体外扩增的造血干／祖细胞具有广泛的临床应用，包括造血干细胞移植、基因治疗、免疫治疗以及制备成熟的血细胞来输注人体。人脐带血能够给细胞移植治疗和再生医学提供大量的优质造血细胞。但是来自单份脐带血的造血干／祖细胞数量十分有限，极大地限制了脐带血在重建成人造血机能中的应用。因此，迫切需要发展体外扩增体系来大规模扩增造血干／祖细胞。静态培养体系，如组织培养瓶等，具有许多局限性，已被证明不适合大规模扩增造血干／祖细胞。因此，需要发展生物反应器技术来促进造血干／祖细胞的体外大规模扩增。先进的生物反应器可以改善静态培养体系存在的传质限制，能够较好地保持培养体系的稳定。本研究利用旋转壁式生物反应器(rotating wall vessel，RWV)，并采用适合的培养模式，如单纯悬浮培养以及微胶囊化基质细胞共培养的方法来体外大规模扩增人脐带血来源的造血干／祖细胞。另外，本研究还建立了静态以及RWV动态微囊化共培养模式的数学模型，来模拟微囊化共培养体系的传质代谢问题。首先，脐带血单个核细胞被单独培养在RWV生物反应器和组织培养瓶中，使用含有血清和较低剂量外源生长因子组合(5.33ng／ml IL-3，16ng／ml SCF，3.33ng／ml G-CSF，2.13ng／ml GM—CSF，7.47ng／m1 FL and 7.47ng／ml TPO)的培养液进行8天的体外培养。每24小时检测两种培养体系中的总有核细胞数以及培养液的pH值和渗透压。在0h，144h以及197h，利用流式细胞仪对两种体系中的细胞进行CD34分析。并且在0h，72h，144h和197h，进行相应的集落形成能力检验。在培养过程中，两个体系的pH值和渗透压都保持在适合造血干／祖细胞扩增的范围内。实验发现RWV反应器结合稀释换液的方法有效地扩增了造血干／祖细胞。在培养结束时(197h)，总有核细胞扩增了435.5±87.6倍，CD34~+细胞扩增了32.7±15.6倍，粒巨系祖细胞扩增了21.7±4.9倍。然而在组织培养瓶中，总细胞密度变化不大，CD34~+细胞和粒巨系祖细胞数量随时间逐渐减少。此部分实验说明，RWV生物反应器可以给脐带血造血细胞的生长提供良好的环境，加强了造血干细胞和其他细胞的联系，并且更有效地利用了较低剂量的外源生长因子。另外，大量研究已经表明基质细胞在体外较好地支持了造血干／祖细胞的体外生长，尤其是较早期的造血干细胞。因此，使用一种合理的共培养模式来实现基质细胞对造血干细胞的滋养作用就很重要。大多数共培养研究都采用了直接接触的方法，然而这种方法不适于临床应用。微胶囊技术是目前广泛应用的免疫保护手段，它可以提供一种解决这个问题的方法。本研究确定了适合包埋基质细胞的海藻酸钙微胶珠，并进行了强度检验。之后，基质细胞(兔骨髓间充质干细胞)被包埋在直径为2.1mm的海藻酸钙微胶珠中，进行7天的体外微囊化培养。培养结束后，共聚焦显微镜证实了间充质干细胞在微胶珠中能够良好生长，说明这种微囊化基质细胞可以被用来和造血干／祖细胞进行共培养。随后，脐带血单个核细胞在微囊化兔骨髓间充质干细胞的支持下进行了体外静态扩增。实验使用了三种培养液，共培养持续7天。实验发现，不论是否添加血清，微囊化间充质干细胞对于脐带血单个核细胞扩增都有显著影响。静态共培养7天后，在不添加血清，只补充常规剂量生长因子组合(SCF 50ng／ml，FL 50ng／ml，TPO 50ng／ml and IL-325ng／ml)的实验组中，总有核细胞数扩增了15±2.85倍，CD34~+细胞扩增了5.33±0.32倍，混合集落扩增了5.6±1.21倍，其扩增效果相似于添加20％血清的实验组。而对照组中，如没有微囊化基质细胞支持的实验组，总有核细胞密度变化不大，CD34~+细胞和混合集落没有得到有效扩增。这部分实验说明，在静态条件下，微囊化基质细胞可以有效支持造血干／祖细胞体外扩增。此外，有研究证实在灌注式以及固定床式反应器中进行的共培养体系没有取得良好的扩增效果，这说明基质细胞和造血干细胞缺乏有效的相互作用，即在这些反应器中，两种细胞不能保持近距离的持续相互作用。因此，需要发展一种新型的动态共培养体系来实现两种细胞间的有效相互作用，并且易于培养后两种细胞的完全分离。RWV反应器和微胶囊技术可以提供一种有效的解决办法。因此，在RWV生物反应器以及24孔培养板中，使用含有兔骨髓间充质干细胞的海藻酸钠-壳聚糖-海藻酸钠(alginate-chitosan-alginate，ACA)微胶囊来支持脐带血造血干／祖细胞的体外扩增。培养液不添加血清，补充常规剂量生长因子组合，进行了7天的共培养。实验发现，在共培养过程中，两个体系的pH值和渗透压都保持在适合造血干／祖细胞扩增的范围内。RWV反应器和稀释换液的方法有效地扩增了造血干／祖细胞。在培养结束时(168h)，反应器中总有核细胞扩增了约107倍，CD34~+扩增了约26倍，CFU-Cs约19倍。而在培养板中，总有核细胞扩增了约10倍，CD34~+细胞和混合集落变化较小。此部分实验说明，在RWV反应器中，微囊化基质细胞可以促进造血干／祖细胞的体外大规模扩增。最后，由于许多因素会影响到微胶囊化共培养模式的培养效果，如微胶珠直径、微胶珠包埋细胞密度以及RWV培养液循环充氧的速率等，本研究还建立了数学模型来研究不同参数条件下，微囊化共培养体系的传质代谢问题。此模型较好地反映了微囊化共培养体系中葡萄糖、乳酸和溶解氧的主体浓度以及微胶珠内外的浓度分布情况，应用此模型将有助于微胶囊化共培养体系的优化。