細胞培養微載體：不同材料的優缺點及應用指南
時間：2025.03.14
在前篇綜述中，我們已對微載體的基礎知識架構進行了系統性梳理，并對其分類進行了初步闡釋。微載體作為細胞培養領域的一項關鍵技術創新，憑借其卓越的三維支撐特性，為細胞的黏附、生長與增殖提供了理想的微環境，顯著提升了細胞培養的效率與質量。然而，微載體的種類繁多，不同材料的微載體在物理與化學特性上存在顯著差異，這些特性直接決定了其在特定應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成的微載體，深入剖析其獨特的性能表現，并對其優缺點進行全面評估，希望可以為大家選擇適宜的微載體提供科學依據與支持。
一、葡萄糖微載體
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胞的培養需求
優點：
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液中能夠培養出更多的細胞，提高細胞產率。
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，對細胞和生物體的毒性較低，一般不會引起免疫反應或其他不良生理反應，有利于細胞的黏附、生長和增殖，廣泛應用于藥物遞送、細胞培養和組織修復等領域。
3. 化學修飾性強：葡聚糖分子上含有豐富的羥基等活性基團，可以通過化學方法進行修飾，引入各種功能基團，如靶向基團、藥物結合位點、親水性或疏水性基團等，從而實現對微載體的功能化定制，滿足不同的應用需求，例如提高藥物的負載量、實現靶向給藥、增強細胞的黏附能力等。
優點：
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液中能夠培養出更多的細胞，提高細胞產率。
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，對細胞和生物體的毒性較低，一般不會引起免疫反應或其他不良生理反應，有利于細胞的黏附、生長和增殖，廣泛應用于藥物遞送、細胞培養和組織修復等領域。
3. 化學修飾性強：葡聚糖分子上含有豐富的羥基等活性基團，可以通過化學方法進行修飾，引入各種功能基團，如靶向基團、藥物結合位點、親水性或疏水性基團等，從而實現對微載體的功能化定制，滿足不同的應用需求，例如提高藥物的負載量、實現靶向給藥、增強細胞的黏附能力等。
缺點：
1. 分離困難：以葡聚糖為基質的微載體溶脹后與生物反應器內壁具有較強的黏附性，進行大規模微載體細胞培養后，不易將細胞從微載體上有效地消化分離，難以實現細胞高效高產回收。
2. 增加生產成本和工藝復雜性：目前一般采用胰酶消化進行分離，在小規模培養階段也可使用葡聚糖酶降解微載體，給細胞回收帶來較大浪費，也給工藝放大帶來一些技術障礙，增加了生產成本和工藝的復雜性。
3. 某些環境中的穩定性問題：在一些極端的條件下，如強酸、強堿、高溫或高鹽濃度等環境中，葡聚糖基質微載體可能會發生結構的改變、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境中的應用。
1. 分離困難：以葡聚糖為基質的微載體溶脹后與生物反應器內壁具有較強的黏附性，進行大規模微載體細胞培養后，不易將細胞從微載體上有效地消化分離，難以實現細胞高效高產回收。
2. 增加生產成本和工藝復雜性：目前一般采用胰酶消化進行分離，在小規模培養階段也可使用葡聚糖酶降解微載體，給細胞回收帶來較大浪費，也給工藝放大帶來一些技術障礙，增加了生產成本和工藝的復雜性。
3. 某些環境中的穩定性問題：在一些極端的條件下，如強酸、強堿、高溫或高鹽濃度等環境中，葡聚糖基質微載體可能會發生結構的改變、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境中的應用。
二、明膠微載體
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胞和懸浮培養細胞，如人骨髓間充質干細胞等。
優點：
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。明膠基質微載體以交聯明膠蛋白為基質,。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。較大的比表面積能滿足哺乳動物細胞的大規模培養,對于貼壁依賴型細胞和懸浮培養細胞均有較好的承載效果。
2. 生物可降解性：在生物體內或特定的環境中，明膠可以逐漸降解，其降解產物通常是一些無毒的氨基酸等小分子物質，能夠被生物體代謝和吸收，不會在體內長期殘留，減少了對機體的潛在危害，這使得明膠類微載體在藥物緩釋和組織工程等領域具有很大的優勢。
優點：
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。明膠基質微載體以交聯明膠蛋白為基質,。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。較大的比表面積能滿足哺乳動物細胞的大規模培養,對于貼壁依賴型細胞和懸浮培養細胞均有較好的承載效果。
2. 生物可降解性：在生物體內或特定的環境中，明膠可以逐漸降解，其降解產物通常是一些無毒的氨基酸等小分子物質，能夠被生物體代謝和吸收，不會在體內長期殘留，減少了對機體的潛在危害，這使得明膠類微載體在藥物緩釋和組織工程等領域具有很大的優勢。
3. 多孔結構：明膠基質的大孔球狀微載體具有多孔性特點，增加了培養表面積，可為細胞提供更多的黏附位點和生長空間，并且可以使細胞在載體內部獲得相對穩定的生長環境，減少外界因素對細胞的影響。
缺點：
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胞培養造成不良影響。如果明膠的來源動物種類或提取工藝不當，可能攜帶病毒、細菌或其他微生物污染物，從而引發免疫反應，導致細胞的免疫激活或產生炎癥反應，影響細胞的正常生長和功能，尤其在一些對免疫反應敏感的細胞培養或體內應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，這會影響細胞培養的重復性和結果的一致性。
3. 成本問題：動物源性的明膠微載體通常價格較高，這可能會增加細胞培養的成本。
缺點：
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胞培養造成不良影響。如果明膠的來源動物種類或提取工藝不當，可能攜帶病毒、細菌或其他微生物污染物，從而引發免疫反應，導致細胞的免疫激活或產生炎癥反應，影響細胞的正常生長和功能，尤其在一些對免疫反應敏感的細胞培養或體內應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，這會影響細胞培養的重復性和結果的一致性。
3. 成本問題：動物源性的明膠微載體通常價格較高，這可能會增加細胞培養的成本。
三、纖維素微載體
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，適合貼壁依賴型細胞，也適合懸浮培養細胞。主要應用于通過培養 CHO、BHK、NSO 和雜交瘤細胞生產重組產品和單克隆抗體。
優點：
1. 無毒且可生物降解：纖維素基質微載體由 100%纖維素組成，對細胞無毒，可生物降解。
2. 多微孔結構：由交聯纖維素構成，呈多微孔結構，硬度高，細胞在接種后容易進入微載體內部，在增加細胞培養表面積的同時，減少剪切力對細胞的機械損傷。
優點：
1. 無毒且可生物降解：纖維素基質微載體由 100%纖維素組成，對細胞無毒，可生物降解。
2. 多微孔結構：由交聯纖維素構成，呈多微孔結構，硬度高，細胞在接種后容易進入微載體內部，在增加細胞培養表面積的同時，減少剪切力對細胞的機械損傷。
3. 高密度細胞培養：由于細胞在微載體內受到很好的保護，可以增加通氣和攪拌速度，使用更高濃度的載體，進行高密度培養。
缺點：
1. 在線監測和分析困難：由于細胞大多生長在孔內，不利于直接對細胞進行在線監測和分析。
2. 細胞收獲困難：細胞在孔內生長，也增加了細胞收獲的難度。
缺點：
1. 在線監測和分析困難：由于細胞大多生長在孔內，不利于直接對細胞進行在線監測和分析。
2. 細胞收獲困難：細胞在孔內生長，也增加了細胞收獲的難度。
四、聚苯乙烯微載體
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 CHO 細胞應用較多，也可用于培養貼壁和半貼壁細胞。
優點：
1. 透明度高：聚苯乙烯具有良好的光學透明性，便于在顯微鏡下觀察細胞在微載體表面的生長情況，監控細胞的生長狀態。
優點：
1. 透明度高：聚苯乙烯具有良好的光學透明性，便于在顯微鏡下觀察細胞在微載體表面的生長情況，監控細胞的生長狀態。
2. 不吸附血清：聚苯乙烯微載體不吸附血清，這有助于收獲細胞的特殊代謝產物，同時減少了對培養液中營養成分的攝取，使得培養基的利用率提高。
3. 可重復使用：經過適當的處理，聚苯乙烯微載體可以重復使用，這降低了細胞培養的成本。
4. 表面性質可調節：通過化學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，也可以改變表面性質，如電荷分布、親疏水性、粗糙度等，以滿足不同細胞類型對基質表面的特異性要求，增強細胞的黏附、增殖和分化效果。
缺點：
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，對細胞的長期生長和功能維持可能產生一定的影響，在一些對生物相容性要求極高的細胞培養應用中可能受到限制。
2. 細胞黏附性相對較弱：聚苯乙烯本身具有一定的疏水性，對于一些細胞類型，其黏附性可能不足，需要對微載體表面進行復雜的改性或預處理，增加了實驗操作的復雜性和成本。
3. 可重復使用：經過適當的處理，聚苯乙烯微載體可以重復使用，這降低了細胞培養的成本。
4. 表面性質可調節：通過化學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，也可以改變表面性質，如電荷分布、親疏水性、粗糙度等，以滿足不同細胞類型對基質表面的特異性要求，增強細胞的黏附、增殖和分化效果。
缺點：
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，對細胞的長期生長和功能維持可能產生一定的影響，在一些對生物相容性要求極高的細胞培養應用中可能受到限制。
2. 細胞黏附性相對較弱：聚苯乙烯本身具有一定的疏水性，對于一些細胞類型，其黏附性可能不足，需要對微載體表面進行復雜的改性或預處理，增加了實驗操作的復雜性和成本。
3. 不適合原代細胞培養：由于，聚苯乙烯微載體可能不適合用于原代細胞的培養。
4. 細胞損傷風險：在培養過程中，由于貼壁速度慢和微載體的剛性結構和攪拌產生的碰撞，可能會導致細胞受到損傷。
4. 細胞損傷風險：在培養過程中，由于貼壁速度慢和微載體的剛性結構和攪拌產生的碰撞，可能會導致細胞受到損傷。
五、聚酯纖維微載體
聚酯纖維微載體是用于哺乳動物細胞貼壁培養的載體。
優點：
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. 良好的化學穩定性：聚酯纖維具有優異的耐酸堿性和耐熱性，在細胞培養的常見環境中，如不同的 pH 值、溫度和培養基成分條件下，能保持其化學結構和性能的穩定，不易發生降解、變形或與培養基中的成分發生化學反應，從而為細胞培養提供一個穩定的物理支撐和化學環境。
3. 三維網狀結構：聚酯纖維微載體一般呈菱形或片狀扇葉型，一些具有三維網狀空間立體結構，可為細胞提供更大的生長空間和更多的黏附位點。
優點：
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. 良好的化學穩定性：聚酯纖維具有優異的耐酸堿性和耐熱性，在細胞培養的常見環境中，如不同的 pH 值、溫度和培養基成分條件下，能保持其化學結構和性能的穩定，不易發生降解、變形或與培養基中的成分發生化學反應，從而為細胞培養提供一個穩定的物理支撐和化學環境。
3. 三維網狀結構：聚酯纖維微載體一般呈菱形或片狀扇葉型，一些具有三維網狀空間立體結構，可為細胞提供更大的生長空間和更多的黏附位點。
4. 減少剪切力影響：由于其多層張力結構，攪拌剪切力和通氣產生的氣泡對細胞生長不產生影響，細胞生長類似于轉瓶的靜止狀態，可保證培養基和細胞充分接觸。
缺點：
1. 黏附性不足：聚酯纖維本身的疏水性較強，表面能低，不具備細胞識別位點，可能影響細胞的黏附及生長。在培養后期，細胞也可能會從聚酯纖維基質微載體上脫落下來，影響細胞的收獲效率和純度。
2. 實時監測困難：在培養過程中無法實時監測細胞生長狀態，且細胞位于纖維微結構深處，可能導致營養物質和氧氣供應不充分，細胞生長不均勻。
3. 分離困難：聚酯纖維基質微載體與細胞之間的分離可能比較困難，特別是在細胞聚團現象嚴重時，會增加細胞收獲的復雜度和勞動強度。
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特性，能夠支持不同類型細胞的貼壁和生長。
綜上所述，不同類型微載體的特性決定了其在細胞培養領域的多樣化應用前景。在選擇微載體時，我們需要綜合考慮細胞類型、培養條件、成本以及最終應用需求等因素。未來我們期待通過跨學科的協同合作，進一步突破現有技術瓶頸，開發出更高效、安全、更具成本效益的微載體，推動細胞治療、組織工程和生物制藥等領域的持續進步。
缺點：
1. 黏附性不足：聚酯纖維本身的疏水性較強，表面能低，不具備細胞識別位點，可能影響細胞的黏附及生長。在培養后期，細胞也可能會從聚酯纖維基質微載體上脫落下來，影響細胞的收獲效率和純度。
2. 實時監測困難：在培養過程中無法實時監測細胞生長狀態，且細胞位于纖維微結構深處，可能導致營養物質和氧氣供應不充分，細胞生長不均勻。
3. 分離困難：聚酯纖維基質微載體與細胞之間的分離可能比較困難，特別是在細胞聚團現象嚴重時，會增加細胞收獲的復雜度和勞動強度。
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特性，能夠支持不同類型細胞的貼壁和生長。
綜上所述，不同類型微載體的特性決定了其在細胞培養領域的多樣化應用前景。在選擇微載體時，我們需要綜合考慮細胞類型、培養條件、成本以及最終應用需求等因素。未來我們期待通過跨學科的協同合作，進一步突破現有技術瓶頸，開發出更高效、安全、更具成本效益的微載體，推動細胞治療、組織工程和生物制藥等領域的持續進步。