Sviluppo del sistema di controllo e sensorizzazione di un bioreattore per la generazione di cartilagine ingegnerizzata

Introduction Monitoring and control of cell culture parameters in a bioreactor represent a challenge for the deepening of the mechanisms of a tissue development. From this perspective, a perfusion bioreactor was equipped with an automated data acquisition system for on-line, real-time and non-invasive monitoring of pH and dissolved oxygen of medium within multiple, independent chambers. Materials and Methods An automated system of two optical sensors (Fluorometrix, MA, USA) was implemented on a bioreactor. It was developed a computer-based control system, with software able to control the implementation of the bioreactor and the sensorized system using two stepper motors, and to manage the acquisition data process. Mechanical and sensoristic validation of bioreactor was conducted inside an incubator. Cellular validation was then performed, culturing and monitoring primary human chondrocytes seeded on scaffolds collagen (UltraFoam), and simulating a bacterial contamination to locate changes of investigated parameters. Results The implemented control system responds adequately to the required specifications at design time. The sensorized bioreactor is able to monitor changes in pH and dissolved oxygen during the cultivation in incubator (ΔpH =-0.4, ΔpO2 =-10% in 180 minutes approximately), also after the bacterial contamination (pH = 7.3, pO2 = 0%). The data obtained from alamarBlue and MTT essays confirm the beneficial effects of perfusion on the development of engineered tissue construct. Conclusions The sensorized bioreactor was validated as dynamic culture system. Future studies may be addressed to the estimation of cellular metabolism thanks to analysis of measured parameters at inlet and outlet of cellular construct.

Introduzione Il monitoraggio e il controllo di parametri di coltura cellulare in un bioreattore rappresentano una sfida impegnativa per l’approfondimento dei meccanismi di sviluppo di un tessuto. In quest’ottica, un bioreattore oscillante a perfusione è stato funzionalizzato con un sistema automatizzato di acquisizione dati per il monitoraggio on-line, real-time e non-invasivo di pH e ossigeno disciolto del medium all’interno di molteplici camere di coltura indipendenti. Materiali e Metodi E’ stato implementato sul bioreattore un sistema automatizzato costituito da due sensori ottici (Fluorometrix, MA, USA). E’ stato sviluppato un sistema di controllo computer-based, con software capace di controllare l’attuazione del bioreattore e del sistema sensorizzato mediante due motori stepper, e di gestire il processo di acquisizione dati. E’ stata condotta la validazione meccanica e sensoristica del bioreattore all’interno di un incubatore. E’ stata quindi eseguita la validazione cellulare del sistema coltivando e monitorando condrociti primari umani su scaffolds di collagene (UltraFoam), simulando anche una contaminazione batterica per individuare cambiamenti dei parametri indagati. Risultati Il sistema di controllo realizzato risponde adeguatamente alle specifiche richieste in fase di progettazione. Il bioreattore sensorizzato è capace di monitorare le variazioni di pH e di ossigeno disciolto durante la coltura in incubatore (ΔpH = -0.4, ΔpO2 = -10% in 180 minuti circa), anche in seguito a contaminazione batterica (pH = 7.3, pO2 = 0%). I dati ottenuti dai saggi alamarBlue e MTT test confermano gli effetti benefici della perfusione sullo sviluppo del costrutto di tessuto ingegnerizzato. Conclusioni Il bioreattore sensorizzato è stato validato come sistema di coltura dinamica. Futuri studi possono mirare alla stima del metabolismo cellulare grazie all’analisi dei parametri misurati in ingresso e in uscita dal costrutto cellulare.