基于反应-扩散机制的组织微结构4D制造机理及方法研究

Four-dimensional (4D) biofabrication towards the tissue/organ regeneration attracts more and more attentions recently. In order to further study the mechanism of 4D self-assembly of cells and find a reliable way to control this self-organization process and extend the Turing Reaction-Diffusion（RD） model to the situation of non-uniform matrix, this project proposes to study the mechanism and method of 4D biofabrication with cellular self-assembling inside 3D uniform hydrogel or hydrogels with mechanical interfaces under a framework of RD mechanism. First, the hydrogels with different properties will be constructed for cell culture in hydrogels and the parameter values for self-assembly will be measured; second, the mechanism of the evolution of 3D tissue structure inside the hydrogel with stiffness interfaces should be investigated, and a corresponding mathematical model based on a Turing-type reaction-diffusion (R-D) framework is planned to be built to predict and help to rationally control the 4D tissue structure formation; third, the platform for Selective Plane Illumination Microscopy (SPIM) will be constructed for 4D imaging with wide scale range from microns to millimeters. The tissue structure will be scanned over time and the 3D imaging data will be acquired. Finally, the in vitro model of hydrogels with various interfaces will be established for the experimental study on self-assembly of cells around the inner stiffness interface, and then the tubular or other tissue structure could be fabricated with rational control.

面向组织和器官再生的四维（4D）生物制造正获得越来越多的关注。为进一步研究细胞4D自组装机理，并使得该自组装过程可理性调控，且将反应扩散模型延伸至非均匀基质的情况，本项目提出在反应-扩散理论框架下对均匀或具有刚度界面的凝胶内组织微结构4D制造机理及方法进行研究。基于申请人前期研究工作，首先，在具有不同特性参数的凝胶中进行4D细胞培养并完成细胞自组装过程参量测量；然后，进行含有刚度界面的非均匀凝胶内3D组织微结构形态随时间演变的机理研究及建模仿真研究，并在反应-扩散机制的框架下得出对组织微结构4D制造的理性控制方法；接着，进行基于光片显微技术的大尺寸3D样品中的荧光成像平台搭建，扫描并采集组织微结构形态随时间变化的三维图像；最后，进行凝胶刚度界面的构建及界面处细胞响应研究，进而在理性控制下制造出各式管状或其他类型的组织结构。

通过外部基质环境激励下的细胞自组装生成其形状或功能随时间动态变化的3D生物结构的技术是一种重要的4D生物制造技术。为进一步研究细胞4D自组装机理，并使得该自组装过程可理性调控，且将反应扩散模型延伸至非均匀基质的情况，本项目在反应-扩散理论框架下对均匀、非均匀或具有刚度界面的凝胶内组织微结构4D制造机理及方法进行了系统研究。主要研究结果包括：首先，在具有不同特性参数的凝胶中进行了4D细胞培养并完成了细胞自组装过程参量测量；然后，进行了含有微纳刚度梯度的非均匀凝胶内3D组织微结构形态随时间演变的机理、以及微纳刚度界面对细胞力学特性以及细胞表型影响方面的试验研究及建模仿真研究；接着，在考虑化学动力学与扩散的耦合关系基础上构建了集成活化子-阻滞子-基质子（activator-inhibitor-substrate, AIS）耦合效应的细胞自组织数学模型，并开发了相应软件，并进行了仿真研究，在反应-扩散机制的框架下得出了对组织微结构4D制造的理性控制方法；之后，搭建了基于光片显微技术的大尺寸3D样品中的荧光成像平台，研究了多细胞和组织微结构形态随时间变化三维图像的采集和扫描技术；最后，进行了用于细胞4D培养研究的集成化微型活细胞工作站的研究，为细胞体外培养生长和组织微结构4D制造过程提供实时动态、精细的原位观测与控制。本项目为自底向上的通过细胞4D自组装的微纳生物制造技术发展提供了理论引导并奠定了多学科交叉条件下的实验基础，这对自组装式微纳生物制造和再生医学的发展具有重要意义。