基於細胞精確受控組裝體外仿生模型構建的基礎研究

《基於細胞精確受控組裝體外仿生模型構建的基礎研究》是依託清華大學，由孫偉擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：基於細胞精確受控組裝體外仿生模型構建的基礎研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：孫偉
• 項目類別：重點項目

項目摘要

本課題針對生物製造領域前沿，研究基於細胞精確受控組裝體外仿生結構體構建的基礎理論和工藝方法，探討三維體外仿生結構體在組織工程和腫瘤學癌前期病變研究的套用和複雜組織/器官生物製造的材料學、工程學和生物學的基礎原理和關鍵技術。開展組織結構學仿生構建理論和多層次分級結構計算機建模方法的研究；結合生物材料微結構特徵，研究細胞生長微環境的設計和控制；構建複雜三維細胞仿生組織結構模型和癌前病變研究用仿生腫瘤模型。採用基於交變滯慣力驅動的新型細胞微輸運/噴射技術，將細胞三維受控組裝的成形精度提高到單個細胞的尺度，以實現單個細胞可控的細胞精密受控組裝技術；研究細胞微輸運/噴射及組裝過程對細胞的影響，探索細胞損傷的力學和生物學機制，完善細胞三維受控組裝工藝。套用上述技術和方法，設計並構建組織工程或癌前期研究的體外三維細胞模型，以研究組織再生，癌症發生及發展規律，為組織工程和腫瘤學研究提供一種嶄新的研究手段。

結題摘要

本項目圍繞細胞精確受控組裝體外仿生模型構建的基礎理論和關鍵技術開展了系統深入的研究。1、提出基於交變滯慣力驅動的新型細胞微滴運輸及噴射技術，建立了微滴噴射過程的力學模型，自主研發了基於交變滯慣力驅動的單細胞精密受控組裝設備，通過系統的列印可控性、穩定性、細胞活性等工藝研究，將成形精度提高到單細胞尺度，列印成活率達95%以上，成功實現了無高溫、無高壓條件下高精度、低成本的單細胞精確受控組裝。2、首次提出了基於單細胞精確受控組裝和微擠出式細胞列印結合的異質細胞集成三維列印工藝，自主研發了異質細胞集成三維列印設備，成功實現了細胞種類、數量、拓撲形貌和空間位置可控的三維異質細胞模型受控組裝。3、系統研究了適應於細胞生長微環境併兼顧列印成形性能的生物墨水交聯成形機制；通過對多種生物墨水及交在線上理的研究，分析了生物墨水的流變學性能及力學性能、列印結構的成形性能、列印及後處理工藝對細胞存活率及生物學性能的影響規律，建立了系統可操作的細胞精確受控組裝成形工藝參數設計和最佳化方法。4、設計研製了針對癌前期三維細胞模型的仿生培養生物反應器，成功構建了具有單一通道的三維仿生類腫瘤晶片，實現了體外動態培養，並證明所構建的三維腫瘤模型具有與普通三維模型相似的抗藥性。5、基於所研發的細胞精確受控組裝技術，建立了多種癌前病變及多階段體外三維腫瘤模型，包括：宮頸癌、肺癌等多種腫瘤的體外仿生三維結構模型，上皮-間質轉化、腫瘤血管化、腫瘤-免疫相互作用體系等多階段的體外腫瘤發展及異質細胞共培養模型，基於病人來源原代細胞的個性化腫瘤模型等。還實現了三維列印微環境中細胞信號通路的激活以及全能性胚胎幹細胞等敏感細胞模型的三維列印。如上成果成功證明了本項目為體外多種細胞/腫瘤模型的構建及面向個性化治療和藥物檢測的臨床套用基礎研究奠定了理論、工藝及技術基礎，為生物醫學和腫瘤學研究提供了嶄新的研究手段。