AT528477A1

AT528477A1 - Microcarriers for the cultivation and/or expansion of cells

Info

Publication number: AT528477A1
Application number: ATA50566/2024A
Authority: AT
Inventors: Ovsianikov Dr Aleksandr; Chalupa-Gantner Dipl -Ing Franziska
Original assignee: Technische Univ Wien
Priority date: 2024-07-09
Filing date: 2024-07-09
Publication date: 2026-01-15
Also published as: WO2026011199A1

Abstract

Mikroträger (1) zur Kultivierung und/oder Expansion von Zellen (Z) in einem Bioreaktor, umfassend eine zumindest teilweise fluiddurchlässige äußere Hülle (2) und ein inneres Volu- men (3) zur Aufnahme der Zellen (Z), dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Hülle (2) eine geometrische Form aufweist, deren Strömungswiderstand in einer Raumrichtung ein Mini- mum aufweist, und in einem, in dieser Raumrichtung gesehenen, vorderen Bereich der äuße- ren Hülle (2) ein Minimum ihrer Fluiddurchlässigkeit aufweist.Microcarrier (1) for the cultivation and/or expansion of cells (Z) in a bioreactor, comprising an at least partially fluid-permeable outer shell (2) and an inner volume (3) for receiving the cells (Z), characterized in that the outer shell (2) has a geometric shape whose flow resistance has a minimum in one spatial direction, and has a minimum fluid permeability in a front region of the outer shell (2) seen in this spatial direction.

Description

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Description

MIKROTRÄGER ZUR KULTIVIERUNG UND/ODER EXPANSION VON ZELLEN Microcarriers for cell cultivation and/or expansion

[0001] Die Erfindung betrifft einen Mikroträger zur Kultivierung und/oder Expansion von Zellen in einem Bioreaktor, umfassend eine zumindest teilweise fluiddurchlässige äußere Hülle und ein inneres Volumen zur Aufnahme der Zellen. [0001] The invention relates to a microcarrier for the cultivation and/or expansion of cells in a bioreactor, comprising an at least partially fluid-permeable outer shell and an inner volume for receiving the cells.

[0002] Die Erfindung betrifft des Weiteren ein System zur Kultivierung und/oder Expansion von Zellen umfassend einen Bioreaktor und zumindest einen Mikroträger, und ein Verfahren zur Kultivierung und/oder Expansion von Zellen. [0002] The invention further relates to a system for cultivating and/or expanding cells comprising a bioreactor and at least one microcarrier, and a method for cultivating and/or expanding cells.

[0003] Als Bioreaktor wird auf dem Gebiet der Biotechnologie ein Behälter bezeichnet, in dem Mikroorganismen, Zellen oder kleine Pflanzen unter möglichst optimalen Bedingungen kultiviert werden. Ein Bioreaktor macht somit biologische Prozesse in einer technischen Einrichtung nutzbar. [0003] In the field of biotechnology, a bioreactor is a container in which microorganisms, cells, or small plants are cultivated under optimal conditions. A bioreactor thus makes biological processes usable in a technical setting.

[0004] Bioreaktoren werden in der Regel mit einem Nährmedium gefüllt, in welches zu kultivierende Zellen eingebracht werden. Um die Zellen mit einer konstanten Nährstoff- und Sauerstoffzufuhr zu versorgen ist es notwendig, den Inhalt des Behälters während des Betriebs konstant oder periodisch mit neuen Nährstoffen zu versorgen, Sauerstoff einzubringen, und/oder den Behälterinhalt durchzurühren. Hierdurch entstehen Strömungskräfte, welche auf die zu kultivierenden Zellen im Bioreaktor wirken. Diese können dazu führen, dass die Zellen beschädigt, zusätzlichem Stress ausgesetzt und/oder an ihrem Wachstum gehindert werden. [0004] Bioreactors are generally filled with a nutrient medium into which cells to be cultivated are introduced. To provide the cells with a constant supply of nutrients and oxygen, it is necessary to constantly or periodically replenish the contents of the container with new nutrients, introduce oxygen, and/or stir the contents of the container during operation. This creates flow forces that act on the cells to be cultivated in the bioreactor. These forces can damage the cells, subject them to additional stress, and/or inhibit their growth.

[0005] Die Kultivierung von Säugetierzellen in großem Maßstab ist für die Zelltherapie und die Herstellung vieler therapeutische Proteinmedikamenten unerlässlich. Da die meisten Säugetierzelltypen adhärent wachsen, ist die Kombination aus Mikroträger und Bioreaktor eine gängige Wahl für die Züchtung von Säugetierzellen in großem Maßstab. Um eine zuvor beschriebene Beschädigung durch mechanische Einflüsse auf die Zellen während der Kultivierung in dem Bioreaktor zu verringern sind im Stand der Technik verschiedene Mikroträger für Zellkulturen bekannt. Diese stellen eine äußere Hülle um ein inneres Volumen bereit, in welchem die Zellen aufgenommen werden können. Die Mikroträger können zudem geöffnet werden, um die Entnahme der Zellen zu ermöglichen. [0005] The large-scale cultivation of mammalian cells is essential for cell therapy and the production of many therapeutic protein drugs. Since most mammalian cell types grow adherently, the combination of a microcarrier and a bioreactor is a common choice for the large-scale cultivation of mammalian cells. To reduce previously described damage to the cells caused by mechanical influences during cultivation in the bioreactor, various microcarriers for cell cultures are known in the prior art. These provide an outer shell around an inner volume in which the cells can be accommodated. The microcarriers can also be opened to allow for cell removal.

[0006] Mikroträger müssen jedoch, um eine gute Nährstoffversorgung der in diesen aufgenommenen Zellen zu gewährleisten eine gewisse Fluiddurchlässigkeit aufweisen. Wird das Fluid in einem Bioreaktor in Strömung versetzt, wirken somit trotz dem Schutz durch die äußere Hülle der Mikroträger unvermeidbar gewisse Strömungskräfte auf die in dem inneren Volumen der Mikroträgern aufgenommenen Zellen. Zudem werden die Mikroträger selbst hierdurch zusätzlichen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Dies kann zu einer Beschädigung der Mikroträger selbst, und zu einer Beschädigung der in den Mikroträgern aufgenommenen Zellen führen. [0006] However, in order to ensure a good supply of nutrients to the cells contained within them, microcarriers must exhibit a certain fluid permeability. When the fluid in a bioreactor is set in motion, certain flow forces inevitably act on the cells contained within the inner volume of the microcarriers, despite the protection afforded by the outer shell of the microcarriers. Furthermore, the microcarriers themselves are subjected to additional mechanical stress. This can lead to damage to the microcarriers themselves and to damage to the cells contained within them.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. [0007] The invention is based on the objective of avoiding these disadvantages of the prior art.

[0008] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Bereitstellung eines Mikroträgers zur Kultivierung und/oder Expansion von Zellen in einem Bioreaktor gelöst, umfassend eine zumindest teilweise fluiddurchlässige äußere Hülle und ein inneres Volumen zur Aufnahme der Zellen. Die äußere Hülle des erfindungsgemäßen Mikroträgers weist eine geometrische Form auf, deren Strömungswiderstand in einer Raumrichtung ein Minimum aufweist, und in einem, in dieser Raumrichtung gesehenen, vorderen Bereich der äußeren Hülle zudem ein Minimum ihrer Fluiddurchlässigkeit aufweist. Hierdurch richten sich die Mikroträger im Bioreaktor in Strömungsrichtung aus, wobei gleichzeitig der Inhalt des inneren Volumens, und somit die Zellen nicht direkt der Fluidströmung ausgesetzt werden. Hierdurch verringern sich die Scherkräfte, welche im Bioreaktor auf die Zellen im Mikroträger wirken. [0008] According to the invention, the problem is solved by providing a microcarrier for the cultivation and/or expansion of cells in a bioreactor, comprising an at least partially fluid-permeable outer shell and an inner volume for receiving the cells. The outer shell of the microcarrier according to the invention has a geometric shape whose flow resistance is minimal in one spatial direction and, in a front region of the outer shell viewed in this spatial direction, also has a minimum fluid permeability. This causes the microcarriers in the bioreactor to align themselves in the direction of flow, while simultaneously preventing the contents of the inner volume, and thus the cells, from being directly exposed to the fluid flow. This reduces the shear forces acting on the cells in the microcarrier within the bioreactor.

[0009] Das innere Volumen des erfindungsgemäßen Mikroträgers ist vorzugsweise im Wesentlichen vollständig oder vollständig durch die äußere Hülle umgeben. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Inhalt des inneren Volumens aus allen Raumrichtrungen vor Scherkräften ge-[0009] The inner volume of the microcarrier according to the invention is preferably substantially completely or entirely surrounded by the outer shell. This achieves the advantage that the contents of the inner volume are protected from shear forces from all spatial directions.

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schützt ist, welche beispielsweise durch turbulente Fluidströmungen generiert werden können. It protects against, for example, turbulent fluid flows.

[0010] Gemäß der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroträgers weist der Strömungswiderstand der äußeren Hülle in einer Raumrichtung ein Minimum auf, und in einem, in dieser Raumrichtung gesehenen, vorderen Bereich der äußeren Hülle weist die äußere Hülle das absolute Minimum ihrer Fluiddurchlässigkeit auf. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass in diesem vorderen Bereich der äußeren Hülle die äußere Hülle ihre geringste Fluiddurchlässigkeit aufweist. Da sich der erfindungsgemäße Mikroträger in der Strömungsrichtung ausrichtet ist der vordere Bereich der äußeren Hülle den größten Scherkräften ausgesetzt. Durch die geringste Fluiddurchlässigkeit der äußeren Hülle in dem genannten vorderen Bereich wird der Inhalt des inneren Volumens vor diesen Scherkräften geschützt. [0010] According to the preferred embodiment of the microcarrier according to the invention, the flow resistance of the outer shell is minimal in one spatial direction, and in a forward region of the outer shell viewed in this spatial direction, the outer shell exhibits its absolute minimum fluid permeability. This achieves the advantage that the outer shell has its lowest fluid permeability in this forward region. Since the microcarrier according to the invention aligns itself in the flow direction, the forward region of the outer shell is exposed to the greatest shear forces. Due to the lowest fluid permeability of the outer shell in the aforementioned forward region, the contents of the inner volume are protected from these shear forces.

[0011] Vorzugsweise bildet die äußere Hülle zumindest ein Strömungsleitelement aus, und/oder der Mikroträger umfasst ein mit der äußeren Hülle verbundenes Strömungsleitelement. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Mikroträger präzise in der Fluidströmung ausgerichtet werden kann. [0011] Preferably, the outer shell forms at least one flow-guiding element, and/or the microcarrier comprises a flow-guiding element connected to the outer shell. This achieves the advantage that the microcarrier can be precisely aligned in the fluid flow.

[0012] Gemäß der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroträgers ist zudem an dem vorderen Bereich der äußeren Hülle ein Schutzschild vorgesehen. Hierdurch wird eine zusätzlicher Schutzmechanismus gegen mechanische Belastungen und Kollisionen mit anderen Mikroträgern und/oder den Wänden des Bioreaktors bereitgestellt. [0012] According to the preferred embodiment of the microcarrier according to the invention, a protective shield is also provided on the front region of the outer shell. This provides an additional protective mechanism against mechanical stresses and collisions with other microcarriers and/or the walls of the bioreactor.

[0013] Die äußere Hülle ist zudem vorzugsweise zumindest teilweise aus hydrolytisch, enzymatisch, thermisch und/oder durch Licht abbaubaren Material gefertigt. Hierdurch wird eine einfache Möglichkeit bereitgestellt den erfindungsgemäßen Mikroträger zur Entnahme der kultivierten Zellen zu öffnen. Vorzugsweise ist das abbaubare Material ein Polymer, vorzugsweise ein PhotopoIymer. Alternativ kann als Polymer auch ein thermoresponsives Polymer gewählt werden. Dies ermöglicht den zielgerichteten Abbau des Materials durch Lichteinfluss oder Temperaturveränderungen. [0013] The outer shell is also preferably made at least partially of a hydrolytically, enzymatically, thermally, and/or light-degradable material. This provides a simple way to open the microcarrier according to the invention for the removal of the cultured cells. Preferably, the degradable material is a polymer, preferably a photopolymer. Alternatively, a thermoresponsive polymer can also be selected. This enables the targeted degradation of the material by exposure to light or temperature changes.

[0014] Geeignete Polymere zur additiven Herstellung des erfindungsgemäßen Mikroträgers bzw. dessen äußerer Hülle, Strömungsleitelement, Schutzschild, Schwächungspunkte und/oder Abstandshalter können beispielsweise auf Basis von Polylactid (PLA), Polystyrene (PS), Polyamid (PA), oder Polycarbonat (PC) umfassen oder daraus bestehen. Besonders bevorzugte Polymere auf der Basis hydrolytisch/enzymatisch abbaubarer Bausteine. Beispiele hierfür sind Polylactid (PLA), Polyhydroxyalkanoate (PHA), Polycaprolacton (PCL), poly(trimethylene-carbonate) (PTMC) und Poly(3-hydroxybutyrat) (PHB) bzw. modifizierte Varianten davon, beispielsweise Acrylatund/oder Methacrylat-funktionalisiert (siehe Arslan A et al. Materials Today, 44(2021): 25-39; Weisgrab G. et al. Biofabrication 12(2020):045036). Enzyme die in der Lage sind Polymere abzubauen, sind der Fachperson geläufig. Ein durch Licht, insbesondere Sonnenlicht, abbaubares Polymer umfasst vorzugsweise mindestens einen photospaltbaren Linker wie o-Nitrobenzyl (Liu T et al. Progress in Polymer Science 146(2023): 101741; Lunzer M et al. 130 (2018): 1534215347),. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von thermoresponsiven Polymeren (z.B. poly(N-isopropylacrylamide)) die je nach Temperatur hydrophobe oder hydrophile Eigenschaften aufweisen. Durch eine Änderung der Umgebungstemperatur können die Oberflächeneigenschaften der erfindungsgemäßen Mikroträger verändert werden, um beispielsweise darin befindliche Zellen freizusetzen. Durch die Verwendung derartiger Materialien wäre es auch möglich die Mikroträger wiederzuverwenden/recyclen. [0014] Suitable polymers for the additive manufacturing of the microcarrier according to the invention, or its outer shell, flow guide element, protective shield, weakening points, and/or spacers, can, for example, be based on or consist of polylactic acid (PLA), polystyrene (PS), polyamide (PA), or polycarbonate (PC). Particularly preferred polymers are those based on hydrolytically/enzymatically degradable building blocks. Examples include polylactic acid (PLA), polyhydroxyalkanoates (PHA), polycaprolactone (PCL), poly(trimethylene carbonate) (PTMC), and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB), or modified versions thereof, for example, acrylate- and/or methacrylate-functionalized (see Arslan A et al. Materials Today, 44(2021): 25-39; Weisgrab G. et al. Biofabrication 12(2020): 045036). Enzymes capable of degrading polymers are familiar to those skilled in the art. A polymer that is degradable by light, particularly sunlight, preferably comprises at least one photocleavable linker such as o-nitrobenzyl (Liu T et al. Progress in Polymer Science 146(2023): 101741; Lunzer M et al. 130 (2018): 1534215347). Another possibility is the use of thermoresponsive polymers (e.g., poly(N-isopropylacrylamide)) that exhibit hydrophobic or hydrophilic properties depending on the temperature. By changing the ambient temperature, the surface properties of the microcarriers according to the invention can be altered, for example, to release cells contained therein. The use of such materials would also make it possible to reuse/recycle the microcarriers.

[0015] Die äußere Hülle weist zudem vorzugsweise eine Reihe an Schwächungspunkten (d.h. mindestens einen Schwächungspunkt) auf. Hierdurch werden spezifische Positionen definiert, an welchen sich die äußere Hülle auflösen kann, um die darin enthaltenen Zellen zu entnehmen. Die Reihe an Schwächungspunkten bildet gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroträgers eine Schwächungslinie aus. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Mikroträger beispielsweise in zwei klar definierte Teile zerlegt werden kann, um die darin enthaltenen Zellen zu entnehmen. Die äußere Hülle kann an den Schwächungspunkten wiederum aus hydrolytisch, enzymatisch und/oder durch Licht abbaubarem Material gefertigt sein, wodurch eine einfache und rasche Möglichkeit bereitgestellt wird, um den Mikroträger zu zerle-[0015] The outer shell preferably also has a series of weakening points (i.e., at least one weakening point). This defines specific positions at which the outer shell can be disassembled to extract the cells contained therein. According to a preferred embodiment of the microcarrier according to the invention, the series of weakening points forms a weakening line. This offers the advantage that the microcarrier can, for example, be disassembled into two clearly defined parts to extract the cells contained therein. The outer shell can again be made of hydrolytically, enzymatically, and/or light-degradable material at the weakening points, thus providing a simple and quick way to disassemble the microcarrier.

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gen. Das abbaubare Material an der Reihe an Schwächungspunkten kann beispielsweise als Polymer, vorzugsweise als Photopolymer, ausgeführt sein. gen. The degradable material at the series of weakening points can, for example, be designed as a polymer, preferably as a photopolymer.

[0016] Die äußere Hülle kann gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mikroträgers zudem aus einem einzigen Material gefertigt sein. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass eine einfache, kostengünstige und rasche Produktion des erfindungsgemäßen Mikroträgers ermöglicht wird. [0016] According to one embodiment of the microcarrier according to the invention, the outer shell can also be made of a single material. This offers the advantage of enabling simple, cost-effective, and rapid production of the microcarrier according to the invention.

[0017] Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante kann die äußere Hülle aus zumindest zwei verschiedenen Materialien gefertigt sein, wobei sich vorzugsweise das Material an den Schwächungspunkten von dem Material der verbleibenden äußeren Hülle unterscheidet. Hierdurch kann an den Schwächungspunkten ein Material gewählt werden, welches sich beispielsweise schneller auflöst oder weniger mechanisch widerstandfähig ist als das Material der verbleibenden äußeren Hülle. Zudem kann die äußere Hülle an den Schwächungspunkten auch eine geringere Dicke und/oder ein geringeres Volumen als außerhalb der Schwächungspunkte aufweisen. [0017] According to an alternative embodiment, the outer shell can be made of at least two different materials, wherein the material at the weakening points preferably differs from the material of the remaining outer shell. This allows a material to be selected at the weakening points that, for example, deteriorates more quickly or is less mechanically resistant than the material of the remaining outer shell. In addition, the outer shell can also have a smaller thickness and/or a smaller volume at the weakening points than outside the weakening points.

[0018] Gemäß der bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mikroträgers ist die äußere Hülle porös. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass eine optimale Durchlässigkeit für Sauerstoffe und Nährstoffe zur Versorgung der Zellen im inneren Volumen erreicht wird. [0018] According to the preferred embodiment of the microcarrier according to the invention, the outer shell is porous. This achieves the advantage of optimal permeability for oxygen and nutrients to supply the cells in the inner volume.

[0019] Vorzugsweise umfasst die äußere Hülle mindestens eine Öffnung in einer Größe von 10 bis 100 um, vorzugsweise von 10 bis 70 um, noch mehr bevorzugt 10 bis 30 um auf. Vorzugsweise weist die äußere Hülle einen maximalen Außendurchmesser von 200 um bis 500 um auf. Zudem weist die äußere Hülle vorzugsweise eine durchschnittliche Dicke von 3 um bis 50 um, vorzugsweise 35 um auf. Diese Abmessungen haben sich als vorteilhaft für die Züchtung von Säugetierzellen erwiesen. [0019] Preferably, the outer shell comprises at least one opening with a size of 10 to 100 µm, preferably 10 to 70 µm, and even more preferably 10 to 30 µm. Preferably, the outer shell has a maximum outer diameter of 200 µm to 500 µm. Furthermore, the outer shell preferably has an average thickness of 3 µm to 50 µm, preferably 35 µm. These dimensions have proven advantageous for the cultivation of mammalian cells.

[0020] Gemäß der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroträgers ist die äußere Hülle und gegebenenfalls das bzw. die mit dieser gegebenenfalls verbundenen Strömungsleitelemente mittels eines additiven Fertigungsverfahrens (d.h. eines 3D Druckverfahrens) hergestellt oder herstellbar. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass die Abmessungen und Parameter des erfindungsgemäßen Mikroträgers spezifisch für konkrete Anwendungen ausgewählt werden können. Die äußere Hülle und gegebenenfalls das bzw. die mit dieser gegebenenfalls verbundenen Strömungsleitelemente sind gemäß einer Ausführungsvariante mittels additiver Fertigung und/oder lithographiebasierter Fertigung hergestellt oder herstellbar. Bevorzugte lithographiebasierte Fertigungsverfahren umfassen Multi-Photonen Lithographieverfahren, insbesondere Zwei-Photonen Lithographieverfahren. Alternativ können die äußere Hülle und gegebenenfalls das bzw. die mit dieser gegebenenfalls verbundenen Strömungsleitelemente mittels eines Gussverfahrens, eines Injektionsverfahrens oder mittels Softlithographie hergestellt werden. Diese Verfahren ermöglichen es zudem, die Oberfläche des erfindungsgemäß en Mikroträgers zu modifizieren, so dass diese eine definierte Topographie aufweist oder definierte mechanische Funktionen ausüben kann. Dies kann dazu führen, dass Zellen oder sonstige chemische Verbindungen, wie z.B. Proteine, besser am Mikroträger anhaften oder im gegenteiligen Fall die Oberfläche der Mikroträger sogar eine geringere Oberflächenhaftung aufweist. Die topografische Funktionalisierung von Mikroträgern kann auch dazu dienen, das Adhäsionsverhalten und somit das Wachstum von Zellen in ihrer Umgebung zu beeinflussen. [0020] According to the preferred embodiment of the microcarrier according to the invention, the outer shell and optionally the flow-guiding elements (or elements) optionally connected to it are manufactured or can be manufactured using an additive manufacturing process (i.e., a 3D printing process). This offers the advantage that the dimensions and parameters of the microcarrier according to the invention can be selected specifically for particular applications. According to one embodiment, the outer shell and optionally the flow-guiding elements (or elements) optionally connected to it are manufactured or can be manufactured using additive manufacturing and/or lithography-based manufacturing. Preferred lithography-based manufacturing processes include multi-photon lithography processes, in particular two-photon lithography processes. Alternatively, the outer shell and optionally the flow-guiding elements (or elements) optionally connected to it can be manufactured using a casting process, an injection molding process, or soft lithography. These processes also make it possible to modify the surface of the microcarrier according to the invention so that it has a defined topography or can perform defined mechanical functions. This can lead to cells or other chemical compounds, such as proteins, adhering better to the microsupport, or conversely, to the surface of the microsupport exhibiting reduced adhesion. The topographic functionalization of microsupports can also be used to influence the adhesion behavior and thus the growth of cells in their environment.

[0021] Durch Modifikation von Oberflächen kann die Interaktionen zwischen Zellen und dem erfindungsgemäßen Mikroträger beeinflusst werden. Eine der wichtigsten Funktionen der chemischen Modifikation von Oberflächen besteht darin, die Bindung von Zellen an das Mikroträgermaterial zu verbessern oder zu verhindern. Durch die gezielte Anpassung der Oberflächenchemie können Adhäsionsproteine oder Liganden präsentiert werden, die spezifisch an Zelloberflächenrezeptoren binden. Dadurch können Zellen gezielt an das Material des Mikroträgers gebunden werden. Auf der anderen Seite können durch die chemische Modifikation von Oberflächen auch unerwünschte Zelladhäsionen verhindert werden. Durch die Präsentation von Antifouling-Schichten können beispielsweise unerwünschte Zelltypen oder Proteine daran gehindert werden, an das Material des Mikroträgers zu binden. Ein weiterer wichtiger Aspekt der chemischen Modifikation von Oberflächen ist die Steuerung der Zellproliferation und Differenzierung. Durch die Prä-[0021] By modifying surfaces, the interactions between cells and the microcarrier according to the invention can be influenced. One of the most important functions of chemically modifying surfaces is to improve or prevent the binding of cells to the microcarrier material. By specifically adjusting the surface chemistry, adhesion proteins or ligands can be presented that bind specifically to cell surface receptors. This allows cells to be selectively bound to the microcarrier material. On the other hand, undesired cell adhesions can also be prevented by chemically modifying surfaces. For example, by presenting antifouling layers, undesired cell types or proteins can be prevented from binding to the microcarrier material. Another important aspect of chemically modifying surfaces is the control of cell proliferation and differentiation. By pre-

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sentation spezifischer Moleküle oder Peptide auf der Oberfläche können zelluläre Signale moduliert werden, die das Zellverhalten beeinflussen. Dies ermöglicht es, die Zellproliferation oder Differenzierung in einem gewünschten Maß zu regulieren. The presence of specific molecules or peptides on the cell surface can modulate cellular signals that influence cell behavior. This makes it possible to regulate cell proliferation or differentiation to a desired degree.

[0022] Darüber hinaus können durch die chemische Modifikation von Oberflächen auch die physikalischen Eigenschaften des Materials des Mikroträgers beeinflusst werden. Die Präsentation von hydrophilen oder hydrophoben Gruppen kann beispielsweise die Benetzungseigenschaften der Oberfläche verändern und somit die Zelladhäsion beeinflussen. [0022] Furthermore, the physical properties of the microsupport material can also be influenced by the chemical modification of surfaces. For example, the presentation of hydrophilic or hydrophobic groups can change the wetting properties of the surface and thus influence cell adhesion.

[0023] Ein weiterer Vorteil der chemischen Modifikation von Oberflächen besteht in der Möglichkeit, bioaktive Moleküle gezielt auf der Oberfläche zu präsentieren und diese gegebenenfalls an die Umgebung abzugeben. Dies ermöglicht es auch, die Freisetzung von Wirkstoffen zu kontrollieren und somit eine lokale und langanhaltende Wirkung zu erzielen. [0023] Another advantage of chemically modifying surfaces is the ability to selectively present bioactive molecules on the surface and, if desired, release them into the environment. This also makes it possible to control the release of active ingredients and thus achieve a local and long-lasting effect.

[0024] Mechanische, topographische und chemische Oberflächenmodifikationen können am gesamten Mikroträger vorhanden sein oder nur auf der Innen- oder Außenseite des Mikroträgers bzw. dessen äußeren Hülle beschränkt sein. [0024] Mechanical, topographic and chemical surface modifications can be present on the entire microcarrier or be limited to the inside or outside of the microcarrier or its outer shell.

[0025] Gemäß der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß en Mikroträgers weist die äußere Hülle des Mikroträgers zumindest einen dem inneren Volumen abgewandten Abstandshalter auf. Hierdurch wird ein zusätzlicher Schutz der äußeren Hülle gegen Kollisionen mit anderen Mikroträgern und/oder der Behälterwand des Bioreaktors bereitgestellt. Der Abstandshalter kann zudem integral mit der Hülle ausgebildet sein. Somit kann die Hülle mit dem Abstandshalter gemeinsam in einem Produktionsschritt, vorzugsweise mittels eines zuvor beschriebenen additiven Fertigungsverfahrens, hergestellt werden. [0025] According to the preferred embodiment of the microcarrier according to the invention, the outer shell of the microcarrier has at least one spacer facing away from the inner volume. This provides additional protection of the outer shell against collisions with other microcarriers and/or the vessel wall of the bioreactor. The spacer can also be formed integrally with the shell. Thus, the shell and the spacer can be manufactured together in a single production step, preferably using a previously described additive manufacturing process.

[0026] Vorzugsweise weist der zumindest eine Abstandshalter eine, in Richtung des inneren Volumens zulaufende geometrische Form auf. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Abstandshalter einen größeren Bereich der äußeren Hülle vor Kollisionen geschützt wird. [0026] Preferably, the at least one spacer has a geometric shape that tapers towards the inner volume. This has the advantage that the spacer protects a larger area of the outer shell from collisions.

[0027] Die äußere Hülle des Mikroträgers kann zudem zumindest zwei Abstandshalter umfassen, wobei ein minimaler Abstand zwischen den zwei Abstandshaltern im Bereich eines dem inneren Volumen abgewandten Endes der Abstandshalter kleiner, als ein maximaler Durchmesser der Abstandshalter im Bereich des, dem inneren Volumen abgewandten Endes ist. Hierdurch wird das Risiko verringert, dass sich die Abstandshalter verschiedener Mikroträger miteinander verhaken. [0027] The outer shell of the microcarrier can also include at least two spacers, wherein a minimum distance between the two spacers in the region of an end of the spacers facing away from the inner volume is smaller than a maximum diameter of the spacers in the region of the end facing away from the inner volume. This reduces the risk of the spacers of different microcarriers becoming entangled with each other.

[0028] Der erfindungsgemäße Mikroträger kann in einem erfindungsgemäßen System zur Kultivierung und/oder Expansion von Zellen umfassend einen Bioreaktor und zumindest einen erfindungsgemäßen Mikroträger eingesetzt werden, wobei der Bioreaktor dazu ausgebildet ist den Mikroträger und ein Nährmedium aufzunehmen. Vorzugsweise kann der Bioreaktor des erfindungsgemäßen Systems hierbei als Airlift-Bioreaktor, Blasensäulenreaktor, Rührkessel-Reaktor oder FlieRbettreaktor ausgebildet sein. [0028] The microcarrier according to the invention can be used in a system according to the invention for the cultivation and/or expansion of cells, comprising a bioreactor and at least one microcarrier according to the invention, wherein the bioreactor is configured to accommodate the microcarrier and a nutrient medium. Preferably, the bioreactor of the system according to the invention can be configured as an airlift bioreactor, bubble column reactor, stirred tank reactor, or fluidized bed reactor.

[0029] Der erfindungsgemäße Mikroträger kann zudem in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kultivierung und/oder Expansion von Zellen eingesetzt werden, wobei das Verfahren den Schritt des Kultivierens von Zellen in einem mit einem Nährmedium und mit einem erfindungsgemäßen Mikroträger befüllten Behältnis umfasst. Gemäß der bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Zellen tierische Zellen, vorzugsweise humane oder Säugetier-Zellen. Das Behältnis kann ein Bioreaktor, vorzugsweise ein Airlift-Bioreaktor, Blasensäulenreaktor, Rührkessel-Reaktor oder Fließbettreaktor, sein. Die äußere Hülle des im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten erfindungsgemäßen Mikroträgers kann zumindest teilweise aus hydrolytisch, enzymatisch und/oder durch Licht abbaubaren Materials gefertigt sein, welches durch Zugabe von entsprechenden Enzymen abgebaut werden kann. Hierdurch können die Zellen aus dem Mikroträger bzw. den Mikroträgern herausgelöst werden. [0029] The microcarrier according to the invention can also be used in a process according to the invention for the cultivation and/or expansion of cells, wherein the process comprises the step of cultivating cells in a container filled with a nutrient medium and with a microcarrier according to the invention. According to the preferred embodiment of the process according to the invention, the cells are animal cells, preferably human or mammalian cells. The container can be a bioreactor, preferably an airlift bioreactor, bubble column reactor, stirred tank reactor, or fluidized bed reactor. The outer shell of the microcarrier according to the invention used in the process according to the invention can be made at least partially of a hydrolytically, enzymatically, and/or light-degradable material, which can be degraded by adding appropriate enzymes. This allows the cells to be released from the microcarrier(s).

[0030] In einem weiteren Schritt, welchen das erfindungsgemäße Verfahren in der bevorzugten Ausführungsform umfasst, werden die Zellen und/oder das Sekretom der Zellen nach dem Kultivieren isoliert. „Sekretom“, wie hier verwendet, umfasst Peptide, Proteine und sonstige Biomoleküle, die von einer Zelle an das Nährmedium abgegeben, d.h. sekretiert, wird. Das Sekretom [0030] In a further step, which the method according to the invention comprises in the preferred embodiment, the cells and/or the secretome of the cells are isolated after cultivation. “Secretome,” as used here, comprises peptides, proteins, and other biomolecules that are released, i.e., secreted, by a cell into the culture medium. The secretome

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bzw. jene Biomoleküle, die man anreichern oder gewinnen möchte, kann anschließend aus dem Nährmedium mit der Fachperson bekannten Verfahren gewonnen werden. The biomolecules that one wishes to enrich or obtain can then be extracted from the nutrient medium using methods known to the expert.

[0031] Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Mikroträgers, des erfindungsgemäBen Systems und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in weiterer Folge anhand der Figuren näher erläutert. [0031] Advantageous embodiments of the microcarrier, the system according to the invention and the method according to the invention are explained in more detail below with reference to the figures.

[0032] Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Mikroträger in einer Fluidströmung. [0032] Figure 1 shows a microcarrier according to the invention in a fluid flow.

[0033] Figur 2 zeigt den erfindungsgemäßen Mikroträger mit Schwächungspunkten der äußeren Hülle. [0033] Figure 2 shows the microcarrier according to the invention with weakening points of the outer shell.

[0034] Figur 3 zeigt den erfindungsgemäßen Mikroträger nach Durchtrennung der Schwächungspunkte. [0034] Figure 3 shows the microcarrier according to the invention after the weakening points have been cut.

[0035] Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mikroträgers. [0035] Figure 4 shows an alternative embodiment of the microcarrier according to the invention.

[0036] Figur 5 zeigt den erfindungsgemäßen Mikroträger mit einer äußeren Hülle, welche einen, dem inneren Volumen abgewandten Abstandshalter aufweist. [0036] Figure 5 shows the microcarrier according to the invention with an outer shell which has a spacer facing away from the inner volume.

[0037] Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mikroträgers mit Abstandshaltern. [0037] Figure 6 shows another embodiment of the microcarrier according to the invention with spacers.

[0038] Figur 7 zeigt ein System zur Kultivierung und/oder Expansion von Zellen umfassend einen, mit einer Nährstofflösung befüllten Bioreaktor, mit mehreren in der Nährstofflösung dispergierten erfindungsgemäßen Mikroträgern. [0038] Figure 7 shows a system for cultivating and/or expanding cells comprising a bioreactor filled with a nutrient solution, with several microcarriers according to the invention dispersed in the nutrient solution.

[0039] Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 in einer Fluidströmung. Der erfindungsgemäße Mikroträger 1 zur Kultivierung und/oder Expansion von Zellen Z ist dazu ausgebildet in einem Bioreaktor B eingesetzt zu werden, welcher beispielsweise ein Nährmedium N enthält. Die Zellen Z sind in Figur 1 nicht ersichtlich, jedoch in den Figuren 2 bis 4 dargestellt. Ein beispielhafter Bioreaktor B, welcher mit Nährmedium N befüllt ist, und mehrere in dem Nährmedium N schwimmende erfindungsgemäße Mikroträger 1 enthält, ist in Figur 7 ersichtlich. Die in Figur 1 mit kleinen Pfeilen ersichtlich gemachte Fluidströmung stellt beispielhaft die Strömung des Nährmediums N in dem Bioreaktor B da. Der erfindungsgemäße Mikroträger 1 umfasst eine zumindest teilweise fluiddurchlässige äußere Hülle 2, und ein inneres Volumen 3 zur Aufnahme der Zellen. Die äußere Hülle 2 kann beispielsweise als semipermeable oder auch vollständig permeable Membran bzw. Barriere oder Hülle ausgeführt sein. Gemäß der bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 ist die äußere Hülle 2 porös ausgeführt. Dies kann, wie in Figur 1 ersichtlich, durch im Wesentlichen regelmäßig über die äußeren Hülle 2 verteilte Löcher erfolgen, welche einen Durchgang von außerhalb des Mikroträgers 1 zu dessen innerem Volumen 3 bereitstellen. Das innere Volumen 3 kann des Weiteren eine in den Figuren nicht gesondert dargestellte interne Struktur, wie beispielsweise ein Gitter, zur Anlagerung der Zellen Z enthalten. Die interne Struktur kann beispielsweise aus demselben Material wie die äußere Hülle 2 bestehen. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der erfindungsgemäße Mikroträger 1 besonders preisgünstig hergestellt werden kann. Alternativ kann die interne Struktur auch aus einem von dem Material der äußeren Hülle 2 verschiedenen Material hergestellt sein. Hierdurch kann das Material der internen Struktur spezifisch für verschiedene Zellarten gewählt werden um eine besonders gute Zellanlagerung an die interne Struktur zu gewährleisten. [0039] Figure 1 shows a schematic representation of the microcarrier 1 according to the invention in a fluid flow. The microcarrier 1 according to the invention for cultivating and/or expanding cells Z is designed to be used in a bioreactor B, which contains, for example, a nutrient medium N. The cells Z are not shown in Figure 1, but are shown in Figures 2 to 4. An exemplary bioreactor B, which is filled with nutrient medium N and contains several microcarriers 1 according to the invention floating in the nutrient medium N, is shown in Figure 7. The fluid flow shown in Figure 1 with small arrows represents, by way of example, the flow of the nutrient medium N in the bioreactor B. The microcarrier 1 according to the invention comprises an outer shell 2 that is at least partially fluid-permeable and an inner volume 3 for receiving the cells. The outer shell 2 can, for example, be designed as a semipermeable or fully permeable membrane or barrier or shell. According to the preferred embodiment of the microcarrier 1 according to the invention, the outer shell 2 is porous. As can be seen in Figure 1, this can be achieved by means of holes distributed essentially at regular intervals across the outer shell 2, which provide a passage from outside the microcarrier 1 to its inner volume 3. The inner volume 3 can further contain an internal structure, not shown separately in the figures, such as a grid, for the attachment of the cells Z. The internal structure can, for example, be made of the same material as the outer shell 2. This offers the advantage that the microcarrier 1 according to the invention can be manufactured particularly cost-effectively. Alternatively, the internal structure can also be made of a material different from that of the outer shell 2. This allows the material of the internal structure to be selected specifically for different cell types in order to ensure particularly good cell attachment to the internal structure.

[0040] Die äußere Hülle 2 des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 weist eine geometrische Form auf, deren Strömungswiderstand in einer Raumrichtung ein Minimum aufweist. Diese Raumrichtung stellt die Anströmrichtung von Nährmedium N in einem Bioreaktor B da. Des Weiteren weist die äußere Hülle 2 in einem, in dieser Raumrichtung gesehenen, vorderen Bereich der äußeren Hülle 3 ein Minimum ihrer Fluiddurchlässigkeit auf. Hierdurch richtet sich der Mikroträger 1 in dieser Raumrichtung, und somit in der Anströmrichtung der Fluidströmung, wie in Figur 1 beispielhaft dargestellt, aus. Die Ausrichtung der erfindungsgemäßen Mikroträger 1 in der Fluidströmung ist auch in Figur 7 ersichtlich, wobei die Fluidströmung in Figur 7 durch einen geschwun-[0040] The outer shell 2 of the microcarrier 1 according to the invention has a geometric shape whose flow resistance is minimal in one spatial direction. This spatial direction represents the flow direction of nutrient medium N in a bioreactor B. Furthermore, the outer shell 2 has a minimum fluid permeability in a front region of the outer shell 3 as viewed in this spatial direction. This causes the microcarrier 1 to align itself in this spatial direction, and thus in the flow direction of the fluid flow, as illustrated by way of example in Figure 1. The alignment of the microcarrier 1 according to the invention in the fluid flow is also evident in Figure 7, where the fluid flow in Figure 7 is characterized by a curved

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Ss N Ss N

genen Pfeil dargestellt ist. Dies führt in Kombination mit dem Minimum an Fluiddurchlässigkeit im vorderen Bereich, beziehungsweise in Anströmrichtung vorderen Bereich dazu, dass die im inneren Volumen 3 aufgenommenen Zellen nur einer sehr geringen Fluidströmung, und somit nur geringen mechanischen Einflüssen ausgesetzt sind. Hierdurch können sich die im inneren Volumen 3 aufgenommenen Zellen optimal entwickeln. This is illustrated by the arrow. Combined with the minimum fluid permeability in the front area, or rather, in the forward direction of the flow, this means that the cells contained in inner volume 3 are exposed to only very low fluid flow and thus only minimal mechanical influences. This allows the cells contained in inner volume 3 to develop optimally.

[0041] Gemäß der in Figur 1 ersichtlichen bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 ist das innere Volumen 3 des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 vorzugsweise im Wesentlichen vollständig durch die äußere Hülle 2 umgeben. Das innere Volumen 3 des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 kann auch vollständig durch die äußere Hülle 2 umgeben sein. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Inhalt des inneren Volumens 3 aus allen Raumrichtrungen von Scherkräften geschützt ist, welche beispielsweise durch turbulente Fluidströmungen generiert werden können. [0041] According to the preferred embodiment of the microcarrier 1 according to the invention shown in Figure 1, the inner volume 3 of the microcarrier 1 according to the invention is preferably substantially completely surrounded by the outer shell 2. The inner volume 3 of the microcarrier 1 according to the invention can also be completely surrounded by the outer shell 2. This achieves the advantage that the contents of the inner volume 3 are protected from shear forces in all spatial directions, which can be generated, for example, by turbulent fluid flows.

[0042] Gemäß der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 weist der Strömungswiderstand der äußeren Hülle 2 zudem in einer Raumrichtung ein Minimum auf, und in einem, in dieser Raumrichtung gesehenen, vorderen Bereich der äußeren Hülle 2 weist die äußere Hülle 2 das absolute Minimum ihrer Fluiddurchlässigkeit auf. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass in diesem vorderen Bereich der äußeren Hülle 2 die äußere Hülle 2 ihre geringste Fluiddurchlässigkeit aufweist. Da sich der erfindungsgemäße Mikroträger 1 selbstständig in der Strömungsrichtung ausrichtet, ist der vordere Bereich der äußeren Hülle 2 den größten Scherkräften ausgesetzt. Durch die geringste Fluiddurchlässigkeit der äußeren Hülle 2 in dem genannten vorderen Bereich wird der Inhalt des inneren Volumens 3 vor diesen Scherkräften geschützt. [0042] According to the preferred embodiment of the microcarrier 1 according to the invention, the flow resistance of the outer shell 2 is also minimal in one spatial direction, and in a front region of the outer shell 2 viewed in this spatial direction, the outer shell 2 exhibits the absolute minimum of its fluid permeability. This achieves the advantage that the outer shell 2 has its lowest fluid permeability in this front region. Since the microcarrier 1 according to the invention aligns itself automatically in the flow direction, the front region of the outer shell 2 is exposed to the greatest shear forces. Due to the lowest fluid permeability of the outer shell 2 in the aforementioned front region, the contents of the inner volume 3 are protected from these shear forces.

[0043] Die äußere Hülle 2 des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 umfasst gemäß der in Figur 1 dargestellten, bevorzugten Ausführungsvariante zumindest ein Strömungsleitelement 4. Alternativ, oder zusätzlich hierzu kann der Mikroträgers 1 auch ein mit der äußeren Hülle 2 verbundenes Strömungsleitelement 4 umfassen. Hierdurch wird der Vorteil bereitgestellt, dass eine rasche und effiziente Ausrichtung des Mikroträgers 1 der Strömung erreicht wird. Das Minimum an Strömungswiderstand in der einen Raumrichtung, beziehungsweise der Anströmrichtung kann im Allgemeinen wie eingangs dargelegt, durch die geometrische Form der äußeren Hülle 2 erreicht werden. Dies ist beispielhaft in Figur 4 dargestellt, in welcher ein erfindungsgemäßer Mikroträger 1 dargestellt ist, dessen äußere Hülle 2 zumindest teilweise zylindrische Form aufweist. Das Strömungsleitelement 4 kann gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 dazu ausgebildet sein, den Mikroträger 1 um jene Raumrichtung, in welcher der Strömungswiderstand des erfindungsgemäßen Mikroträgers das Minimum aufweist, bei Anströmung durch ein Fluid, insbesondere durch die Nährmedium N in einem Bioreaktor B, in Rotation zu versetzen. Hierdurch wird die Orientierung des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 in der Fluidströmung stabilisiert. Das Strömungsleitelement 4 kann beispielsweise wie in Figur 1 dargestellt, als Finne 4 oder als eine Kugel ausgeführt sein, welche mit der äußeren Hülle 2 verbunden ist, und eine von der äußeren Hülle 2 verschiedene Größe aufweist. Durch das Strömungsleitelement 4 wird der Vorteil erreicht, dass eine stabile Bahn des Mikroträgers 1 in der Fluidströmung erreicht wird, und er sich von selbst in Strömungsrichtung ausrichtet. Durch die stabilisierte Bahn werden Zusammenstöße zwischen den Mikroträgern 1 reduziert. [0043] According to the preferred embodiment shown in Figure 1, the outer shell 2 of the microcarrier 1 according to the invention comprises at least one flow-guiding element 4. Alternatively, or additionally, the microcarrier 1 can also comprise a flow-guiding element 4 connected to the outer shell 2. This provides the advantage of achieving rapid and efficient alignment of the microcarrier 1 with the flow. The minimum flow resistance in one spatial direction, or the direction of flow, can generally be achieved, as explained above, by the geometric shape of the outer shell 2. This is illustrated by way of example in Figure 4, which shows a microcarrier 1 according to the invention whose outer shell 2 has at least a partially cylindrical shape. According to one embodiment of the microcarrier 1 according to the invention, the flow-guiding element 4 can be configured to rotate the microcarrier 1 in the direction of flow in which its flow resistance is minimal when a fluid, in particular the nutrient medium N in a bioreactor B, flows over it. This stabilizes the orientation of the microcarrier 1 according to the invention in the fluid flow. The flow-guiding element 4 can, for example, be designed as a fin 4 or as a sphere connected to the outer shell 2, as shown in Figure 1, and have a different size than the outer shell 2. The flow-guiding element 4 provides the advantage of ensuring a stable path for the microcarrier 1 in the fluid flow, and it aligns itself automatically in the flow direction. This stabilized path reduces collisions between the microcarriers 1.

[0044] Wie Figur 1 und Figur 4 zu entnehmen, kann der erfindungsgemäße Mikroträger 1 zudem ein an dem vorderen Bereich der äußeren Hülle 2 ein Schutzschild 5 umfassen. Das Schutzschild 5 kann beispielsweise wie in Figur 1 dargestellt die Form eines Kegels aufweisen. Alternativ kann das Schutzschild 5 beispielsweise auch in einer Stromlinienform ausgeführt sein, wie in Figur 4 beispielhaft dargestellt. Das Schutzschild 5 stellt einen zusätzlichen Schutz für den Mikroträger gegen mechanische Beschädigung dar. Durch die Anbringung des Schutzschilds 5 im vorderen Bereich beziehungsweise in Anströmrichtung vorderen Bereich der äußeren Hülle 2 wird der Vorteil erreicht, dass diese mechanische Verstärkung an jener Position vorgesehen wird, an welcher das größte Risiko für Zusammenstöße mit anderen Mikroträgern 1 im Bioreaktor B vorherrscht. Zudem wird durch den Schutzschild 5 ein verbesserter Schutz gegen Scherkräfte erreicht. [0044] As can be seen in Figures 1 and 4, the microcarrier 1 according to the invention can also include a protective shield 5 at the front region of the outer shell 2. The protective shield 5 can, for example, have the shape of a cone, as shown in Figure 1. Alternatively, the protective shield 5 can also be designed in a streamlined shape, as shown by way of example in Figure 4. The protective shield 5 provides additional protection for the microcarrier against mechanical damage. By attaching the protective shield 5 to the front region, or the front region in the direction of airflow, of the outer shell 2, the advantage is achieved that this mechanical reinforcement is provided at the position where the greatest risk of collisions with other microcarriers 1 in the bioreactor B prevails. In addition, the protective shield 5 provides improved protection against shear forces.

[0045] Die äußere Hülle 2 des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 umschließt im Betrieb des [0045] The outer shell 2 of the microcarrier 1 according to the invention encloses during operation of the

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Ss N Ss N

Mikroträgers 1 in einem Bioreaktor B die darin kultivierten Zellen Z. Um eine möglichst simple und rasche Möglichkeit bereitzustellen, um die Zellen Z aus dem Mikroträger 1 zu entnehmen, kann die äußere Hülle 2 des Mikroträgers 1 gemäß der bevorzugten Ausführungsform zumindest teilweise aus hydrolytisch, enzymatisch und/oder durch Licht abbaubaren Material gefertigt sein. Dieses abbaubare Material kann beispielsweise ein Polymer, vorzugsweise ein Photopolymer, sein. We den Figuren 2 und 4 zu entnehmen ist, kann die äußere Hülle 2 des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 zudem zumindest eine Reihe an Schwächungspunkten 6 umfassen. Diese Reihe an Schwächungspunkten 6 ermöglicht es, dass sich der Mikroträger 1 bei der Entnahme der Zellen Z an reproduzierbaren und klar definierten Punkten auflöst, sodass eine optimale Entnahme der Zellen Z ohne Beschädigung der Zellen Z ermöglicht wird. Die Schwächungspunkte 6 können zudem so angeordnet sein, dass sich der Mikroträger 1, wie in Figur 3 dargestellt, auffaltet. Vorzugsweise kann die Reihe an Schwächungspunkten 6 auch eine durchgängige Schwächungslinie bilden. Hierdurch wird der Mikroträger 1 bei der Entnahme der Zellen Z in zumindest zwei Teile geteilt. In Figur 3 ist ein erfindungsgemäßer Mikroträger 1 dargestellt, nachdem die äußere Hülle 2 an den Schwächungspunkten 6 durchtrennt wurde. Die äußere Hülle 2 kann dazu ausgebildet sein, sich nach Durchtrennung an den Schwächungspunkten 6 aufzuklappen. In Figur 3 ist die äußere Hülle 2 in einem derartigen aufgeklappten Zustand gezeigt. Vorzugsweise ist die äußere Hülle 2 somit zumindest an den Schwächungspunkten 6 aus hydrolytisch, enzymatisch und/oder durch Licht abbaubarem Material gefertigt, welches beispielsweise ein Polymer, vorzugsweise ein Photopolymer, sein kann. Andere hydrolytisch, enzymatisch und/oder durch Licht abbaubare Materialien sind dem Fachmann allgemein bekannt. A microcarrier 1 in a bioreactor B contains the cultured cells Z. To provide the simplest and quickest possible method for removing the cells Z from the microcarrier 1, the outer shell 2 of the microcarrier 1, according to the preferred embodiment, can be made at least partially of a hydrolytically, enzymatically, and/or light-degradable material. This degradable material can, for example, be a polymer, preferably a photopolymer. As can be seen from Figures 2 and 4, the outer shell 2 of the microcarrier 1 according to the invention can also comprise at least a series of weakening points 6. This series of weakening points 6 enables the microcarrier 1 to disintegrate at reproducible and clearly defined points during cell Z removal, thus allowing optimal removal of the cells Z without damaging them. The weakening points 6 can also be arranged such that the microcarrier 1 unfolds, as shown in Figure 3. Preferably, the series of weakening points 6 can also form a continuous weakening line. This divides the microcarrier 1 into at least two parts when the cells Z are extracted. Figure 3 shows a microcarrier 1 according to the invention after the outer shell 2 has been cut at the weakening points 6. The outer shell 2 can be designed to open up after being cut at the weakening points 6. Figure 3 shows the outer shell 2 in such an opened state. Preferably, the outer shell 2 is thus made, at least at the weakening points 6, of a hydrolytically, enzymatically, and/or light-degradable material, which can, for example, be a polymer, preferably a photopolymer. Other hydrolytically, enzymatically, and/or light-degradable materials are generally known to those skilled in the art.

[0046] Die äußere Hülle 2 des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 kann gemäß einer Ausführungsvariante aus einem einzigen Material gefertigt sein. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Mikroträger 1 rasch und kostengünstig herzustellen ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante kann die äußere Hülle 2 aus zumindest zwei verschiedenen Materialien gefertigt sein, wobei sich das Material an den Schwächungspunkten 6 von dem Material der verbleibenden äußeren Hülle 2 unterscheidet. Hierdurch kann das Material an den Schwächungspunkten 6 spezifisch gewählt werden, sodass sich die äußere Hülle 2 unter bestimmten Einflüssen an den Schwächungspunkten 6 auftrennt. Im Allgemeinen kann das Material an den Schwächungspunkten 6, unabhängig davon ob die äußere Hülle 2 aus einem oder auch verschiedenen Materialien gefertigt ist, eine geringere Dicke aufweise als außerhalb der Schwächungspunkte 6. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Schwächungspunkte 6 jene Punkte der äußeren Hülle 2 darstellen, an welchen die äußere Hülle 2 zuerst aufbricht beziehungsweise sich auflöst. Zudem kann das Material an den Schwächungspunkten 6 auch eine geringere Vernetzung aufweisen. [0046] According to one embodiment, the outer shell 2 of the microcarrier 1 according to the invention can be made of a single material. This offers the advantage that the microcarrier 1 can be manufactured quickly and cost-effectively. According to an alternative embodiment, the outer shell 2 can be made of at least two different materials, wherein the material at the weakening points 6 differs from the material of the rest of the outer shell 2. This allows the material at the weakening points 6 to be specifically selected so that the outer shell 2 separates at the weakening points 6 under certain influences. In general, the material at the weakening points 6, regardless of whether the outer shell 2 is made of one or different materials, can have a smaller thickness than outside the weakening points 6. This ensures that the weakening points 6 represent those points of the outer shell 2 at which the outer shell 2 first breaks open or disintegrates. In addition, the material at the weakening points 6 can also have a lower degree of cross-linking.

[0047] Gemäß der bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 weist die äußere Hülle 2 einen maximalen Außendurchmesser von 200um bis 500um auf. Zudem weist die äußere Hülle 2 vorzugsweise eine durchschnittliche Dicke von 3 um bis 50 um, besonders bevorzugt in Etwa 35 um auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass der erfindungsgemäße Mikroträger 1 über ein ausreichend großes inneres Volumen 3 zur Aufnahme der Zellen Z verfügt, und gleichzeitig eine ausreichende Stabilität der äußeren Hülle 2 aufweist. [0047] According to the preferred embodiment of the microcarrier 1 according to the invention, the outer shell 2 has a maximum outer diameter of 200 µm to 500 µm. Furthermore, the outer shell 2 preferably has an average thickness of 3 µm to 50 µm, particularly preferably approximately 35 µm. This ensures that the microcarrier 1 according to the invention has a sufficiently large internal volume 3 to accommodate the cells Z, and at the same time has sufficient stability of the outer shell 2.

[0048] Die äußere Hülle 2 des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 ist gemäß der bevorzugten Ausführungsform mittels eines additiven oder eines lithographiebasierten Fertigungsverfahrens hergestellt oder herstellbar. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass die Abmessungen und Parameter des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 spezifisch für konkrete Anwendungen ausgewählt werden können, und gleichzeitig ein kostengünstiges und einfach skalierbares Herstellungsverfahren zur Produktion des Mikroträgers 1 zur Verfügung steht. Die äußere Hülle 2 ist gemäß einer Ausführungsvariante mittels additiver Fertigung hergestellt oder herstellbar. Alternativ ist die äußere Hülle 2 mittels eines lithographiebasierten Fertigungsverfahren, vorzugsweise eines Multi-Photonen Lithographieverfahrens, insbesondere eines Zwei-Photonen Lithographieverfahrens, hergestellt oder herstellbar. [0048] According to the preferred embodiment, the outer shell 2 of the microcarrier 1 according to the invention is manufactured or can be manufactured using an additive or lithography-based manufacturing process. This offers the advantage that the dimensions and parameters of the microcarrier 1 according to the invention can be specifically selected for particular applications, while at the same time a cost-effective and easily scalable manufacturing process for producing the microcarrier 1 is available. According to one embodiment, the outer shell 2 is manufactured or can be manufactured using additive manufacturing. Alternatively, the outer shell 2 is manufactured or can be manufactured using a lithography-based manufacturing process, preferably a multi-photon lithography process, in particular a two-photon lithography process.

[0049] Gemäß einer in Figur 5 ersichtlichen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 kann die äußere Hülle 2 des Mikroträgers 1 zumindest einen, dem inneren Volumen 3 abgewandten Abstandshalter 7 aufweisen. Der Abstandshalter 7 kann hierbei wie in Figur [0049] According to an embodiment of the microcarrier 1 according to the invention, shown in Figure 5, the outer shell 2 of the microcarrier 1 can have at least one spacer 7 facing away from the inner volume 3. The spacer 7 can be configured as shown in Figure 5.

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Ss N Ss N

5 dargestellt, eine zusätzliche Schutzschicht um die äußere Hülle 2 legen. Des Weiteren kann der zumindest eine Abstandshalter 7 integral mit der äußeren Hülle 2 ausgebildet sein. Der Abstandshalter 7 kann alternativ oder zusätzlich zu dem Schutzschild 5 vorgesehen sein. Der zumindest eine Abstandshalter 7 kann zudem eine, in Richtung des inneren Volumens 3 zulaufende geometrische Form aufweisen. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Abstandshalter 7 einen größeren Bereich der äußeren Hülle 2 bei gleichzeitig möglichst geringem Materialaufwand abdeckt. As shown in Figure 5, an additional protective layer can be placed around the outer shell 2. Furthermore, the at least one spacer 7 can be integrally formed with the outer shell 2. The spacer 7 can be provided as an alternative or in addition to the protective shield 5. The at least one spacer 7 can also have a geometric shape that tapers towards the inner volume 3. This achieves the advantage that the spacer 7 covers a larger area of the outer shell 2 while using as little material as possible.

[0050] Die äußere Hülle 2 des Mikroträgers 1 kann gemäß einer weiteren, in Figur 6 im Detail dargestellten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mikroträgers 1 zumindest zwei Abstandshalter 7 umfassen, wobei ein minimaler Abstand A zwischen den zwei Abstandshaltern 7 im Bereich eines dem inneren Volumen 3 abgewandten Endes der Abstandshalter 7 kleiner als ein maximaler Durchmesser D der Abstandshalter 7 im Bereich des, dem inneren Volumen 3 abgewandten Endes der Abstandshalter 7 ist. Hierdurch wird das Risiko verringert, dass sich die Abstandshalter 7 verschiedener Mikroträger 1 miteinander verhaken. [0050] According to a further embodiment of the microcarrier 1 according to the invention, shown in detail in Figure 6, the outer shell 2 of the microcarrier 1 can comprise at least two spacers 7, wherein a minimum distance A between the two spacers 7 in the region of an end of the spacers 7 facing away from the inner volume 3 is smaller than a maximum diameter D of the spacers 7 in the region of the end of the spacers 7 facing away from the inner volume 3. This reduces the risk of the spacers 7 of different microcarriers 1 becoming entangled with each other.

[0051] Ein erfindungsgemäßes System 10 zur Kultivierung und/oder Expansion von Zellen Z ist in Figur 7 ersichtlich, und umfasst den Bioreaktor B und zumindest einen erfindungsgemäß en Mikroträger 1. In der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 10 ist der Bioreaktor B mit mehreren Mikroträgern 1 befüllt. Der Bioreaktor B ist hierbei dazu ausgebildet den Mikroträger 1 und ein Nährmedium N aufzunehmen, welches ebenfalls in Figur 7 ersichtlich ist. Der Bioreaktor B kann beispielsweise ein Airlift-Bioreaktor, Blasensäulenreaktor, Rührkessel-Reaktor oder Fließbettreaktor sein. Wird das Nährmedium N in dem Bioreaktor B durch Rühren in Rotation versetzt, wie in Figur 7 mit einem geschwungenen Pfeil angedeutet, richten sich die erfindungsgemäßen Mikroträger 1 in der Fluidströmung des Nährmediums N aus. [0051] A system 10 according to the invention for cultivating and/or expanding cells Z is shown in Figure 7 and comprises the bioreactor B and at least one microcarrier 1 according to the invention. In the embodiment of the system 10 according to the invention shown in Figure 7, the bioreactor B is filled with several microcarriers 1. The bioreactor B is configured to hold the microcarrier 1 and a nutrient medium N, which is also shown in Figure 7. The bioreactor B can be, for example, an airlift bioreactor, bubble column reactor, stirred tank reactor, or fluidized bed reactor. If the nutrient medium N in the bioreactor B is set into rotation by stirring, as indicated by a curved arrow in Figure 7, the microcarriers 1 according to the invention align themselves in the fluid flow of the nutrient medium N.

[0052] Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kultivierung und/oder Expansion von Zellen Z umfasst den Schritt des Kultivierens der Zellen Z in einem mit einem Nährmedium N und mit zumindest einem erfindungsgemäßen Mikroträger 1 befüllten Behältnis. Die Zellen Z sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens tierische Zellen Z, vorzugsweise humane oder Säugetier-Zellen. Das Behältnis ist vorzugsweise ein Bioreaktor B, insbesondere ein Airlift-Bioreaktor, Blasensäulenreaktor, Rührkessel-Reaktor oder Fließbettreaktor. [0052] A method according to the invention for cultivating and/or expanding cells Z comprises the step of cultivating the cells Z in a container filled with a nutrient medium N and with at least one microcarrier 1 according to the invention. According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the cells Z are animal cells Z, preferably human or mammalian cells. The container is preferably a bioreactor B, in particular an airlift bioreactor, bubble column reactor, stirred tank reactor, or fluidized bed reactor.

[0053] Die äußere Hülle 2 des Mikroträgers 1 und/oder die Schwächungspunkte 6 der äußeren Hülle 2 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest teilweise aus hydrolytisch, enzymatisch und/oder durch Licht abbaubaren Material gefertigt ist, welches durch Zugabe von entsprechenden Enzymen abgebaut werden kann. [0053] According to a preferred embodiment of the inventive method, the outer shell 2 of the microcarrier 1 and/or the weakening points 6 of the outer shell 2 is at least partially made of hydrolytically, enzymatically and/or light-degradable material which can be degraded by adding appropriate enzymes.

[0054] In einem weiteren Schritt, welchen das erfindungsgemäße Verfahren in der bevorzugten Ausführungsform umfasst, werden die Zellen und/oder das Sekretom der Zellen nach dem Kultivieren isoliert. [0054] In a further step, which the method according to the invention comprises in the preferred embodiment, the cells and/or the secretome of the cells are isolated after cultivation.

Claims

x bes AT 528 477 A1 2026-01-15 Ss N patent claims

1. Microcarrier (1) for cultivating and/or expanding cells (Z) in a bioreactor, comprising an at least partially fluid-permeable outer shell (2) and an inner volume (3) for receiving the cells (Z), characterized in that the outer shell (2) has a geometric shape whose flow resistance has a minimum in one spatial direction and has a minimum of its fluid permeability in a front region of the outer shell (2) as seen in this spatial direction.

2. Microcarrier (1) according to claim 1, characterized in that the inner volume (3) is substantially completely surrounded by the outer shell (2).

3. Microcarrier (1) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the flow resistance of the outer shell (2) has a minimum in one spatial direction, and in a front region of the outer shell (2) seen in this spatial direction has the absolute minimum of its fluid permeability.

4. Microcarrier (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the outer shell (2) forms at least one flow guide element (4) and/or the microcarrier (1) comprises a flow guide element (4) connected to the outer shell (2).

5. Microcarrier (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that a protective shield (5) is provided on the front area of the outer shell (2).

6. Microcarrier (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the outer shell (2) has a series of weakening points (6), wherein the series of weakening points (6) preferably forms a continuous weakening line.

7. Microcarrier (1) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the outer shell (2) and/or the weakening points (6) of the outer shell (2) comprise at least one hydrolytically, enzymatically, thermally and/or light-degradable material, preferably at least one hydrolytically, enzymatically, thermally and/or light-degradable polymer.

8. Microcarrier (1) according to claim 6 or 7, characterized in that the outer shell (2) is made of at least two different materials, wherein the material at the weakening points (6) preferably differs from the material of the remaining outer shell (2).

9. Microcarrier (1) according to one of claims 6 to 8, characterized in that the outer shell (2) has a lesser thickness at the weakening points (6) than outside the weakening points (6).

10. Microcarrier (1) according to claim 7, characterized in that the polymer has a lower degree of cross-linking at the weakening points (6) of the outer shell (2) than the outer shell.

11. Microcarrier (1) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the outer shell (2) is porous.

12. Microcarrier (1) according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the outer shell comprises at least one opening with a size of 10 to 100 µm, preferably 10 to 70 µm, more preferably 10 to 30 µm.

13. Microcarrier (1) according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the outer shell (2) has a maximum outer diameter of 200 µm to 500 µm and/or an average thickness of 3 µm to 50 µm.

14. Microcarrier (1) according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the outer shell (2) is manufactured or can be manufactured by means of an additive or a lithography-based manufacturing process, wherein the lithography-based manufacturing process is preferred-

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preferably a multi-photon lithography-based process, or even more preferably a two-photon lithography-based process.

15. Microcarrier (1) according to one of claims 1 to 14, characterized in that the outer shell (2) of the microcarrier (1) has at least one spacer (7) facing away from the inner volume (3), wherein the at least one spacer (7) is preferably formed integrally with the outer shell (2).

16. Microcarrier (1) according to one of claims 1 to 15, characterized in that the outer shell (2) of the microcarrier (1) comprises at least two spacers (7), wherein a minimum distance (A) between the two spacers (7) in the region of an end of the spacers (7) facing away from the inner volume (3) is smaller than a maximum diameter (D) of the spacers (7) in the region of the end facing away from the inner volume (3).

17. System (10) for cultivating and/or expanding cells (Z) comprising a bioreactor (B) and at least one microcarrier (1) according to any one of claims 1 to 16, wherein the bioreactor (B) is configured to accommodate the microcarrier (1) and a nutrient medium (N).

18. Method for cultivating and/or expanding cells (Z) comprising the step of cultivating the cells (Z) in a container filled with a nutrient medium (N) and with a microcarrier (1) according to any one of claims 1 to 16.

19. Method according to claim 18, characterized in that the outer shell (2) of the microcarrier (1) and/or the weakening points (6) of the outer shell (2) is at least partially made of at least one hydrolytically, enzymatically and/or light-degradable material, wherein the enzymatically degradable material is preferably degraded by the addition of enzymes.

20. Method according to claim 18 or 19, characterized in that the cells (Z) and/or the secretome of the cells (Z) are isolated after cultivation.

This includes 4 sheets of drawings.