DE3341771A1 - Microcarriers for use as growth sites for anchorage-dependent cells, and process for their preparation - Google Patents
Microcarriers for use as growth sites for anchorage-dependent cells, and process for their preparationInfo
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Abstract
Description
BESCHREIBUNG:DESCRIPTION:
Die Erfindung betrifft einen Mikroträger zur Verwendung als Wachstumsplatz für verankerungsabhängige Zellen in einer wässrigen Zellkultur sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a microcarrier for use as a growth site for anchorage-dependent cells in an aqueous cell culture and a method for its production.
Bei der Züchtung von verankerungsabhängigen Zellgewebskulturen ist es bekannt, die herkömmlichen Trommelflaschen und Petroschalen durch sogenannte Mikroträger zu ersetzen, welche eine vergrößerte Fläche zur Zellenbefestigung zur Verfügung stellen. Nach der US-Patentschrift 41 89 534 werden beispielsweise Mikroträger in Form fester Plastikkügelchen verwendet. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß derartige Kunststoff-Mikroträger zur Förderung der Zellenhaftung abwechselnde elektrisch geladene Oberflächenbestandteile erfordern. Diese Abwechslung läßt sich bei der Herstellung nur schwer quantitiv kontrollieren.In the cultivation of anchorage-dependent cell tissue cultures it is known, the conventional drum bottles and Petroschalen by so-called Replace microcarriers, which have an enlarged area for cell attachment Provide. According to US Pat. No. 4,189,534, for example, microcarriers used in the form of solid plastic beads. However, it has been found that such plastic microcarriers to promote cell adhesion alternating electrically require charged surface constituents. This variety can be found in the It is difficult to control production quantitatively.
Wenn sie nicht richtig kontrolliert ist, ist sie für einige Arten von Zellkulturen toxisch. Es ist außerdem schwer, einige Zellarten von der Oberfläche der Kunststoffkügelschen zu entfernen.If not properly controlled, it is for some species toxic from cell cultures. It is also difficult to remove some types of cells from the surface remove the plastic balls.
Es ist auch bekannt, feste Glaskügelchen als Zellen-Mikroträger zu verwenden. Zusätzlich zu den bereits oben genannten Problemen liegt ein wesentlicher Nachteil bekannter Mikroträger, insbesondere von festen Kügelchen aus Kunststoff oder Glas, darin,daß die Dichte der Mikroträger nur sehr schwer zu kontrollieren und auf diejenige des jeweiligen Kulturmediums abzustimmen ist. Herkömmliche Zellkulturmedien sind wässrig und besitzen Dichten, die allgemein im Bereich zwischen 1,03 und 1,09 g pro Kubikzentimeter liegen. Silikatglaskügelchen, welche günstige Oberflächeneigenschaften aufweisen, haben typischerweise eine Dichte von größenordnungsmäßig 2,3 g pro Kubikzentimeter je nach der Glaszusammensetzung. Wenn das Absetzen und die Kompaktierung der Mikroträger im Wachstumsmedium vermieden werden soll, was das Zellwachstum behindern würde, muß das Kulturmedium gerührt oder in anderer Weise ständig in Bewegung gehalten werden. Heftige Bewegung wirktjedoch selbst auf viele Zellarten destruktiv. Einen allgemeinen Überblick über die Verwendung von Mikroträgern bei Zellkulturenlebewesen findet sich in "Third General Meeting of ESACT",Oxford, 1979, Develop. Biol. Standard, 46, p.p.It is also known to use solid glass beads as cell microcarriers use. In addition to the problems already mentioned above, there is an essential one Disadvantage of known microcarriers, in particular of solid plastic beads or glass, in that the density of the microcarriers is very difficult to control and must be matched to that of the respective culture medium. Conventional cell culture media are aqueous and have densities generally in the range between 1.03 and 1.09 g per cubic centimeter. Silicate glass beads, which have favorable surface properties typically have a density of the order of 2.3 grams per cubic centimeter depending on the glass composition. When the weaning and the compaction the microcarrier in the growth medium should be avoided, which would hinder cell growth the culture medium must be stirred or otherwise kept in constant motion will. However, vigorous movement is destructive even to many types of cells. A general overview of the use of microcarriers in cell culture organisms can be found in "Third General Meeting of ESACT", Oxford, 1979, Develop. Biol. Standard, 46, p.p.
109-294 (S.Karger, Basel, 1980).109-294 (S. Karger, Basel, 1980).
In der US Patentanmeldung Nr. 332 377 werden die oben beschriebenen und weiteren Schwierigkeiten dadurch in Angriff genommen, daß hohle Glas"Vorläufer"-Mikrokugeln aus Silikatglas gebildet werden. Danach wird die Dichte dieser "Vorläufer"-Mikrokugeln in einem nachformenden Ätzvorgang so maßgeschneidert, daß sie genau der Dichte des gewünschten wässrigen Wachstumsmediums entspricht.In U.S. Patent Application No. 332,377, those described above are disclosed and other difficulties are addressed by using hollow glass "precursor" microspheres can be formed from silicate glass. Thereafter, the density of these "precursor" microspheres is determined tailor-made in a post-forming etching process so that they exactly match the density of the corresponds to the desired aqueous growth medium.
Dieses Verfahren hat sich als sehr erfolgreich bei der Überwindung der Schwierigkeiten mit Oberflächenladung und Schwimmfähigkeit erwiesen. Die Anzahl getrennter Arbeitsvorgänge läßt jedoch eine Kostenverringerung wünschenswert erscheinen.This procedure has proven to be very successful in overcoming it of difficulties with surface charge and buoyancy. The number however, separate operations makes a cost reduction desirable.
Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, einen Mikroträger zu schaffen, dessen Dichte derjenigen der typischen Zellkulturmedien sehr nahe kommt und der die gewünschten Oberflächeneigenschaften von Silikatglas aufweist, jedoch preiswerter als bekannte Mikroträger mit ähnlich guten Eigenschaften herzustellen ist.The object of the present invention is to create a microcarrier, whose density comes very close to that of typical cell culture media and the has the desired surface properties of silicate glass, but cheaper is to be produced as a known microcarrier with similarly good properties.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen des Mikro trägers sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.This task is described in the characterizing part of the main claim Invention solved; advantageous developments of the micro-carrier are in the claims 2 and 3 indicated.
Der erfindungsgemäße Mikroträger läßt sich sehr leicht aus den Kulturmedien entfernen und ist besonders gut zur raschen Entfernung unter Verwendung von automatisierten Verfahren geeignet.The microcarrier according to the invention can be very easily removed from the culture media remove and is particularly good for rapid removal using automated Procedure suitable.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung derartiger Mikroträger anzugeben.The object of the present invention is also to provide a method for Specify the production of such microcarriers.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Anspruch 4 beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind in den Ansprüchen 5 bis 7 angegeben.This task is described by the characterizing claim 4 Invention solved; advantageous developments of the manufacturing method according to the invention are given in claims 5 to 7.
Erfindungsgemäß werden die Mikroträger dadurch hergestellt, daß zunächst ein kugeliger "Vorläufer" aus Polymermaterial fabriziert wird, dessen Dichte im wesentlichen die gleiche wie diejenige des gewünschten wässrigen Wachstumsmediums ist (ungefähr 1 g pro Kubikzentimeter). Danach wird der Polymer-"Vorläufer" mit einer dünnen Schicht aus Silikatglas überzogen. Die dünne Glasschicht verändert die effektive Dichte des "Vorläufers nicht nennenswert, verleiht diesem jedoch die beträchtlichen Vorteile der Glas-Haftfläche, was die Toxizität und die Leichtigkeit angelangt, mit der Kulturen ohne nennenswerte Beschädigung entfernt werden können.According to the invention, the microcarriers are produced in that initially a spherical "precursor" is fabricated from polymer material, the density of which is im essentially the same as that of the desired aqueous growth medium is (approximately 1 g per cubic centimeter). Thereafter, the polymer "precursor" will use covered with a thin layer of silicate glass. The thin layer of glass changed the effective density of the "precursor is negligible, but gives it the considerable advantages of the glass adhesive surface, which is toxicity and lightness reached, with which cultures can be removed without significant damage.
Wenn die Mikroträger mit einer Zusammensetzung versehen werden, die zumindest teilweise aus magnetischem Material besteht, können sie leicht durch ein magnetisches Feld angezogen und aus dem Kulturmedium entfernt werden.When the microcarriers are provided with a composition that at least partially made of magnetic material, they can easily be through a magnetic field attracted and removed from the culture medium.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend näher beschrieben.A preferred embodiment is described in more detail below.
Zunächst wird nach einem bekannten Verfahren ein kugeliger "Vorläufer" aus Polymermaterial hergestellt. Beispielsweise kann ein filmbildendes Polymer in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst und dann in den oberen Abschnitt einer geheizten Kammer bzw. eines Ofens in Form kleiner Tröpfen eingesprüht werden. Wenn die Tröpfchen unter dem Einfluß der Schwerkraft innerhalb der geheizten Kammer fallen, verdampft das Lösungsmittel rasch; es bildet sich eine Polymerhaut bzw. -schale. Ein derartiges Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung sind in der US Patentschrift 2 797 201 beschrieben. Die nominale Vorläufer-Größe Größe und -Dichte werden als Funktion der Polymer/Lösungsmittel-Konzentration, der Trocknungstemperatur und der Tropfengröße geregelt. Die Tropfengröße liegt typischerweise im Bereich zwischen 5 und 500 /um. Die Trocknungstemperaturen liegen im Bereich zwischen 200C und 5000C. Der fertig gestellte "Vorläufer" kann an der Unterseite der Kammer trocken aufgenommen, gereinigt und auf den gewünschten Größenbereich, beispielsweise zwischen 106 und 200 /u, gesiebt werden.First, according to a known method, a spherical "precursor" made of polymer material. For example, a film-forming polymer in a suitable solvent and then dissolved in the top portion of a heated chamber or an oven in the form of small droplets are sprayed. if the droplets fall under the influence of gravity within the heated chamber, the solvent evaporates quickly; a polymer skin or shell is formed. Such a method and the associated apparatus are described in US patent specification 2,797,201. The nominal precursor size and density are called Function of the polymer / solvent concentration, the drying temperature and the Drop size regulated. The drop size is typically in the range between 5 and 500 / µm. The drying temperatures are in the range between 200C and 5000C. The completed "precursor" can be taken up dry on the underside of the chamber, cleaned and to the desired size range, for example between 106 and 200 / u, to be sieved.
Der "Vorläufer" aus Polymer kann auch als festes Kügelchen hergestellt werden, indem geschmolzenes Polymermaterial versprüht und abgekühlt wird. Dabei wird ein Tropfengenerator oder eine andere bekannte Vorrichtung in eine Freie-Fall-Zone gerichtet, derart, daß die Tropfen während des freien Falles abgekühlt und verfestigt und danach gesammelt werden. Alernativ können feste Stückchen (Fritte) aus Polymermaterial bestimmter Größe in einen Turmofen eingespeist werden, wo sie aufgeschmolzen und zu Kügelchen während des freien Falles umgeformt werden.The polymer "precursor" can also be made as a solid bead by spraying molten polymer material and cooling it. Included will place a drop generator or other known device in a free fall zone directed in such a way that the droplets are cooled and solidified during free fall and then be collected. Alternatively, solid pieces (frit) made of polymer material can be used of a certain size are fed into a tower furnace, where they are melted and transformed into spheres during free fall.
des Das Polymermaterial/"Vorläufers" wird so gewählt, daß sich die gewünschte Dichte bei dem gewünschten Größenbereich und die Überziehbarkeit mit Glas ergibt: Beispielsweise sind Polystyrol und Polyäthylen geeignete Materialien. Der "Vorläufer" kann massiv, hohl oder porös sein. Je nach dem Vorläufermaterial und dem beim Überziehen verwendeten Verfahren kann eine Oberflächenbehandlung des "Vorläufers" empfehlenswert sein. Auf diese Weise läßt sich dieser leichter mit dem Silikatglas überziehen. Vorläufer-Durch- -Durchmesser im Bereich zwischen 50 um und 500 /um und Dichten im Bereich zwischen 1,00 und 1,10 9 pro Kubikzentimeter werden bevorzugt. des The polymer material / "precursor" is chosen so that the desired density in the desired size range and coatability with Glass shows that, for example, polystyrene and polyethylene are suitable materials. The "precursor" can be solid, hollow or porous. Depending on Precursor material and the method used in coating, a surface treatment of the "Forerunner" can be recommended. In this way it is easier to get along with cover the silicate glass. Precursor diameter in the range between 50 µm and 500 µm and densities in the range between 1.00 and 1.10 9 per cubic centimeter are preferred.
Der Silikatglasüberzug des Polymer-"Vorläufers" wird vorzugsweise durch Radiofrequenz-Zerstäubung hergestellt.The silicate glass coating of the polymer "precursor" is preferred produced by radio frequency atomization.
(Der Ausdruck "Silikatglas", wie er hier benutzt wird, beziehtsich auf ein Glas, welches Siliziumoxide mit oder ohne weitere Metalloxide enthält.) Am besten wird eine Magnetron-Radiofrequenz-Zerstäubereinheit verwendet. Damit läßt sich ein gleichförmiger Überzug um die kugelige Außenfläche des "Vorläufers" ohne überhitzung des Polymersubstrates erreichen. Eine Überzugsdicke im Bereich von 300 Å bis 1 /um hat praktisch keinen meßbaren Effekt auf die Gesamtdichte und ist geeignet. Eine geeignete Magnetron-Zerstäubungseinrichtung wird von der Fa. Sloan Manufacturing Company als Modell Nr. S301 hergestellt und vertrieben. Ein weiteres Überzugsverfahren, welches verwendet werden kann, ist die chemische Bedampfung.(The term "silica glass" as used herein refers to it on a glass that contains silicon oxides with or without other metal oxides.) A magnetron radio frequency nebulizer unit is best used. So lets a uniform coating around the spherical outer surface of the "precursor" without achieve overheating of the polymer substrate. A coating thickness in the range of 300 Å to 1 / µm has virtually no measurable effect on the overall density and is suitable. A suitable magnetron sputtering device is available from Sloan Manufacturing Company manufactured and sold as Model No. S301. Another coating process, which can be used is chemical vapor deposition.
Die Polymerkügelchen werden in einer flachen Aluminiumschale oder einem Behälter untergebracht, der an einer Plattform innerhalb des Zerstäubungssystems befestigt ist.The polymer beads are placed in a flat aluminum tray or housed in a container attached to a platform within the atomization system is attached.
Vorzugsweise werden die Kügelchen durch eine Vakuumschleuse eingeführt, so daß die Abpumpzeit klein gehalten wird. Das Zerstäubungssystem besteht aus einer Vakuumkammer, in welcher die Zerstäubungsquelle untergebracht ist und die auf einen Druck von kleiner oder gleich 3x10 6 evakuiert werden muß, bevor mit der Abscheidung begonnen werden kann. Höhere Drucke führen zu Filmen mit schlechter Qualität, die sich hauptsächlich darin äußert, daß die Überzugsschalen die Dampfbehandlung im Autoklav nicht aushalten. Nach Erreichen des erforderlichen Basisdruckes wird das System mit dem Zerstäubungsgas (Argon) bis zu einem Druck von ungefähr 10 m Torr angefüllt. Bei Verwendung des Zerstäubungssystems Sloan Modell S310 hat der flach Behälter, der die Kügelchen aufnimmt, einen Durchmesser von 7,5 bis 10 cm. Vor und während der Abscheidung wird die Plattform, an welcher die Schale befestigt ist, in horizontaler Richtung vibriert. Durch die Vibration der Plattform springen die Polymerkugelschen statistisch hin und her und drehen sich, so daß sie gleichförmig überzogen werden.Preferably, the beads are introduced through a vacuum lock, so that the pumping time is kept short. The atomization system consists of one Vacuum chamber in which the atomization source is housed and which is on a Pressure less than or equal to 3x10 6 must be evacuated before proceeding with the deposition can be started. Higher pressures result in poor quality films that is mainly expressed in the fact that the Coating trays the steam treatment Cannot withstand in the autoclave. After reaching the required base pressure, the system with the atomizing gas (argon) up to a pressure of about 10 m Torr filled. When using the Sloan Model S310 atomization system, the flat container that holds the beads, 7.5 to 10 cm in diameter. Before and during the deposition, the platform to which the shell is attached is made vibrates in the horizontal direction. Jump through the vibration of the platform the polymer spheres randomly back and forth and rotate so that they are uniform be coated.
Generell ist ein gleichförmiger Überzug notwendig, wenn ein dünner Überzug die Dampfbehandlung im Autoklaven überleben soll. Es hat sich herausgestellt, daß die Gleichförmigkeit des Überzuges bei Kügelchen bestimmter Größe von der Vibrationsfrequenz und Amplitude abhängt.In general, a uniform coating is necessary when a thinner one Coating is supposed to survive the steam treatment in the autoclave. It turned out that the uniformity of the coating in the case of beads of a certain size depends on the frequency of vibration and amplitude depends.
Bei Polymerkügelchen mit Durchmessern im Bereich zwischen 100 um und 200,um betrugt die optimale Vibrationsfrequenz und Amplitude 37Hz bei ungefähr 1,5 mm.For polymer beads with diameters in the range between 100 µm and 200 µm, the optimum vibration frequency and amplitude was 37Hz at approximately 1.5 mm.
Zur Erzielung eines maximalen Durchsatzes sollte die Abscheidungsgeschwindigkeit beim Zerstäuben maximiert werden. Die maximale Abscheidungsgeschwindigkeit, die sich erzielen läßt, hängt hauptsächlich von der maximalen Temperatur ab, auf welche das Substrat erwärmt werden kann, ohne daß die Oberflächen der Polymerkügelchen beeinträchtigt werden. Es hat sich herausgestellt, daß eine Geschwindigkeit von 0,05 /um pro Stunde einen glatten Überzug aus einem Pyrex- bzw. Silika-Target auf Polystyrolkügelchen mit Durchmessern von ungefähr 150 /um ergibt. Bei dem beschriebenen und speziellen Zerstubungssystem ergab sich diese Geschwindigkeit bei einem Argondruck von 10m Torr bei einer Betriebs- leistung von 0,75 kW. Zur Erzielung einer vollständigen Oberflächenbedeckung ist eine minimale Überzugsdicke von ungefähr 0,03 /um nötig. Damit die mit Glas überzogenen Polymerkügelchen wieder verwendet werden können, müssen sie erneut gewaschen und erneut im Autoklav behandelt werden können. Es hat sich herausgestellt, daß eine über zugsdicke von 0,1 um mindestens zwei Wasch- und Autoklavzyklen überlebt und weiterhin aktiv das Wachstum von KB-Zellen, MRC-5-Zellen, Walker 256-Karzino-Sarkom-Zellen und Murine-Fibrosarkom-Zellen unterstützt.To achieve maximum throughput, the deposition rate should can be maximized when atomizing. The maximum rate of deposition that can be achieved depends mainly on the maximum temperature to which the substrate can be heated without affecting the surfaces of the polymer beads be affected. It has been found that a speed of 0.05 / µm per hour on a smooth coating of a Pyrex or silica target Polystyrene beads with diameters of approximately 150 µm. With the one described and special atomization system, this speed resulted at an argon pressure of 10m Torr at an operating power of 0.75 kW. To achieve of complete surface coverage is a minimum coating thickness of approximately 0.03 / µm is necessary. So that the glass-coated polymer beads can be reused they have to be washed again and treated again in the autoclave can. It has been found that a tensile thickness of at least 0.1 µm survived two wash and autoclave cycles and continued active growth of KB cells, MRC-5 cells, Walker 256 carcino-sarcoma cells, and murine fibrosarcoma cells are supported.
Die oben beschriebenen Mikroträger weisen eine ganze Anzahl erheblicher Vorteile auf. Der wichtigste besteht darin, daß sie sehr viel billiger hergestellt werden können als die vollständig aus Glas bestehenden, oben erwähnten Mikroträger, daß sie aber weiterhin die Vorteile besitzen, welche der Glasoberfläche bei der Zellenverankerung innewohnen. Sie besitzen zudem eine Gesamtdichte, welche im Kulturmedium suspendierbar ist, d.h., eine neutrale Schwimmfähigkeit im jeweiligen Medium. Aufgrund des bevorzugten Radiofrequenz-Zerstäubungsverfahrens läßt sich außerdem die Glaszusammensetzung leicht variieren.The microcarriers described above have quite a number of significant ones Benefits on. The main one is that they are made much cheaper can be considered as the above-mentioned microcarriers made entirely of glass, but that they still have the advantages of the glass surface in the Inherent cell anchorage. They also have an overall density that is found in the culture medium is suspendable, i.e. a neutral buoyancy in the respective medium. Because of The preferred radiofrequency sputtering process also allows the glass composition vary slightly.
Allerdings werden hohe Silikat- oder reine Silikatgläser gegenwärtig für die meisten Anwendungsgebiete bei der Zellzüchtung ins Auge gefaßt. Die kugeligen Polymersubstrate mit der Grunddichte von ungefähr 1 g pro Kubikzentimeter lassen sich selbstverständlich sehr preiswert in verschiedenen Größen herstellen (oder kaufen).However, tall silicate or pure silicate glasses are becoming the present day envisaged for most cell growth applications. The spherical ones Leave polymer substrates at the base density of approximately 1 g per cubic centimeter Of course, they can be produced very inexpensively in different sizes (or to buy).
Ein weiterer wichtiger Vorteil liegt darin, daß eine Zwischenschicht aus magnetischem Material, beispielsweise ein Nickelüberzug,auf dem Polymersubstrat vor der Aufbringung der äußeren Silikatglasschicht abgeschieden werden kann.Another important advantage is that there is an intermediate layer of magnetic material, e.g. a nickel coating, on the polymer substrate can be deposited prior to application of the outer silicate glass layer.
Dies geschieht vorzugsweise, wie oben beschrieben, in einem Radiofrequenz-Zerstäubungsvorgang. Die magnetische Schicht hat keinen nennenswerten Einfluß auf die Dichte des Mikroträgers. Die Mikroträger können leicht aus der Suspension in einem Kulturmedium entfernt werden, beispielsweise, indem ein Permanentmagnet in das Medium eingeführt wird. Das magnetische Material kann auch in anderer Weise im Mikroträger, beispielsweise durch Einschluß innerhalb des Polymersubstrates, enthalten sein.This is preferably done, as described above, in a radio frequency atomization process. The magnetic Layer has no significant influence on the Microcarrier density. The microcarriers can easily be taken out of suspension in one Culture medium can be removed, for example, by placing a permanent magnet in the medium is introduced. The magnetic material can also be used in other ways in the microcarrier, for example by inclusion within the polymer substrate.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19833341771 DE3341771A1 (en) | 1983-11-18 | 1983-11-18 | Microcarriers for use as growth sites for anchorage-dependent cells, and process for their preparation |
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DE19833341771 DE3341771A1 (en) | 1983-11-18 | 1983-11-18 | Microcarriers for use as growth sites for anchorage-dependent cells, and process for their preparation |
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Citations (1)
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---|---|---|---|---|
DE2834067A1 (en) * | 1977-08-08 | 1979-03-01 | Pasteur Institut | METHOD OF MANUFACTURING CARRIERS FOR CELL CULTURES |
-
1983
- 1983-11-18 DE DE19833341771 patent/DE3341771A1/en not_active Ceased
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE2834067A1 (en) * | 1977-08-08 | 1979-03-01 | Pasteur Institut | METHOD OF MANUFACTURING CARRIERS FOR CELL CULTURES |
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