Automation and integration of a bioreactor for continuous cell culture Fabien Abeille To cite this version: Fabien Abeille. Automation and integration of a bioreactor for continuous cell culture. Biotechnology. Université de Grenoble, 2014. English. NNT : 2014GRENS036. tel-01556082 HAL Id: tel-01556082 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01556082 Submitted on 4 Jul 2017 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE Spécialité : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement (BIS) Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par Fabien ABEILLE Thèse dirigée par Nathalie PICOLLET-D’HAHAN codirigée par Vincent AGACHE IRTSV préparée au sein du CEA-LETI, Laboratoire Bio-Chip et bio −Packaging (LBCP) en collaboration avec BGE , équipe Biomics, IRTSV, CEA dans l'École Doctorale Ingénierie pour la Santé, la Cognition et l'Environnement (EDISCE) Automatisation et intégration d’un réacteur de culture cellulaire pour un fonctionnement en continu Thèse soutenue publiquement le 25 Novembre 2014 devant le jury composé de : M. Eric LECLERC Chercheur à l’Université de Technologie Compiègne (UTC) , Président Mme Elisabeth M. J. VERPOORTE Professeur à l’Université de Groningen (RUG), Rapporteur Mme Rosaria FERRIGNO Professeur à l’Université Claude Bernard Lyon (UCBL) , Rapporteur M. Donald K. MARTIN Professeur à l’Université Joseph Fourier (UJF) , Examinateur M. Olivier THEODOLY Chercheur à l’Université Aix -Marseille (AMU), Examinateur Mme Nathalie PICOLLET-D’HAHAN Ingénieure-Chercheur au CEA, Directrice de thèse M. Agache Vincent Ingénieur-Chercheur au CEA-LETI, Co-encadrant Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France / Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP 2 Table of contents Remerciements ................................................................................................................................ 5 1 Introduction .............................................................................................................................. 7 1.1 Motivations ...................................................................................................................... 7 1.2 Context ............................................................................................................................. 8 1.3 Aim of the work ................................................................................................................ 8 1.4 Cell culture ........................................................................................................................ 9 1.4.1 Cell models & applications ....................................................................................... 9 1.4.2 Standard cell culture ............................................................................................... 10 1.4.3 Industrial cell culture .............................................................................................. 17 1.4.4 Microfluidic systems for cell culture ...................................................................... 27 1.5 Conclusion ...................................................................................................................... 41 2 Thesis objectives ..................................................................................................................... 43 3 Microbioreactor design and fabrication ................................................................................. 45 3.1 Microbioreactor overview .............................................................................................. 45 3.2 Cartridge design.............................................................................................................. 46 3.3 Perfusion integration ...................................................................................................... 47 3.3.1 Perfusion strategy .................................................................................................. 47 3.3.2 Type of membrane ................................................................................................. 49 3.3.3 Bonding ................................................................................................................... 50 3.3.4 Glue biocompatibility ............................................................................................. 55 3.3.5 Leakage tests .......................................................................................................... 57 3.3.6 Optical considerations/cell visualization enhancement......................................... 58 3.3.7 Conclusions ............................................................................................................. 59 4 Cell proliferation ..................................................................................................................... 60 4.1 Control and monitoring of the cell environment ........................................................... 60 4.1.1 Porous-membrane-based perfusion ...................................................................... 60 4.1.2 Thermal management ............................................................................................ 67 4.1.3 pH regulation .......................................................................................................... 72 4.2 Microcarrier-based cell culture ...................................................................................... 77 4.2.1 Microcarrier preparation ........................................................................................ 77 4.2.2 Standard microcarrier cell culture .......................................................................... 77 3 4.2.3 Bioreactor (microcarrier) cell culture .................................................................... 81 4.3 Conclusion ...................................................................................................................... 83 5 Cell harvest ............................................................................................................................. 85 5.1 The different strategies for cell harvest ......................................................................... 85 5.2 Thermally-mediated cell harvest ................................................................................... 88 5.2.1 Poly(N-isopropylacrylamide) .................................................................................. 88 5.2.2 Materials and methods .......................................................................................... 91 5.2.3 Physical characterization of PNIPAM-coated substrates ..................................... 100 5.2.4 Biological characterization of PNIPAM-coated substrates .................................. 100 5.2.5 Discussion ............................................................................................................. 104 5.2.6 Conclusion ............................................................................................................ 108 5.3 Microcarrier dissolution ............................................................................................... 109 5.4 Bead-to-bead cell transfer for subculture ................................................................... 111 5.5 Conclusion .................................................................................................................... 112 6 General conclusion............................................................................................................... 113 7 Perspectives and future work .............................................................................................. 115 Appendix A ................................................................................................................................... 117 Appendix B ................................................................................................................................... 118 Appendix C ................................................................................................................................... 120 Appendix D ................................................................................................................................... 121 Appendix E ................................................................................................................................... 123 Appendix F ................................................................................................................................... 125 Appendix G ................................................................................................................................... 128 Appendix H ................................................................................................................................... 131 Appendix I ...................................................................................................................................