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芯片上的三维细胞培养模型构建及其应用研究

【摘要】:由于任何多细胞生物体中的细胞都存在于包括临近细胞和细胞外基质在内的三维微环境中,所以无论是在基础研究、药物筛选或是组织工程和再生医学等领域,构建三维细胞培养模型都具有重要意义。然而,由于目前的三维细胞培养方法依然不能满足生物医学发展的需求,针对这一现状,本文基于芯片等新方法提出了四种新型的三维细胞培养模型,应用于器官和疾病芯片的药物筛选以及组织工程等生物医学领域。主要研究成果如下:(1)构建了一种高通量的三维伤口愈合芯片模型,用于体外细胞三维生长过程研究。基于新型的高通量SU-8网格芯片我们构建了一种新颖的中空三维细胞球体结构,并称其为三维伤口模型。随着该中空细胞球结构的后续培养,细胞将会自发的向其中间伤口区域三维生长,对比传统的二维体外伤口愈合模型,此过程在本研究中被称作三维伤口愈合过程,为体外研究细胞增殖等健康问题的药物筛选提供了更接近体内微环境的平台。(2)发展了一种高通量的血管新生芯片模型。通过进一步优化SU-8网格芯片结构,并利用人脐静脉内皮细胞(HUVEC)在芯片网孔的三维中空培养,我们构建了高通量的仿生人工血管结构。然后基于这些人工血管,我们在芯片中诱导产生了新生血管芽体,并通过对芯片中新生血管出芽过程的调控和分析,验证了该模型对促进血管新生的药物的敏感性和有效性。(3)提出了一种基于三维还原氧化石墨烯泡沫芯片的心肌组织工程构建方法。该方法以泡沫镍为模板,通过氧化还原反应获得还原氧化石墨烯泡沫芯片。通过对其结构、性能和生物相容性等心肌组织工程相关性能的测试,以及SD大鼠原代心肌细胞的长期培养,我们证明了该方法获得的部分氧化石墨烯泡沫芯片在心肌组织工程中的应用潜力。(4)探索了一种基于二氧化硅-生物复合材料的血管芯片制作方法,用于体外三维多层血管组装。该方法以体内三维分叉血管组织为模板,利用二氧化硅生物复制技术获得二氧化硅-生物复合材料三维血管芯片。然后,利用胶原蛋白黏连细胞的方法,在血管芯片表面重新组装内皮细胞,并在胶原蛋白水凝胶中诱导产生基于该血管芯片的新生血管网络。另外,通过多次孵育胶原蛋白溶液的方法,我们进一步探讨了基于胶原蛋白黏连细胞原理的双层细胞组装方式,为体外构建多层三维组织结构提供了更简单可行的途径。综上所述,本文针对目前细胞三维培养技术在体外药物筛选和组织工程等生物医学领域的应用潜力,致力于构建基于微芯片尺度的新型细胞三维培养模型,为体外高通量药物筛选以及组织工程提供更广阔的思路。

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