微流控骨组织空间和流体剪切力微环境模拟及其整合生物学初步应用基础研究

从整合生物学角度出发，将极具发展潜力的微流控技术同化到生物学研究中，在微流控芯片上构建微小空间环境和稳恒流体剪切力、震荡流体剪切力和间隙流体剪切力等生物系统因素，模拟骨组织微环境并研究骨髓间充质干细胞（MSCs）的基本生物学行为尤其是其成骨定向分化及相关机制，并进一步对分化后细胞骨基质合成分泌和钙盐结晶等矿化过程及其机理进行深入探讨，为在系统层面上研究骨缺损、骨质疏松等疾病以及骨组织工程学和再生医学提供重要依据，并为模拟骨组织微环境的整合生物学研究提供一个全新技术平台。

空间和流体力学对骨等多种组织的发生、发展以及疾病发生均有不可忽视的影响作用，是整合生物学研究的主要内容之一。体外构建包含微组织空间、流体剪切力等诸多要素的骨组织微环境，从细胞-分子水平上研究空间流体剪切力对骨组织细胞活性、增殖以及分化等整合生物学行为的影响至关重要，对促进骨损伤修复及骨质疏松等相关疾病机制研究意义重大。.本项目从整合生物学角度出发，以微流控技术为核心，在芯片上创新性地构建了阵列细胞微球3D培养、微球-基质复合体系、微小空间环境、多重流体剪切力和间隙流体剪切力等细胞流体力学微环境，建立了一系列模拟骨组织流体力学微环境的微流控新体系、新方法，并将其应用于骨髓间充质干细胞（MSCs）生物学行为考察，尤其关注其成骨定向分化相关机制研究，为整合生物学研究提供一个全新技术平台。.主要研究成果如下：.1. 构建了一种基于微流控模板形成阵列细胞微球3D培养及微球-基质复合体系的新方法，利用聚二甲基硅氧烷微凹陷结构芯片，形成尺寸可控的细胞微球，并通过多步基质包埋，形成细胞微球-基质复合体系，模拟细胞生长的3D基质微环境。.2. 开展了用于细胞力学微环境构建的微流控芯片基础性研究，设计制造了一系列不同大小、不同曲率半径的微米结构，研究微小空间环境对骨髓间充质干细胞生长、增殖、取向及成骨/脂肪定向分化等生物学行为的影响，为间充质干细胞应力学响应研究提供重要参考。.3. 设计并制造了一种多重流体剪切力微流控芯片，在一张芯片上可同时提供4个不同大小的流体剪切力，观察在不同的流体剪切力作用下骨髓间充质干细胞的增殖、生长取向和向成骨/脂肪分化等细胞行为的变化。结果表明，随着流体剪切力的增加，MSC细胞成骨分化增强而成脂分化降低，为间充质干细胞分化微环境研究提供了一个理想的多参数研究平台。.4. 建立了一种基于微尺度流体阻力差异设计原理，可形成多级流体剪切力的微流控芯片新方法和理论模型，研究了与生理间隙流大小相当的极低流体剪切力对间充质干细胞生物学行为的影响，并探讨其调节间充质干细胞形态、运动、分化的可能机制。研究发现间充质干细胞可以通过细胞骨架系统感受极低流体剪切力，进而激活 Rho/ROCK 信号通路，促进间充质干细胞的运动与骨形成\。.项目已发表SCI论文2篇，会议论文4篇，举办国际会议1次，申请发明专利3项,授权1项