仿生结构组织工程心肌的构建及其体外复合式培养技术研究

Spontaneous beating and hypoxia characteristics of myocardium raise the hurdle of its in vitro reconstruction. The current research of cardiac tissue engineering focus on the vascularization of reconstructed myocardium and the micro-environment reconstruction for cell growth..This project proposes new approaches that engineer myocardial tissue with biomimetic structure and with combined culture technique in vitro, along with investigating the effect laws of scaffold structure and culturing physical and chemical parameters on cell growth and tissue formation in vitro, including: (1) designing biomimetic structural scaffold with natural-like extracellular matrix oriented structure and blood vessel-like channeled structure, and exploring the fabrication process of the scaffold; (2) designing and developing combined in vitro culturing bioreactor, with the function of implanting different cell types in different functional areas at the beginning, and realizing dynamic culturing that mimics body fluid circulation in the later period; (3) investigating the effects of scaffold structure parameters (oriented porous structure, axial channeled structure), and in vitro combined culturing parameters (infusion mode, perfusion speed, flow field distribution) on endothelial cell growth and formation of cardiac tissue, and carrying out with biological evaluation. The ultimate goal is to engineer bulk myocardium substitute with similar characteristics of native cardiac tissue..This research would establish the foundation of damaged myocardium repair and in vitro medical model research, and offer methods and approaches for other tissue engineering research at the same time.

心肌自主收缩且易缺氧坏死的特点大大提高了其体外再造的难度，实现再造心肌血管化、构建细胞生长微环境是当前心肌组织工程研究所关注的焦点。.本项目提出体外构建仿生结构组织工程心肌结构体并进行复合式培养的工艺路线，探索支架结构和体外培养理化参数对细胞生长和组织形成的作用规律。包括：（1）设计具有仿天然细胞外基质定向结构、含类血管通道结构的仿生结构支架，并研究支架的成形制造工艺；（2）设计开发体外复合式培养生物反应器，在初期实现不同细胞在不同功能区域的种植，后期实现模拟体液循环的动态培养；（3）深入研究支架结构参数（定向孔隙结构、轴向通道结构）、体外复合式培养参数（灌注方式、灌流速度、流场分布）对内皮细胞生长、心肌组织生成的影响规律，并进行生物学评价。最终形成具有类心肌组织特点的大块心肌替代物。.本项目研究将为病损心肌的修复和体外医学模型研究奠定基础，同时也为其他组织的体外构建提供方法和思路。

心肌组织工程是组织工程领域研究的难点之一，心肌自主收缩且易缺氧坏死的特点大大提高了其体外再造的难度，建立有效的类血管网络、通过多种手段模拟细胞生长微环境，是当前心肌组织工程研究所关注的焦点。.本项目基于仿生的路线，以天然心脏的组成、结构和细胞生存微环境为依据，基于3D打印技术等多种生物材料制造技术，提出并系统研究了基于结构仿生的“含内通道及定向结构”组织工程心肌支架的设计理论、制造平台及工艺方法；同时，基于微环境仿生，构建可实现细胞分区域种植和力-电-灌流耦合培养的多功能复合式生物反应器；并将两者结合，探索支架结构和体外培养参数对细胞生长和组织形成的作用规律。.主要成果包括：.（1）设计了仿生结构心肌支架，并进行类血管结构的设计与优化：模拟天然心肌的细胞外基质，设计了“胶原-壳聚糖-连接蛋白”的支架材料体系；模拟天然心肌的结构，设计了含内通道定向孔隙结构的支架，并建立计算机模型，研究支架结构、灌流等参数对氧浓度和分布影响。.（2）建立了仿生结构心肌支架成形制造的新工艺、新平台：提出了基于“预制-重溶”技术的仿生结构支架制造工艺，设计搭建了高精度气动式3D打印平台，打印多分枝内芯材料，并开发含内芯结构“定向结晶-热致相分离”的材料成形工艺，研究内芯溶出技术，成功制造出含内通道定向孔隙的仿生结构心肌支架。.（3）设计开发了体外多功能复合式生物反应器：成功实现了力学拉伸、电场刺激、灌注培养等多参数的耦合控制；同时，设计细胞分区域种植技术，在初期实现心肌细胞、内皮细胞等在不同功能区域的种植，后期实现模拟细胞生长微环境的动态复合式培养。.（4）生物学评价及规律研究：研究支架结构参数（定向孔隙结构、轴向通道结构）、体外复合式培养参数等对内皮细胞生长、心肌组织生成的影响规律，初步结果表明，该仿生支架与细胞相容性良好，定向孔隙结构有利于心肌细胞沿孔隙定向方向连接、排布；内皮细胞在通道内粘附成长、有望为进一步的血管化奠定基础；力、电、灌注等复合式培养有助于心肌功能的表达。.本项目提出了基于多学科交叉的仿生构建思路，为组织工程心肌的体外构建提出了新的技术方案，研究开发了完整的工艺体系和平台，为进一步的临床研究和医学基础研究奠定了基础。同时，本项目研究的问题也是当前组织工程的共性问题，同时为其他组织（如神经、软骨、肌肉等）的体外构建提供方法和理论基础。