基于细胞三维打印的功能组织模型芯片构建与应用研究

In engineering tissue model and living system on chip, cell chip techniques were confronted with the obstacle that how to put different cells into designated places to match the designed pattern of the chip. 3D Cell printer technique provides new theories and techniques to resolve this problem. In this proposal, we study the theories and techniques that assemble cells on designated places to match the designed pattern of chip. Through studing the metabolic system, we get cell types and organization structures for establishing living system on chip. We study the materials and precision control that involved in precise assembling cells on chip. We design and fabricate integrated cell chip for cell assembly technique and living system. Then, we induce the cells on chip to be a living system and detect cells in situ and synchronous. Lastly, we study the application of this living system on chip in drug discovery. Construction and study of such cell chip systems will develop new technologies for tissue engineering, cell chip and drug discovery.

将细胞定位装配到芯片的设计位置形成有功能的组织模型，是细胞芯片向组织模型化、人工组织器官向功能和信息化方向发展面临的关键科学问题，而细胞三维打印和细胞芯片技术的结合为解决这一问题提供了新的理论和技术。 本项目研究用细胞三维打印将细胞精确装配到芯片设计位置、形成功能组织模型并原位检测其生理信号的理论和方法。课题以与高发疾病相关的能量代谢系统功能组织为切入点，在建模分析各组织的细胞种类、组织结构和功能后；设计和制造面向细胞三维打印和组织功能需求的集成型细胞芯片；研究用细胞三维打印技术在芯片上精确装配细胞所涉及的材料成型机制和精度控制方法；在芯片上完成多种细胞组装，诱导细胞形成功能组织单元并形成反馈调控系统，实现多生理信号的原位同步检测。完成建立具有能量代谢系统组织模型的细胞芯片，并初步探讨相关技术在高内涵药物筛选领域中的应用。研究将为组织工程、人工器官、细胞芯片和药物筛选提供新的理论和技术。

将细胞定位装配到芯片的设计位置形成有功能的组织模型，是细胞芯片向组织模型化、人工组织器官向功能和信息化方向发展面临的关键科学问题，而细胞三维打印和细胞芯片技术的结合为解决这一问题提供了新的理论和技术。本项目研究用细胞三维打印将细胞精确装配到芯片设计位置、形成功能组织模型并原位检测其生理信号的理论和方法。项目归纳了在芯片上构建功能组织模型的基本四个共性原则：仿生设计、细胞存活、可实现功能、可打印与集成。设计了在芯片上构建的多组织调控系统的基本结构。完成在芯片上脂肪、胰岛、血管和肝的类组织构建，并诱导组织产生功能并实现通讯，可以仿真能量代谢和药物代谢过程。建立了基于ECIS、IDA和MEM传感器面阵列和灌流培养单元的功能组织模型的芯片设计原则，并建立芯片对多种组织生理信息的原位检测和反馈的方法。建立通过芯片上的传感器进行实时信号检测人工组织细胞功能变化的方法，为生物人工肝、人工胰岛和感觉器官重要人工器官奠定了理论和技术基础。创新性的提出MCT技术，建立了细胞3D打印技术在芯片上装配细胞过程中的材料成型机制和在精度控制系统技术和软硬件平台，解决在芯片上进行细胞三维打印的一些基共性问题，四款生物3D打印装备实现产业化。建立基于芯片原位检测技术、上清液生物化学分析技术、RT-PCR技术的组织芯片检测体系，建立代谢综合症能和药物肝毒性病理特征的模型芯片；构建用组织模型芯片进行药物评价和筛选的技术平台并实现产业化。研究将为组织工程、人工器官、细胞芯片和药物筛选提供新的理论和技术。