利用微流控/纳米技术构建血管/神经网络用于再生医学

This proposal aims at myocardium regeneration, which combines microfluidics, electrospinning, cell patterning, three dimensional vascular construction, and gold nanoparticle-based antibacterial technology. We focus on the growth control of cardiomyocytes, neurons, vascular endothelial cells, smooth muscle cells and fibroblasts, and interactions between them. We intend to realize myocardium regeneration by fabricating myocardial patch. We plan to first construct the cadiomyocytes/neurons patch and three dimensional blood vessel surrounded by neurons, secondly integrate these two parts to form a patch with vascular and neural network. Neurons and blood vessels wildly exist in various parts of human body, and are always inseparably interconnected and supplementary to each other. These novel approaches will not only have significant impacts on the cardiovascular medicine, but also on the regeneration of most tissues and organs.

本课题拟采利用微流控、静电纺丝、细胞图案化、三维血管构建、纳米金颗粒抗菌等技术，研究心肌细胞、血管细胞及神经细胞的生长控制及其相互作用。首先单独构建心肌/神经细胞补片及包含外周神经的三维血管，进而构建具有血管及神经网络的心肌补片，并最终用于诱导实现心肌的再生。神经与血管广泛存在于人体的各个部位，两者相辅相成、互为依托。因此，由于血管与神经网络的广泛存在性，对其相互作用展开深入研究，积累大量相关技术经验，不仅对心脑血管组织再生领域有着重大影响，而且对所有组织和器官的再生都将有重大的意义。

在人体中，血管网络主要给组织或器官提供营养物质、氧气等，而神经网络则主要起着调控反馈的作用，血管与神经往往又在人体交汇存在，相辅相成，起着不可分割与不可替代的作用。很多疾病例如心肌梗塞、脑卒中都是由于血管与神经网络的损坏，因此成功构建血管与神经网络对组织再生具有广泛而深远的意义，将会极大程度地延长人类的寿命。本项目拟利用微流控、静电纺丝、细胞图案化、三维血管构建、纳米金颗粒抗菌技术等，研究心肌细胞、血管细胞及神经细胞的生长控制及其相关作用。在实施过程中，我们按照计划书的研究目标和内容开展研究，在完成既定研究任务的前提下，我们又进一步拓展了研究的广度和深度。项目实施中的重要进展如下：1）利用微流控技术和柔性电子器件技术构建了四种神经补片，分别实现了高通量筛选药物的功能、控制药物浓度梯度对神经细胞的影响、监测神经细胞电信号和大鼠癫痫模型中大脑皮层的异常放电状态；2）构建了六种三维血管结构，分别是微电场促进了内皮化进程的小口径电子血管、基因转染质粒抑制平滑肌增殖的三维血管支架、程序性释药的静电纺丝血管、筛选抗菌剂的三维人工血管系统、高生物安全性的水凝胶血管，和外周神经包裹内皮细胞的水凝胶血管；3）利用微流控技术构建了一种心肌细胞补片，实现原位监测心肌细胞电信号，并在大鼠、新西兰兔的心梗模型中监测到缺血、室颤的心肌电信号；利用微流控技术图案化神经、心肌、内皮细胞，构建了一种具有血管与神经网络的心肌补片；4）基于柔性电子器件的监测平台。我们通过微流控技术图案化液态金属电路，发展了一系列柔性健康监测器械，为实时监测神经、心肌等细胞或组织电生理信号甚至是疾病治疗提供了技术支持。在项目的支持下，共发表研究论文125篇，申请国家发明专利18项，培养博士后4人，博士研究生7人，硕士研究生3人。