基于液滴微流控的微环境诱导分化干细胞系统的研究

Mesenchymal stem cells (MSCs) with multi differentiation potential, have the promising application in regenerative medicine and tissue engineering. However, the mechanism unerlying stem cells differentiation is still unclear. In this project, we propose a new method to study stem cells differentiation based on droplet microfluidic techniques. Firstly, stem cells will be encapsulated into poly(ethylene glycol) (PEG) hydrogel microspheres generated by droplet microfluidics. Then the microspheres will be transported into a high throughput cell culture array. By changing the hydrogel composition and the input of growth factors, we can control the cell microenvironments, which will have the significant impact on stem cells differentiation. This research combines the advantages of droplet microfluidics, multi-channel manipulation and hydrogel techniques, and can provide an effective platform to study stem cells differentiation mechanism.

针对干细胞分化的复杂性和多样性，为了揭示干细胞在不同生物材料和生长因子调控下的分化机制，本项目采用微流控技术构建以调控细胞微环境为基础的芯片分析系统。我们将利用液滴微流控技术制备包裹干细胞的聚乙二醇水凝胶微球，结合微阀控制，在芯片中构建高通量的细胞培养阵列，分析干细胞在不同水凝胶成分和生长因子的长期刺激下的诱导分化方向。本项目融合了高效的液滴微流控技术、芯片多通道技术和水凝胶技术，通过在芯片中构建高通量的细胞外微环境阵列，为研究干细胞的诱导分化机制提供了一种全新的高效实现的平台。深入理解干细胞的诱导分化机理，能够为干细胞在组织工程等再生医学领域的应用提供重要的研究基础，对于利用干细胞技术治疗疾病的研究有重要意义。

本课题通过微流控芯片和干细胞生物学的学科交叉研究，研究了微流控系统中水凝胶液滴的生成机制和光引发剂对细胞活性的影响，构建了一个全新的大规模产生水凝胶液滴阵列的微流控芯片系统，研究了不同RGD浓度的水凝胶上干细胞分化情况，并开发了一种微流控芯片制备梯度水凝胶的技术，应用于干细胞分化的研究。通过本课题的开展，我们掌握了一种在梯度水凝胶中成功培养干细胞的技术，为进一步深入研究干细胞诱导分化的机制提供了一种全新的高效实现的平台。但是在项目的执行期间也遇到了较大的难题，主要是在液滴阵列芯片实验中，发现长时间保持水凝胶微球中细胞的活性是较大的难题，细胞的生长状态也比较难以控制。但我们在芯片上的干细胞培养实验中积累了很多经验，为日后深入研究微环境干细胞分化机制的科学问题打下了坚实的基础。项目执行期间发表SCI期刊论文2篇，即将投稿论文1篇，申请发明专利5项。培养硕士研究生3名，形成了一支多学科交叉的微流控芯片技术研发队伍。