在应对气候变化和推动生物医学发展的双重挑战下，MIT研究人员近日在《Science Advances》发表了一项突破性研究，开发出一种利用电化学生成气泡实现细胞表面温和分离的创新技术。这一方法不仅解决了困扰生物反应器、制药和食品工业多年的细胞粘附难题，更为碳捕获技术和细胞治疗领域带来了新的发展机遇。
细胞粘附：多行业的共同挑战
细胞粘附现象广泛存在于生物制造过程中，从碳捕获藻类生物反应器到生物制药的细胞培养，再到食品饮料生产，细胞粘附表面导致的生物膜形成严重影响了生产效率和产品质量。
在碳捕获领域，藻类生物反应器是提高二氧化碳吸收效率的关键技术。藻类在生物反应器中生长时，往往会粘附在反应器内壁上，形成生物膜，阻碍光线穿透，降低光合作用效率。"藻类粘附问题导致生物反应器每两周就需要停机清洗一次，这给运营带来了巨大挑战，"MIT机械工程教授Kripa Varanasi解释道。
在制药行业，细胞培养是生产生物药物和基因治疗产品的基础工艺。传统细胞分离方法主要依赖酶处理，但这些方法存在细胞膜损伤、耗时耗材量大、产生大量生物废液等问题。
"不同行业针对细胞粘附问题有着各自的解决方案，有些采用机械刮除，有些使用对细胞有毒的特殊涂层，但这些方法要么损伤细胞，要么增加成本，"Varanasi指出。
创新解决方案：电化学气泡分离技术
面对这一行业共性难题，MIT研究团队开发了一种基于电化学原理的细胞分离方法，通过在电极表面产生气泡，利用气泡脱离时产生的局部流体流动和剪切应力，温和地分离粘附在表面的细胞。
"我们意识到需要在不希望细胞粘附的表面产生气泡，这样当气泡脱离时，会在界面处产生局部流体流动，产生剪切应力，从而去除细胞，"Varanasi解释道。
传统电化学方法在应用于细胞分离时面临一个关键挑战：细胞培养液中含有氯化钠，在电流作用下会产生漂白剂，损害细胞活性。研究团队发现，漂白剂主要在阳极产生，于是他们设计了一种特殊的质子交换膜(PEM)，将电极系统分离，防止漂白剂生成。
研究团队构建了一个3平方英寸的玻璃表面，并沉积了超薄金电极层，这种薄层不会阻挡光线。通过集成只允许质子通过的特制膜，研究人员成功实现了在不产生漂白剂的情况下进行电化学反应。
实验验证：多场景应用效果显著
为验证这一技术的有效性，研究团队进行了多项实验。首先，他们让藻类细胞浓缩溶液粘附在表面，然后施加电压，观察气泡分离细胞的效果。实验结果显示，气泡成功将细胞从表面分离，且未对细胞造成任何损伤。
研究团队还研究了气泡与细胞之间的相互作用，发现电流密度越高，产生的气泡越多，藻类去除效果越好。他们开发了一个模型，用于预测在不同条件下去除细胞所需的电流量，并将这一模型应用于藻类细胞以及卵巢癌和骨细胞等多种细胞类型的实验。
"哺乳动物细胞比藻类细胞敏感得多，但即使是这些细胞，我们也能在不影响其活性的情况下将其分离，"研究论文共同第一作者、机械工程博士生Bert Vandereydt表示。
技术优势：通用性与可扩展性
这项电化学气泡分离技术具有显著优势：首先，它不依赖特定的生物或化学处理，而是基于物理力作用，具有系统通用性；其次，它高度可扩展，适用于多种不同过程；第三，它不使用有害化学物质，特别适合对细胞活性要求高的应用场景。
"这一技术代表了一种突破，适用于漂白剂或其他化学物质会损害细胞的场景，包括制药和食品生产领域，"Varanasi指出。"如果我们能够保持系统无污垢运行，就能大大提高经济效益。"
在制药行业，研究团队设想将该系统应用于细胞培养板，通过机器人将电极从一个培养板移动到另一个培养板，实现细胞生长过程中的适时分离。在藻类收获系统中，电极可以缠绕在收获装置周围，提高效率。
应用前景：从碳捕获到细胞治疗
这项技术的潜在应用前景广阔。在碳捕获领域，高效藻类生物反应器可以帮助企业以比树木高数百倍的效率吸收二氧化碳，为应对气候变化提供新途径。在生物制药领域，温和的细胞分离技术可以提高细胞治疗产品的产量和质量，降低生产成本。
"我们这个时代面临的紧迫问题是如何以经济可行的方式捕获二氧化碳，"Varanasi强调。"这些生物反应器可以用于这一目的，但我们必须克服细胞粘附问题。"
研究团队承认，要将这一技术规模化应用仍需大量工作，但他们相信它有朝一日能够使藻类和其他细胞收获过程更加高效。
未来发展方向与挑战
尽管这项技术展现出巨大潜力，但研究团队也指出了未来需要解决的关键问题。首先，需要进一步优化电极设计和系统配置，以提高分离效率和降低能耗。其次，需要针对不同类型的细胞和培养条件，调整电流密度和气泡生成参数，实现最佳分离效果。
此外，大规模应用还需要解决系统集成、自动化控制和成本控制等问题。研究团队计划与工业合作伙伴合作，进一步开发这一技术，推动其商业化应用。
"这项技术不仅解决了细胞粘附这一基本问题，而且提供了一种可扩展的解决方案，适用于多种工业过程，"Varanasi总结道。"它代表了生物制造领域的一个重要进步，有望为碳捕获和生物医学发展带来革命性变化。"
随着研究的深入和技术的不断完善，电化学气泡分离技术有望在不久的将来广泛应用于生物制造领域，为应对气候变化和推动生物医学进步提供强大技术支持。这一创新不仅展示了基础科学研究解决实际问题的潜力，也为可持续发展提供了新的技术路径。
电化学气泡分离系统示意图：左侧显示氢气泡和藻类去除过程；中间显示气泡处理前后藻类覆盖情况的变化；右侧显示使用不同技术处理10天后淡水和海水藻类的生长情况。
结语：跨学科创新的典范
这项研究体现了跨学科创新的力量，结合了电化学、流体力学、生物工程和材料科学等多个领域的知识，为解决工业中的实际问题提供了新思路。研究团队不仅开发了新技术，还深入理解了气泡与细胞相互作用的物理机制，为未来优化和扩展应用奠定了基础。
在应对全球挑战和推动可持续发展的背景下，这类创新研究具有重要意义。通过解决生物制造中的瓶颈问题，这项技术有望提高碳捕获效率，降低生物制药成本，最终为环境保护和人类健康带来积极影响。
