力学因素影响3D支架中细胞由外向内迁移的实验和建模研究

Organ transplantation adopted by clinical treatment to severe organ dysfunction, often faces the shortage of donor and safety issues, such problems can be solved effectively by tissue-engineered organ made by tissue engineering technology. In tissue-engineered skin, for example, the current developed products are greatly restricted in the clinical application, because internal cell distribution of biological scaffold is far less than the external, and functional requirement can not be meet for the tissue-engineered skin. There have been no reports of mechanobiology system studies on cell growth, migration and distribution in 3D scaffolds in this field..In three-dimensional culture, mechanical environment including nutrient solution transportation and reactor dynamic loading can directly control cell migration behaviors, and spatial configurations and material characteristics of 3D scaffolds also affects the active deformation of cells. This project intends to build a model to predict seed cells migration to scaffold internal in the forming of tissue engineered skin and to control the cell distribution in the scaffold, and the research work mainly includes: by experimental research on the cell behaviors in 3D micro-environment, a migration model of single cell is built in different substrate materials and different geometrical configurations; based on macroscopic and microscopic biological material experiments, a controllable scaffold (material, geometrical configurations) is constructed; and a prediction model of controllable porous media for the growth and distribution of cells on scaffolds is constructed based on mechanobiology experiments with mechanical environment of dynamic loading.

体外构建组织工程器官是解决器官移植所面临供体不足和安全性问题的有效途径。立体化培养常出现的问题：支架内部的细胞数远少于基底层和外部，无法达到组织工程产品的功能要求。有关三维支架与种子细胞行为之间的力学-生物学双向调控机理有待进一步研究。本项目以“动态加载”和“三维支架”为关键点，拟构建预测组织工程皮肤形成过程中，力学因素调控种子细胞向支架内部迁移以及支架内细胞分布的多参数预测模型，主要内容：构建以几何构型和基底刚度为参数的3D微环境，定量实验研究种子细胞对3D微环境力生物学响应，构建基于实验数据的微环境力学参数-生化-细胞骨架-变形单细胞迁移模型；基于脱细胞支架宏微观参数，采用生物打印技术构建优化后可控支架（材料、几何构型）；基于在体力学环境进行动态加载的3D支架上细胞迁移和分布实验，构建细胞在支架上生长和分布的可控多孔介质的多参数预测模型。该研究可以为体外构建其他人工器官提供参考。

在临床治疗中，器官移植或人工器官移植是目前挽救重度“器官功能不全”患者的最后手段。评价组织工程产品质量中关键的一项技术参数是产品内部有效细胞的分布密度，人体时刻处在力学环境的影响中，力学刺激及物理微环境对细胞在组织工程支架内增殖、生长以及由外向内迁移等行为起到重要作用。研究组织器官体外构建和体内移植的力学环境、三维支架微结构与细胞迁移行为、支架内部的细胞分布间关系，有助于深入了解组织工程器官移植入体内的生长、重建和修复机制，对解决现有组织工程器官内部细胞严重不足问题及优化设计生物反应器都具有参考价值。.本项目针对三维支架与种子细胞行为之间的力学-生物学双向调控机理进行研究。主要内容包括：①三维微型支架中单细胞行为以及群体细胞的力学生物学实验和建模研究；尤其是支架结构和力学参数对细胞生物学行为的影响②结合脱细胞支架的物理化学特性，筛选可调控弹性模量及微观几何构型的可控支架，并进行种子细胞在其上迁移的实验及对支架优化的实验研究；③研究支架预制微血管通道，形成多种细胞共培养体系。.研究进展中，最重要的研究结果有两点：①可以预制微血管通道网的组织工程支架技术，微通道直径在10-100um，利用此技术，成功在通道内壁形成内皮细胞层，即实现三维成管化。此技术进行成果转化，有望可以解决组织工程产品移植入体内的存活问题，有一定的学术价值和很好的应用前景可以。②通过探索标记成纤维细胞量子点技术，使成纤维细胞在支架内部位置得以标记，实现了长时程支架深部成纤维细胞的迁移示踪问题。该项成果的技术思路可以推广至其他的细胞示踪，为研究组织工程其他问题提供技术支持。