碟片式离心机中细胞培养澄清的剪切评估（三）

方法 2：尖端速度

平均剪切应力： Boychyn 等人指出，流体在圆盘旋转表面上流动时的最大剪切应力 (τ _{max ) 可以用公式 11 (}22 ) 确定。其中，θ _{tip表示半径}R处的圆盘尖端速度。圆盘上的平均剪切力通过计算圆盘外半径和内半径（分别为R _o和R _i ）处的剪切力的平均值得出（公式 12）。

碟片式离心机中细胞培养澄清的剪切评估（三） — 方程 11-15：基于叶尖速度法的剪切评估。* R = R0，表示 Ro 处的 τmax；R = Ri，表示 Ri 处的 τmax

剪切应力暴露时间：

剪切对哺乳动物细胞的损害程度不仅取决于剪切力的大小，还取决于剪切力的持续时间。Ludwig 等人证明，长时间的剪切（例如 24 小时）会在 0.75–1.0 N/m2 的力下损害细胞形态；然而，在短时间内（最多一小时），细胞可以承受高达 20 N /m ²的应力（23）。Bae 等人写道，需要 >250 N /m ²的剪切应力才能在 CHO 细胞中引起机械损伤（24）。因此，生物制造商在模拟澄清过程中的细胞损伤时，应考虑暴露于剪切场的持续时间。公式 13 计算细胞在 DSC 圆盘之间的环形空间中沿轴向距离的停留时间（t _s）（4）。使用幂律模型，Pham 等人将细胞损伤描述为剪切应力和剪切场暴露持续时间的函数（公式 14）（25）。

给定尖端速度下的剪切应力的 CDI 和模型拟合：

使用 JMP 软件中的“拟合模型”功能，我们获得了公式 14 中常数的值。我们根据 Shekhawata 等人在 Culturefuge 100 系统中不同操作条件下的 LDH 浓度进行计算，使用这些数据点作为响应变量 ( 13 )。分别从公式 12 和 13 计算出的 τ _avg和t _s值用作解释变量。这些输入产生的值为k = 3.8、α = 1.3 和 β = 0.43，我们使用它们来生成预测表达式（公式 15）。

图 4 显示了报告的 LDH 浓度与方程 15 之间的线性关系。R 2 值为 0.98，表明预测表达式可靠地拟合了观察到的数据点。同样，p^值< 0.0001表示输入变量（预测表达式）与输出预测（LDH 浓度）之间的关联强度具有高度的统计显著性，并且观察到的 LDH 浓度的 99.99% 的变异性可以由预测表达式解释。因此，保持表达式不变可能是在 DSC 操作的各个尺度上保持相似剪切水平的有效方法。

方法 3：功率耗散

平均剪切应力： Murrell 证明，DSC 进料区耗散功率 ( P _dis ) 可使用公式 16 计算，其中 ω 表示角速度（单位为 1/s）（26）。与尖端速度模型一样，耗散功率对细胞完整性的影响取决于暴露时间，可使用公式 17 将其计算为离心机转鼓停留时间 ( t _RB )。其中，V _b表示离心机转鼓容积。根据这些计算，细胞损伤指数可以用幂律表示，该幂律是耗散功率和转鼓停留时间的函数（公式 18）。根据上述 CDI 和模型拟合方法，我们确定公式 18 中的常数为k = 0.16、α = 0.98 和 β = 1.4。这些值得出公式 19 中所示的预测表达式。

图 5 显示了 LDH 浓度与公式 19 之间的线性关系。R 2值为 0.98 ^，表明预测表达式的可靠性。p值<0.0001 表示输入变量和输出预测之间的关联强度具有高度的统计显著性，公式 19 解释了 LDH 值 99.99% 的变异性。因此，保持预测表达式不变有助于确保 DSC 操作范围内的剪切水平相似。

关于 DSC 操作剪切评估的结论

生物制造商经常在大规模生物制造过程中使用 DSC 进行细胞培养澄清。尽管可以使用成熟的Q/Σ方法根据颗粒沉降效率来缩放离心机操作条件，但目前关于 DSC 操作剪切评估的知识仍然很深奥。上文中，我们介绍了使用三种方法进行的剪切评估计算。我们还使用轮廓线说明了应用，该轮廓线显示了颗粒沉降能力和剪切之间的平衡，是转鼓速度和离心机进料流速的函数。