脂肪干细胞微液滴封装及其玻璃化保存过程的机理研究

Adipose-derived stem cells (ADSCs) have broad application prospects in tissue engineering and regenerative medicine, long term cryopreservation of ADSCs with advanced methods and techniques is the effective insurance for their clinical applications. This project is planning to study the mechanism for droplet vitrification of ADSCs using trehalose as the cryoprotective agents (CPAs). The main academic thought is that to maximize the cooling rates via minimizing sample volume, and meanwhile, to minimize the CPA concentration. This project also proposes to improve the cryopreservation outcomes by using the biocompatible thermally responsive nanocapsules to effectively deliver trehalose into ADSCs, since the cryoprotective effect could be maximized only when trehalose is added into both extra and intracellular solution. The major tasks of this project are to (1) explore the mechanism for encapsulating of trehalose using thermally responsive nanocapsules and the mechanism for delivery of trehalose into ADSCs, (2) investigate how the flowing conditions would affect the formation of the droplets based on the basic theory of fluid dynamics and (3) study the thermodynamic and kinetic behaviors for the ultra-freezing processes of the droplets on the chip according to the fundamentals of enhanced heat transfer. Successful accomplishment of this project will provide deep understanding of the mechanism for droplet vitrification, and will further enrich the theory of bioheat and mass transfer, and biothermodynamics.

脂肪干细胞在组织工程和再生医学领域具有广阔的应用前景，依托先进的低温保存方法和技术实现其长期深低温保存，则是保障其临床应用的有效手段。 本项目拟研究使用海藻糖作为低温保护剂实现脂肪干细胞微液滴玻璃化保存过程的机理。其主要学术思想是通过最小化样品体积，进而最大化样品降温速率，从而有效降低玻璃化转变所需的低温保护剂浓度；同时，借助于纳米微胶囊技术将海藻糖输送至细胞内，海藻糖同时存在细胞膜两侧时，可望在最低化低温保护剂浓度的同时，最大化其保存效果。本项目将探索热敏感型纳米微胶囊封装和运输海藻糖的基础机理；依据流体动力学理论，研究单细胞微液滴生成机制及其关键影响因素；依据强化传热理论，研究微液滴在芯片上的超快速降温玻璃化保存过程的传热传质和热力学行为。本项目的顺利开展，对于微液滴玻璃化保存过程的机理研究具有积极的学术和应用价值，同时也可以从微尺度下进一步丰富生物传热传质和生物热力学相关理论。

脂肪干细胞在组织工程和再生医学领域具有广泛的应用前景。当前，干细胞治疗已经成为一种新兴的疾病治疗方法,依托先进的低温保存方法和技术实现其长期、高效的低温保存，则是保障其临床应用的重要基础。本项目围绕核心目标脂肪干细胞的高效玻璃化保存，开展了细胞玻璃化保存的基础机理探究，包括微液滴封装干细胞关键技术参数探索及封装微流体微装置的开发，以及液滴封装干细胞-水凝胶构建物的玻璃化保存等方面的研究。其中，主要包括以下研究内容：优化了微灌流显微平台，测定了细胞膜生物物理学参数，研究了冷冻保护剂最佳添加方案。利用有限元方法数值模拟液滴生成，研究了液滴生成的关键技术参数。开发了可制备封装干细胞微胶囊的微流体装置，实现了干细胞的高效封装和高通量生成。采用数值建模和实验研究了抑制冷冻保存过程中产生的膜态沸腾，大大提高了降温过程中的对流换热。开发了一种新型的微流体方法，用于片上加载和去除保护剂，优化了手动加载和去除保护剂带来的诸多不利影响，减少了渗透，毒性，机械和离心等损伤，为细胞冷冻保存提供了新的思路。研究了水凝胶包裹干细胞形成具有核壳结构的微胶囊优化干细胞的快速冷冻保存。开发了磁性纳米材料与干细胞-水凝胶结合的微胶囊制备技术，并结合电磁场的物理作用实现干细胞冷冻保存的多重优化，实现了其高效回收。研究了水凝胶封装干细胞微液滴和微纤维的冷冻和3D培养，并对细胞活性和生物学功能进行了全面的检测。极大地提高了干细胞玻璃化保存的存活率和应用效果。这些研究成果为实现脂肪干细胞的高效、无毒、低成本的低温保存提供了新的思路，进而为脂肪干细胞库的建立、临床应用和科学研究等提供理论基础和技术支持。在项目执行过程中，开发了多种微流体装置，发现了一系列新的保存问题及物理现象，提出了一批新的研究和设计思想。项目已取得了丰硕的研究成果，获得了多项发明专利，发表了高水平学术期刊达43篇，培养了国内外博士和硕士毕业生30多名。