基于细胞微环境控制与微纳同步表征的人工组织血管化机理与调控方法研究

The vascular networks are indispensable for functional engineered tissues. The angiogenesis and its interaction with cell microenvironment is a complicated and sophisticated process. Conventional bio-assays and characterization methods are unable to detect the precise, quantitative and real-time information of this process, which limits the understanding and applications of controlling the vascularization of engineered tissues. Aiming the problem of unknown control mechanisms of the vascularization, this proposal will first build a model to connect the extracellular liquid microenvironment and engineered vascular tissues. By developing an ultra-elastic solid-liquid interface, micro/nano robotic manipulation will be integrated into a microfluidic device, becoming a cell microenvironment control and in situ micro/nano characterization platform. Using this platform, we will conduct time-dependent cell microenvironment control and in-situ morphological characterization of engineered vascular tissues, which will provide data representing the corresponding pairs of inputs and outputs. Through these data, we will summarize the relationship between control parameters and cell activities, in order to verify the model and control mechanisms of the vascularization. Eventually these results will provide methods and experimental evidence to reveal the control mechanisms during the angiogenesis, promoting the applications of micro/nano robotics in biomedical field and advancing the treatments for severer human diseases.

血管网络是构建功能化的人工组织必不可少的一环。血管的生长、以及与细胞微环境的互动，是一连串复杂而又精细的过程。传统的生物分析和观测手段，很难对这个过程获得精确、定量和实时的信息。这严重制约了对人工组织血管化调控机制的深入理解和应用。本项目针对缺乏人工组织血管化调控机制的问题，建立细胞外液体微环境与人工血管网络相互作用的机理模型。通过开发超柔性固液混合相面实现微纳机器人在微流控芯片上无损介入的技术，建立基于微流控芯片和微纳机器人操作的细胞微环境一体化操控和表征实验平台，实施微环境的实时控制和人工血管组织形态的同步表征，获得微纳操控和表征一一对应的输入输出数据结构。以此总结操控参数与细胞行为之间的对应关系，验证人工组织血管化的机理模型和调控方法，最终为揭示血管生长过程中的调控机理提供方法和实验依据，并促进微纳机器人学在生物医学领域的应用，推动人类重大疾病的治疗。

为了探索细胞生长与微环境之间的调控机制，更好地推动人工组织构建，本项目研究和建立了基于微流控芯片和微纳机器人的一体化操控和表征方法和实验平台。完成了基于原子力显微操作的细胞硬度表征。通过在基底改造培养皿上检测细胞硬度，并且根据改造过的培养皿，被检测细胞的硬度能与该细胞的微丝骨架荧光图像相对应。基于原子力显微镜，确定了AFM实验参数和杨氏模量(硬度)计算方法，并分别在细胞良好生存状态和细胞固定死亡的情况下，研究了不同细胞和组织的硬度等物理特性。实现了基于虚拟流体通道的细胞力学特性与流体粘度同步表征。研究了虚拟流道中的溶液粘度测量及细胞力学特性检测的方法。重点研究了微流控虚拟流道的设计和控制方法，建立了虚拟流体通道内细胞检测与PDMS通道检测的技术，通过检测不同粘度细胞溶液实现了微流控芯片内细胞力学特性与溶液粘度的同步表征。提出了一种具有多层配置的模块化微流控芯片系统，实现了高密度的血管化组织可控构建。开发了一种基于塑料倒膜的PDMS微流控芯片制作工艺，制造了截面半封闭的菱形培养液通道，利用两层模块化微流控芯片构建出形态各异的复杂微血管网络。证实了两个装置层之间的垂直血管吻合和血管网络的完整性，以及血管腔的强大屏障特性。这种灵活且可扩展的模块化芯片与微纳操控和表征平台集成，为人工血管组织的构建与应用提供了新的理论方法和技术手段。