基于智能化反馈调控的组织细胞轴向应力仿生施加及培养系统研制

应力的生物学作用是组织工程再生医学、运动医学等研究的主要领域，具有重要科学价值。但生物应力的体外仿生水平导致了相关研究设备和实验平台缺乏，已成为制约该领域发展的瓶颈之一。我们前期已成功建立体外组织细胞轴向应力施加和仿生培养装置。本项目拟以组织工程骨、肌腱分别作为轴向压、拉应力的研究对象，通过轴向应力仿生施加模型建立及软件编程、动态力反馈调控应力施加技术和轴向应力仿生施加装置研制，实现轴向应力施加的高效仿生，并通过在线式培养液成分与生化指标综合传感监测模块和整合式液液-气液物质交换器的研制，提高现有培养液自动更新系统的物质交换效能和反馈调控性能，实现高稳态的组织细胞仿生培养，最终研制出一种基于智能化反馈调控的组织细胞轴向应力仿生施加及培养系统。通过其原理和技术的拓展应用，可为多种组织轴向应力的生物学研究及相关领域科学研究提供新的技术支撑平台。

本项目由第三军医大学西南医院牵头，合作单位包括重庆大学生物工程学院、重庆激越科技发展有限责任公司和西安西京医疗用品有限公司。制成样机如下：智能化组织细胞仿生施力和培育系统整机，轴向仿生应力施加装置及反馈施力控制软件，多功能培养室及变容式循环动力泵，肺肾功能仿生的培养液自动更新及调控系统。发表论文6篇，其中SCI收录5篇（IF 22.77），获国家发明专利4件，申报国家发明专利4件，实用新型专利1件。.项目组研制轴向仿生施力装置及反馈施力控制软件，解决了体外组织培养中构建应力环境的两个关键问题。一是对粘弹性材料施力的精确控制：选择适合弹性的柔性元件，消除刚性接触导致的应力突变、瞬态过冲，同时结合仿生施力曲线和力反馈回路，实现稳定、精确施力。二是应力的仿生效果：通过有限元分析人体正常步行时胫骨平台和跟腱的受力，获得典型的应变-应力曲线(受力曲线)，经频谱分析后编写为仿生应力控制软件。用该仿生应力软件配合施力装置，实验表明体外培养组织获得了高度仿生的应力环境。.为实现长时间封闭培养，体外培养的组织细胞需要能自动稳定的生化环境。项目组设计了模拟肺肾功能的培养液自动更新调控系统，主要部件包括在线式PO2/CO2/pH监测模块、葡萄糖传感器、一体化物质交换器。该系统能根据预设的范围自动控制PO2/CO2/pH，同时持续更新葡萄糖等营养物质并排出乳酸等代谢产物。实验表明，该系统能将pH、PCO2和PO2控制在预设范围内，葡萄糖保持在较稳定的水平，较好地控制了乳酸积累。.项目组构建了组织工程骨、肌腱和血管并用于验证整机培养组织的性能。在该系统中培养的组织工程骨、肌腱和血管，细胞数量显著增加，在应力方向上排列有序，成骨活性(ALP、骨钙素)、肌腱标志物（ColI, Decorin等）和血管标志物（VIII因子）等表达分别增高。.项目组利用本培育系统建立了组织工程骨三维压应力实验模型，用于研究应力对组织细胞的作用机制，并有如下发现：EphB6的表达水平与成骨分化水平呈负相关，激活EphB6会抑制成骨分化；EphB6可能通过提高GTP-RhoA水平来抑制成骨分化。.该项目建立了对粘弹性生物组织稳定施力的技术，并能为体外培养组织提供长期稳定的生化环境，适用于组织工程组织构建和生物材料力学的研究。除了产生样机、论文、专利等成果，还做好了将产品推向市场的准备，目前正在与医疗器械公司谈判合作细节