基于Lattice-Boltzmann隐式大涡模拟的125 mL摇瓶干细胞培养流体应力表征研究

为解决干细胞培养过程中对流体剪切应力敏感导致的规模化生产难题，研究人员采用Lattice-Boltzmann隐式大涡模拟(LB-ILES)技术，系统分析了125 mL摇瓶中不同振荡频率(55-250 rpm)下的流体动力学特征。研究首次验证了LB-ILES方法在摇瓶模拟中的适用性，发现平均剪切应力从0.01 Pa升至0.24 Pa，Kolmogorov长度尺度从185 μm降至51 μm，为干细胞培养的规模放大提供了重要理论依据。

　　

干细胞疗法为帕金森病、多发性硬化等疾病带来了新的治疗希望，但规模化生产面临巨大挑战。诱导多能干细胞(iPSC)对流体剪切应力异常敏感，在生物反应器放大过程中容易因流体力学环境改变而影响细胞活性和分化。更棘手的是，大规模培养试验成本高昂，亟需建立可靠的实验室小规模模型来预测生产规模的流体应力条件。

针对这一难题，研究人员创新性地采用Lattice-Boltzmann隐式大涡模拟(LB-ILES)方法，对常用于早期工艺开发的125 mL摇瓶进行流体动力学表征。研究首先通过250 mL摇瓶的模拟数据与实验测量结果对比，验证了LB-ILES方法的可靠性。随后重点分析了不同振荡频率(55-250 rpm)下125 mL摇瓶内的流体力学特征，发现平均剪切应力随转速增加呈线性升高，从0.01 Pa增至0.24 Pa；而表征最小湍流涡尺度的Kolmogorov长度尺度则从185 μm降至51 μm。

研究采用了多项关键技术：1)基于GPU加速的Lattice-Boltzmann隐式大涡模拟(LB-ILES)方法；2)保守相场(CPH)和累积碰撞模型(CM)相结合的多相流模拟；3)轨道振荡加速度模型；4)基于应变率张量的剪切应力计算；5)Kolmogorov长度尺度评估。

在"LB-LES模型验证"部分，研究通过与250 mL摇瓶的实验数据对比，证实LB-ILES方法能准确预测能量耗散率，平均偏差仅10.8%。但同时也发现该方法在低粘度流体模拟中存在网格依赖性，需谨慎选择时空分辨率。

"125 mL摇瓶流体应力表征"结果显示，振荡频率超过100 rpm时，剪切应力分布呈现双峰特征，这与液体在摇瓶壁的滚动运动相关。值得注意的是，在250 rpm时最大剪切应力可达5.72 Pa，与3 L生物反应器相当，表明小摇瓶可模拟大设备的流体应力条件。

关于"Kolmogorov长度尺度"的分析发现，虽然传统经验认为当涡旋尺度小于聚集体2/3时会产生损伤，但实验证实EB在模拟预测的"损伤条件"下仍能良好生长，提示该经验法则需要针对干细胞特性进行修正。

这项发表于《Biochemical Engineering Journal》的研究具有多重意义：首次将LB-ILES应用于摇瓶模拟，为干细胞培养工艺开发提供了可靠的流体力学分析工具；建立了摇瓶操作参数与流体应力特征的定量关系，有助于设计更精准的缩小模型；挑战了传统关于湍流损伤的经验法则，推动了对干细胞流体力学响应的深入理解。该研究为干细胞治疗的产业化进程提供了重要的理论基础和技术支持。