面向生物制造的梯度化水凝胶内细胞3D自组装机理的研究

The use of cellular self-organization for constructing three-dimensional (3D) multicellular structures is receiving increased attention for bio-manufacturing and regenerating injured tissue. In order to further study the mechanism of 3D self-assembly of cells and find a reliable way to control this self-organization process and regulate the spatial gradients of the concentrations of cytokines, this project proposes to study the mechanism of 3D cellular self-assembling inside structurally graded hydrogel. First, the structurally graded hydrogel is constructed by manipulating multiple hydrogel cuboids using optically induced dielectrophoretic force, and thus the in vitro model is established for the experimental study on self-assembly of cells inside the hydrogel cuboid combination; Second, a mathematical model based on a Turing-type reaction-diffusion (R-D) framework is planned to be built to explain the experimental results. Third, the diffusion coefficient matrixes of activator, inhibitor and cells as well as the expression of reaction terms are expected to be determined according to the configuration of the in vitro model and experimental results of 3D structure morphology. Finally, the impact of the physical variables in the complete mathematical model on the final 3D cellular structures should be studied through simulations, which could be verified by corresponding experiments. Consequently, the methodology for constructing diverse 3D multicellular architectures could be generalized.

利用细胞的自组织特性构建三维（3D）多细胞结构正成为生物制造和组织再生的一种重要途径并获得越来越多的关注。为进一步研究多细胞3D自组装机理，并使得细胞自组装过程以及细胞因子浓度梯度可控，本项目提出对内部结构特征梯度化（非均匀分布）凝胶块组合体材料中细胞3D自组装机理进行研究。首先，利用光致介电泳力对多个凝胶微块进行操控使其排列成组合体，建立相应的体外试验模型进而对其内部的细胞进行3D自组装试验；其次，基于反应-扩散机制建立描述上述体外试验模型中细胞3D自组装过程的数学模型；然后，根据此体外试验模型及试验结果确定数学模型中激活子、阻滞子及细胞的扩散系数矩阵、反应项中的表达式等；最后，通过仿真计算研究数学模型中各物理变量对3D多细胞结构的影响规律，并结合对应的试验结果归纳出调控细胞自组装过程及形成各类3D多细胞结构的方法。

基于结构支架和细胞3D打印的生物制造技术在组织再生和人工器官再造方面取得长足发展的同时也面临一定的问题和挑战。所以，近年国际上越来越多的研究工作逐渐开始重视细胞先天固有的自组织( self-organizing) 特性。如能尽可能模拟自然界中的作用机制,使细胞自发组装形成组织或器官的内部结构特征，而非主要利用外力将其塑造成特定几何结构,将会进一步创造性地拓宽生物制造领域的研究思路,而且其亦可以和结构支架及细胞3D打印技术相融合。为进一步研究细胞 3D 自组装机理，并使得细胞自组装过程可控，本项目对多种内部结构特征的凝胶体以及梯度化凝胶块组合体中细胞 3D自组装机理进行了研究。一方面，通过对透明质酸修饰，并利用光致介电泳力以及微结构模具成型两种方法构建梯度化凝胶微块组合体，建立了相应的体外试验模型并进行3D自组装试验，研究凝胶块界面以及外源因子等激励因素对细胞自组装的调控作用；另一方面，建立了描述细胞3D自组装过程的反应-扩散数学模型，并结合相应的试验条件进行分类仿真计算。结果表明：这种成分可定量设定的凝胶能够实现细胞正常的生长与稳定的自组织过程；梯度化3D凝胶中可以产生具有空腔的管状多细胞结构，而且此结构形貌与数学模型的仿真结果吻合；通过外源因子能够调节3D组织微结构的形貌，且这种三维形貌的转换与数学模型的仿真结果吻合。由此可通过仿真计算并结合试验结果归纳出调控细胞自组装过程及形成各类3D 组织微结构的方法。本项目为自底向上的基于细胞3D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实验基础，这对自组装式生物制造和再生医学的发展具有重要意义。