基于微流控芯片的3D细胞微环境构建及其调控内皮祖细胞级联生长行为的研究

Biomimetic modification on material surface can make cardiovascular implants contribute to the process of endothelium self-renewal, so as to effectively prevent thrombosis and intimal hyperplasia. This project aims at two scientific issues .One is the mechanism of endothelial progenitor cell (EPC) repair the injuried intima is unclear and the other is the ongoing biomimetic modification process is short of integration and regulation. In this project high-tech surface engineering technologies combined with microfludic technology are applied to PDMS-glass chip to fabricate cellular microenviroment which are composed of cytokines supply, ligand fixing ,basal cell culture and basement assembly. The modified PDMS-glass chip is a three-dimensional biomemitic integrated micro-device which can be used to capture circulating EPC and regulate EPC’s cascading growth behaviour(chemoattractant/proliferation/differentiation/formation of intima) in vivo. A series of histology, cell culture and molecular biologic experiments are further applied to check the EPC’s biological response and evaluate the application potential of each biomemitic treatment to deeply understand the role of EPC contribute to vascular repair. In the end, the mechanism of material how to regulate EPC specific activity is acquired and can be applied to effectively guide the biomemitic design of new generation biomaterial promoting the intima repair or rebuild on the cardiovascular implants.

材料表面仿生构建能赋予心血管植入器械诱导机体血管内膜自身修复行为,从而有效的防止血栓形成和内膜增生。本项目针对目前材料表面仿生集成性/调控性不足及内皮祖细胞修复内膜机制不清的关键科学问题, 采用表面工程技术结合微流控技术对PDMS-玻璃微流控芯片进行“细胞微环境”表面三维仿生构建,形成具有细胞因子供给\配体固定\组装基膜\基底细胞的集成微区装置。在此基础上进一步结合组织学/细胞/分子学实验原位研究其对循环内皮祖细胞（EPC）的捕获及分化形成内膜的级联生长行为的调控，获得材料调控内皮祖细胞特定行为的分子设计及影响机制；结合动物体内实验，综合评价各仿生构建层的实际应用潜能，深入理解内皮祖细胞修复损伤血管内膜的生物学机理。更有效地指导新一代组织诱导类材料的表面仿生设计，推动心血管系统植入装置体内内膜的修复与重建。

新一代生物医学材料在设计中更加关注材料的“组织诱导性”，材料表面仿生构建能赋予心血管植入器械诱导机体血管内膜自身修复行为,从而有效的防止血栓形成和内膜增生。本项目针对目前材料表面仿生集成性/调控性不足及内皮祖细胞修复内膜机制不清的关键科学问题在以下三个方面进行了重点研究。（1）材料表面仿生构建：使用先进的微纳光刻蚀技术制备具有不同微/纳拓扑结构（尺寸及纹路）的表面进行结构仿生，研究表明微纳组装拓扑结构更有益于基质干细胞（内皮祖细胞）的生长及向平滑肌细胞分化，分化的干细胞进一步可促进内皮细胞的生长；用表面工程技术（化学接枝、层层自组装、物理共混）对细胞外基质成分大分子（透明质酸＼岩藻聚糖＼层黏连蛋白）和表面受体CD133＼多肽RGD＼生长因子VEGF＼趋化因子SDF-1进行材料表面多重三维组装，构建具有仿血管基膜多功能材料表面，获得成分分子组成比，构建方式，浓度对内膜形成过程中内皮祖细胞\内皮细胞\平滑肌细胞及凝血系统的影响。（2）微流控细胞芯片内细胞微环境仿生设计：设计不同的芯片模型，模仿血管局部环境中炎症因子及趋化因子的动态分布环境，获得其浓度分布情况对内皮祖细胞趋化行为的影响；结合研究内容（1）在芯片内部组合构建具有仿血管基膜三维环境，研究其对内膜形成细胞（内皮\内皮祖细胞）及周细胞生长行为的影响。（3）血管再生行为机制：建立了鸡胚血管材料评价体系和心肌梗死动物模型，结合1、2内容将优化获得的具有类基膜三维环境应用到体内，获得了具有优异促血管（内膜）形成的载SDF-1/VEGF壳聚糖、岩藻聚糖/海藻酸钠纳米凝胶三维微环境。本研究进行的结构和功能的仿生尝试所获得的组装参数及方式，可以更有效地指导新一代组织诱导类材料的表面仿生，获得的凝胶及涂层材料可以应用到组织工程及心血管器械表面，更有效地推动心血管系统植入装置体内内膜的修复与重建及组织工程中血管的重建。