针有五种不同类型的聚合物粘附在永磁体上。每块尺寸为 1.5 × 1.5 毫米的聚合物在检测到目标分析物的浓度变化时会发生体积变化。变化被磁力计拾取ter.
“每当聚合物的体积因分析物浓度的变化而增加或减少时，磁铁也会上下移动，”Sharma 说。
A读取器捕获变化，并在智能算法的支持下，将体积变化与分析物浓度变化相关联。
“与此同时，您正在从一个过程中收集大量数据，可以帮助您开发强大的预测模型，使 AI/ML 最终能够加速研发并提高一批产品的产量，”Sharma 说。
Sharma 说，该探针克服了以前可用传感器的两个局限性。它可以用高压灭菌器和伽马辐射进行灭菌，而可用的传感器仅限于高压灭菌器灭菌。而且它的使用时间比以前的探针长得多，以前的探针的“使用期限”为 7 天或 14 天。
“这将是世界上第一个在线、多分析传感器探头能够连续监测葡萄糖、乳酸、渗透压和 pH 值，”他说。 “在内部，我们已经对传感器进行了 60 天的测试，没有发现任何性能下降。”
Applied Biosensors 的技术正在制药公司进行原型测试，并计划于第三季度投入商业使用2022 年。
