基于细胞精确受控组装体外仿生模型构建的基础研究

This project at frontier of biomanufacturing field is to study basic theory and technology of in vitro bionic model by precise controlled cell assembling.It will explore applications of in vitro bionic 3D model for tissue engineering, precancerous lesions, and biomanufacturing.. .Relative researches is to implement on histological bionic construction and computer modeling method for multi-layer hierarchical structure.Studies will focus on micro environment for cells growth by micro structure of biological materials,and construction of complex 3D cells/tumor model for precancerous lesions. ..New technology,such as,alternating delay inertial force drived cells micro transport/spraying,will be adopted to improve accuracy of controlled cell assembling to single cell controllable scale. Also, influence on cells during micro transport/spraying will be considered to complete controlled cell assembling process. ..In conclusion, this porject aims at providing a new approach for tissue engineering and oncology. The in vitro 3D model will be applied to study tissue regeneration, tumor occurrence and its development.

本课题针对生物制造领域前沿，研究基于细胞精确受控组装体外仿生结构体构建的基础理论和工艺方法，探讨三维体外仿生结构体在组织工程和肿瘤学癌前期病变研究的应用和复杂组织/器官生物制造的材料学、工程学和生物学的基础原理和关键技术。开展组织结构学仿生构建理论和多层次分级结构计算机建模方法的研究；结合生物材料微结构特征，研究细胞生长微环境的设计和控制；构建复杂三维细胞仿生组织结构模型和癌前病变研究用仿生肿瘤模型。采用基于交变滞惯力驱动的新型细胞微输运/喷射技术，将细胞三维受控组装的成形精度提高到单个细胞的尺度，以实现单个细胞可控的细胞精密受控组装技术；研究细胞微输运/喷射及组装过程对细胞的影响，探索细胞损伤的力学和生物学机制，完善细胞三维受控组装工艺。应用上述技术和方法，设计并构建组织工程或癌前期研究的体外三维细胞模型，以研究组织再生，癌症发生及发展规律，为组织工程和肿瘤学研究提供一种崭新的研究手段。

本项目围绕细胞精确受控组装体外仿生模型构建的基础理论和关键技术开展了系统深入的研究。1）提出基于交变滞惯力驱动的新型细胞微滴运输及喷射技术，建立了微滴喷射过程的力学模型，自主研发了基于交变滞惯力驱动的单细胞精密受控组装设备，通过系统的打印可控性、稳定性、细胞活性等工艺研究，将成形精度提高到单细胞尺度，打印成活率达95%以上，成功实现了无高温、无高压条件下高精度、低成本的单细胞精确受控组装。2）首次提出了基于单细胞精确受控组装和微挤出式细胞打印结合的异质细胞集成三维打印工艺，自主研发了异质细胞集成三维打印设备，成功实现了细胞种类、数量、拓扑形貌和空间位置可控的三维异质细胞模型受控组装。3）系统研究了适应于细胞生长微环境并兼顾打印成形性能的生物墨水交联成形机制；通过对多种生物墨水及交联机理的研究，分析了生物墨水的流变学性能及力学性能、打印结构的成形性能、打印及后处理工艺对细胞存活率及生物学性能的影响规律，建立了系统可操作的细胞精确受控组装成形工艺参数设计和优化方法。4）设计研制了针对癌前期三维细胞模型的仿生培养生物反应器，成功构建了具有单一通道的三维仿生类肿瘤芯片，实现了体外动态培养，并证明所构建的三维肿瘤模型具有与普通三维模型相似的抗药性。5）基于所研发的细胞精确受控组装技术，建立了多种癌前病变及多阶段体外三维肿瘤模型，包括：宫颈癌、肺癌等多种肿瘤的体外仿生三维结构模型，上皮-间质转化、肿瘤血管化、肿瘤-免疫相互作用体系等多阶段的体外肿瘤发展及异质细胞共培养模型，基于病人来源原代细胞的个性化肿瘤模型等。还实现了三维打印微环境中细胞信号通路的激活以及全能性胚胎干细胞等敏感细胞模型的三维打印。如上成果成功证明了本项目为体外多种细胞/肿瘤模型的构建及面向个性化治疗和药物检测的临床应用基础研究奠定了理论、工艺及技术基础，为生物医学和肿瘤学研究提供了崭新的研究手段。