脂肪幹細胞微液滴封裝及其玻璃化保存過程的機理研究

《脂肪幹細胞微液滴封裝及其玻璃化保存過程的機理研究》是依託中國科學技術大學，由趙剛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：脂肪幹細胞微液滴封裝及其玻璃化保存過程的機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙剛
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

脂肪幹細胞在組織工程和再生醫學領域具有廣闊的套用前景，依託先進的低溫保存方法和技術實現其長期深低溫保存，則是保障其臨床套用的有效手段。 本項目擬研究使用海藻糖作為低溫保護劑實現脂肪幹細胞微液滴玻璃化保存過程的機理。其主要學術思想是通過最小化樣品體積，進而最大化樣品降溫速率，從而有效降低玻璃化轉變所需的低溫保護劑濃度；同時，藉助於納米微膠囊技術將海藻糖輸送至細胞內，海藻糖同時存在細胞膜兩側時，可望在最低化低溫保護劑濃度的同時，最大化其保存效果。本項目將探索熱敏感型納米微膠囊封裝和運輸海藻糖的基礎機理；依據流體動力學理論，研究單細胞微液滴生成機制及其關鍵影響因素；依據強化傳熱理論，研究微液滴在晶片上的超快速降溫玻璃化保存過程的傳熱傳質和熱力學行為。本項目的順利開展，對於微液滴玻璃化保存過程的機理研究具有積極的學術和套用價值，同時也可以從微尺度下進一步豐富生物傳熱傳質和生物熱力學相關理論。

結題摘要

脂肪幹細胞在組織工程和再生醫學領域具有廣泛的套用前景。當前，幹細胞治療已經成為一種新興的疾病治療方法,依託先進的低溫保存方法和技術實現其長期、高效的低溫保存，則是保障其臨床套用的重要基礎。本項目圍繞核心目標脂肪幹細胞的高效玻璃化保存，開展了細胞玻璃化保存的基礎機理探究，包括微液滴封裝幹細胞關鍵技術參數探索及封裝微流體微裝置的開發，以及液滴封裝幹細胞-水凝膠構建物的玻璃化保存等方面的研究。其中，主要包括以下研究內容：最佳化了微灌流顯微平台，測定了細胞膜生物物理學參數，研究了冷凍保護劑最佳添加方案。利用有限元方法數值模擬液滴生成，研究了液滴生成的關鍵技術參數。開發了可製備封裝幹細胞微膠囊的微流體裝置，實現了幹細胞的高效封裝和高通量生成。採用數值建模和實驗研究了抑制冷凍保存過程中產生的膜態沸騰，大大提高了降溫過程中的對流換熱。開發了一種新型的微流體方法，用於片上載入和去除保護劑，最佳化了手動載入和去除保護劑帶來的諸多不利影響，減少了滲透，毒性，機械和離心等損傷，為細胞冷凍保存提供了新的思路。研究了水凝膠包裹幹細胞形成具有核殼結構的微膠囊最佳化幹細胞的快速冷凍保存。開發了磁性納米材料與幹細胞-水凝膠結合的微膠囊製備技術，並結合電磁場的物理作用實現幹細胞冷凍保存的多重最佳化，實現了其高效回收。研究了水凝膠封裝幹細胞微液滴和微纖維的冷凍和3D培養，並對細胞活性和生物學功能進行了全面的檢測。極大地提高了幹細胞玻璃化保存的存活率和套用效果。這些研究成果為實現脂肪幹細胞的高效、無毒、低成本的低溫保存提供了新的思路，進而為脂肪幹細胞庫的建立、臨床套用和科學研究等提供理論基礎和技術支持。在項目執行過程中，開發了多種微流體裝置，發現了一系列新的保存問題及物理現象，提出了一批新的研究和設計思想。項目已取得了豐碩的研究成果，獲得了多項發明專利，發表了高水平學術期刊達43篇，培養了國內外博士和碩士畢業生30多名。