细胞同步操作与组装的光诱导方法研究

In this field of cutting edge biomedical research, it is of great significance to investigate cell manipulation and cell assembly for biosensors and screening of new drugs. However, lack of simultaneous cell manipulation and assembly makes it impossible to arrange cells accurately for constructing 2D/3D biological tissue. Hence it has been extremely hampering the development of relevant disciplines. In this application, a novel visible-UV based optical-induced method is proposed for the cell manipulation and assembly, and studies include: building the cellular electrohydrodynamics model of multi-field to achieve high through-put and accurate cell manipulation; implementing quality control and optimization of photo-curing process through studying the reaction mechanism of UV induced hydrogel cross-linking reaction; establishing an experimental setup based on visible-UV induced principle for simultaneous cell manipulation and assembly. With its unique capability of integrating cell manipulation and assembly, the experimental setup will be applied for performing batch operations and cell assembly with controllable density. This study which combines the micro-nano manipulation and biotechnology will have revolutionary impacts on biomedical development, and promote the ability of original innovation in interdisciplinary fields including micro-nano manipulation, optics and biofabrication.

在生物医学的前沿研究领域，开展细胞级别的精确操作与组装在新药筛选、生物传感等方面有着巨大的应用潜力。然而，由于缺少一种能够同时实现细胞操控与组装的技术手段，不同类型细胞在生成2D/3D组织内部的精确排列无法实现，这极大地限制了其在相关学科领域的应用。本项目提出一种基于可见-紫外双光束诱导的同步细胞操作与组装方法。构建细胞模块在多物理场作用下的动力学响应模型，实现细胞的高通量、精确操控；研究阐明生物兼容性水凝紫外光固化的反应机理，实现水凝胶固化的优化控制；在此基础上，构建双光束诱导同步细胞操作与组装的一体化实验系统。利用其独特的集操控与组装为一体的能力，开展细胞批量操作与可控密度的2D/3D精确组装实验研究。本项目将微纳操控与生物技术相结合，可为生物医学的发展带来革命性的影响，也将提升我国在微纳操控、光学与生物制造等多学科交叉前沿领域的原始创新能力。

在生命科学和生物医学领域，开展细胞多尺度水平上的研究已经成为相关领域的前沿热点方向。现代医学研究表明人类许多疾病与细胞状态的改变密切相关， 例如癌症的发生和转移通常就是从极少数细胞的病理改变开始的。细胞在体内的生长过程（分化，分裂，增殖和迁移）受到其生长环境的多种因素影响，这些因素在时间和空间上不断地累积就会引起由量变到质变的改变，细胞在空间的分布以及胞外基质都会对细胞的功能状态产生重要影响。研究细胞与环境以及细胞与细胞之间的相互作用，形成类人体生理环境的多细胞复杂组织连接体，阐明细胞受到外界环境的调控机制，有助于认识细胞的生命机理，有助于人们探究疾病的成因和理解疫病的本质，找到有效的预防和治疗手段。.本项目构建基于可见-紫外光的双光束同步细胞操作与组装一体化实验系统；针对细胞模块在多物理场作用下的操作，建立了面向细胞模块的电液动力学模型；阐明了生物兼容性水凝胶紫外光固化反应的机理；研究了同步操作与制造过程对细胞状态的影响，实现了基于微坑阵列的三维细胞球状体模型建立及药物筛选，开展了细胞批量操作与可控密度的 2D/3D 生物制造实验以及基于仿生表面拓扑结构的细胞行为学实验，为面向细胞模块同步操作与组装提供新的理论方法和实现技术。.该方法可用于药物动力学研究，对比传统的细胞模型将获得更为准确的生物体药物毒性反应信息，也可以应用于生物传感领域，制造出具有生物感知特征的生物传感系统和以生物细胞为驱动单元的驱动装置。 该项目对提升细胞层面的操作和组装研究水平，推动微光学、电学、生物医学等多学科交叉领域的发展具有重要的现实意义。