面向微仿生人工肝组织构建的机器人磁驱组装方法研究

Bioartificial liver system (BAL) based on artificial liver tissue (ALT) provides hepatic function support for patients with acute liver failures or acute-onchronic liver failure. However, without the support of robotic system, the existing methods are difficult to construct the ALT with arrangement pattern of hepatocytes mimicking the hepatic lobule to maintain in vivo hepatocyte phenotype, which influences the therapeutic effects of BAL. To solve this scientific problem about how to retrieve the lobule-shaped characterization in the ALT, our project focuses on the retrieving method of three-dimensional assembly of cells based on magnetically guided manipulation. We will firstly analyze the interaction mechanism between three-finger electromagnetic needles and lobule-shaped cellular microstructures in the liquid environment to establish precise magnetic manipulation. Then, a constrained micro-assembly based robotic-guided nesting manipulation will be developed. With the cooperation and the multi-scaled actuation of micro-robotic system, we will achieve the array-shaped assembly of ALT in order. This project strengthens the application of robotic manipulation in three-dimensional cellular assembly, and enriches the theory of the multi-scaled biological actuation of micro-robotic system. The ALT with micro-scale bionic characteristic facilitates to maintain hepatocyte phenotype in vitro, and can promote the therapeutic effects of BAL.

以人工肝组织为基础的生物人工肝支持系统是末期肝病患者向肝移植顺利过渡和给肝衰竭患者受损肝脏提供修复的重要手段。然而，由于现有的肝组织构建方法与机器人结合度低，人工肝组织无法具备肝细胞按照肝小叶微结构有序排列的微仿生特征，从而导致细胞活性降低，减弱了人工肝的疗效。因此，本项目将围绕具有微仿生特征的人工肝组织构建这一前沿科学问题，重点研究基于机器人引导的磁驱组装构建方法。通过分析液相下三指电磁镊与仿肝小叶细胞群微单元的磁交互机理，建立精确的磁操作方法，研究基于机器人嵌套式引导的约束型微组装策略，通过协同与微/宏跨尺度机器人运动规划，突破微单元阵列化组装难点，最终构建具有肝小叶特征的微仿生人工肝组织。本项目深化了机器人在细胞三维组装中的应用，丰富了面向微/宏融合生物操作的机器人学理论。所构建的微仿生人工肝组织可促进肝细胞体外代偿功能恢复，对提高生物人工肝疗效具有重要意义。

以人工肝组织为基础的生物人工肝支持系统是末期肝病患者向肝移植顺利过渡和给肝衰竭患者受损肝脏提供修复的重要手段。然而，由于现有的肝组织构建方法与机器人结合度低，导致现有技术所构建的人工组织无法模拟人体器官内部精密微观结构，从而无法拥有与人体器官类似的生物功能。为了增加人工组织的结构精密性与细胞密度，组织工程目前正在发展一种“自下而上”的人工组织构造方法。该方法的基本流程是首先构造由细胞组装而成的生物微单元，再对微单元按照体内微组织的结构进行有序组装。由于组装单元体积的微型化可以有效增加组装精度，因此，对微单元有序大量的组装可以有效提高人工组织的构造精度与细胞密度，但微型生物单元也面临着机械强度弱，肉眼难以辨识，易受到损伤，三维操作困难等问题。本项目针对在操作微型生物单元中遇到的问题，研究了液相环境中尖端电磁镊与生物微单元的作用机理，设计了一种基于尖端电磁镊驱动的微缠绕策略，有效完成人工微血管的三维组装。同时，项目也提出了一种基于磁引导沉淀的类肝小叶组织三维组装方法，完成了类肝小叶三维微组织的体外构建与功能性评估。本项目为人工微组织的体外机器人化构建提供新的理论，也为微纳机器人与生物医学相融合提供了可供借鉴的新思路。项目执行期间发表论文7篇，其中以第一作者发表SCI论文5篇，包括3篇一区论文，2篇封面论文；EI论文2篇；申请专利2项，获得国内外会议论文奖励2项