微流控技术可控制备微纤维及微肝组织构建研究

Developing implantable liver tissue scaffold in vitro is an important direction of liver failure treatment. The main challenges for liver tissue scaffold construction are the complicated microstructure of liver tissue and unsustainable phenotype and differentiation function of hepatocytes when isolated from the liver. Current scaffold design and cell culture environment cannot satisfy the need of complicated liver tissue simulation and tissue engineering application. In this project, we will fabricate a novel functional microfibers material with multichannel and multipartition by designing a new microfluidic spinning device. By studying the hepatocytes and endothelial cells co-culture in microfibers and the microenvironment around channels, the effect of co-culture type and microenvironment variation on hepatocyte functions will be obtained, therefore achieving the object of hepatocyte functions preservation and micro-liver tissue construction. This project will establish a new viewpoint and method for the application study of liver tissue engineering. We believe that such kind of functional microfibers material will have great potential applications in the field of tissue engineering and regeneration.

体外构建可植入的肝组织支架是肝功能衰竭治疗的重要发展方向。肝组织复杂的微结构和肝细胞被剥离肝脏后就丧失活性的特点是目前构建肝组织支架面临的重要挑战。目前支架构造和细胞培养环境均无法满足模拟体内复杂肝脏微结构的需要，离实际组织工程应用还有很大距离。本项目拟通过设计一种新型的微流控纺丝设备，制备一种新型的具有多腔体多分区结构的功能性微纤维材料。通过研究肝细胞和内皮细胞在微纤维内的共培养以及腔体周围的微环境，了解细胞共培养模式和微环境变化对肝细胞功能的影响，进而达到维持肝细胞功能和构建微肝组织的目的。本项目的成功实施为肝组织工程的应用研究提供新的思路和方法。相信此类功能化的微纤维材料在组织工程和再生医学领域具有广阔的应用前景。

肝脏移植是目前治疗肝衰竭的理想方法，但器官供应短缺和免疫排斥等问题严重制约了其临床应用。因此，利用生物相容性的材料与肝细胞复合，体外构建具有肝细胞功能的可移植的工程化肝脏，是肝衰竭治疗的重要发展方向。多糖类水凝胶微纤维材料，由于跟细胞外基质有着类似的微结构，成为肝组织构建的首选。微流控芯片技术在制备微纳功能材料方面具有其他方法无法比拟的优势，因此将利用微流控技术制备微纤维材料。在本项目中，首先通过设计新型的微流控芯片平台，制备出适合细胞长期培养和功能性组织形成的具有多腔体结构的微纤维体系，并确定了各制备参数对微纤维结构的影响。通过细胞包埋实验研究，肯定了将细胞包埋在微纤维多腔室内共培养的可能。为了优化微纤维内部结构，解决细胞在空腔内不黏附、易滑脱的问题以及海藻酸钙在体内不稳定的特点，我们改进了微流控芯片，在海藻酸钠通道内侧，添加一条壳聚糖通道，制备出海藻酸钙空腔内壁附有利于细胞黏附的壳聚糖成分的复合微纤维材料。这种通过调控微纤维内部微环境的方法，可以实现微纤维材料对细胞稳定、有效的包埋和培养。在此基础上，通过将复合空腔微纤维材料浸入到PBS（pH7.4）缓冲溶液内30min，外层海藻酸钙壁中的钙离子被缓冲溶液中的磷酸根离子鳌和掉，外层海藻酸钙层被解体，仅剩下跟内部壳聚糖成分结合的络合层，形成超薄聚电解质空腔微纤维（直径~200µm，壁厚1.3±0.3µm）。肝细胞在上述微纤维内均可以长期培养，并稳定增殖，同时具有尿素合成和白蛋白分泌等肝功能表达，实现类肝组织的构建。通过在微纤维空腔内进一步包埋hiPSCs，将hiPSCs诱导向神经分化，实现了在微纤维内构建基于hiPSCs诱导分化的脑类器官。所产生的脑类器官具有人类脑器官发生的基本特征，包括极化的神经上皮、细胞类型的异质性和离散的脑区，与早期脑发育相似。这种通过制备功能性的新纤维材料模拟人体组织内的微结构，为组织工程和器官构建提供了新的方法和思路，相信在组织工程和再生医学领域具有广阔的应用前景。