[发明专利]一种基于介电泳吸附原理的细胞三维组装方法

说明书

技术领域

本发明公开一种基于介电泳吸附原理的细胞三维组装方法，属于组织和器官的人工制造 技术领域。

背景技术

20世纪80年代中期，美国麻省理工学院的化学工程师LangerR与哈佛医学院的外科 学副教授VacantiJP提出了组织工程(TissueEngineering)的概念。组织工程的本质在 于细胞通过某种方式与基质(Matrix)或载体支架(Scaffold)结合起来制造新组织。组织 工程为克服以往临床应用的组织器官修复与重建技术的诸多缺点开创了新途径，在全世界范 围内得到广泛关注和迅速发展。基于细胞与载体支架相结合方式的组织工程研究，具体是先 成形支架，然后种植细胞，也可称为细胞间接受控组装。目前已经在构建结构性组织如皮肤、 软骨、骨、血管和神经等简单组织器官及小尺寸组织方面取得了很大的进展。细胞组装过程 中常用的组装技术有动态混合、搅拌、灌流种植、真空深度吸滤等细胞组装技术，这些方式 虽提高了细胞的组装率，但很难控制初始细胞种植数目和分布空间，多种细胞在三维空间定 点粘附和沉积的可操作性也差，而初始细胞种植数目、细胞的初始分布空间对随后组织生长 过程具有决定性的影响。特别是对于构建大尺寸实体结构的工程化组织，在支架中心部位的 细胞由于组织液的渗透能力降低而发生营养不良，从而导致生长迟缓，缺乏血管化，最终导 致“夹心”的现象发生。研究者围绕其中的困难和矛盾进行了大量的研究，包括研究新的细 胞组装技术、改进支架的特性及材料的表面性能等。

使用电场力操控微粒的介电泳技术于1978年被波尔发现，至今已经得到广泛的应用。 当一个介电颗粒被放置在一个非均匀场，这一微颗粒会变的有极性，非接触式的介电泳力就 会作用于微颗粒。这一技术主要被应用在对不同微粒的筛选、移动和转运。最近的研究显示 电场可以同时布置多种细胞以满足组织工程的潜在应用。然而现有介电泳力的应用都仅使用 了二维的电极结构。正方形和菱形排布是两种常用的用于产生非均匀电场的介电泳电极尖端 设计方法，也有集成微观尖端在两个同心螺旋电极间进而提高局部电场梯度,电极对产生的介 电泳力只是操控周围的细胞贴附于电极表面的二维图案上。基于介电泳力的三维细胞操控技 术近期出现报道，通过使用简单的金属电极提供三维电场以定位和定向目标细胞，通过设计 具有不同高度电极尖端用以捕获或者分离特定的细胞。HenryK.Chu等在期刊labonchip 上发表文章“Dielectrophoresis-basedAutomatic3DCellManipulationand PatterningthroughaMicro-electrodeIntegratedMulti-layerScaffold”阐述了基于介 电泳技术的三维细胞操控，有望将这一技术应用在组织工程中，然而由于文中采用的材料是 碳黑与聚二甲基硅氧烷(carbonblackandpolydimethylsiloxane，CB-PDMS)的共混 物，这两种材料是完全无法在体内降解的，故无法应用于以组织工程为目的细胞三维组装中， 其次论文采用的支架制造技术是通过手工叠加单层立体光刻的导电材料，无法精确的构造类 组织结构体。

提出一种基于介电泳吸附原理的细胞三维组装方法，通过制造具有导电性的组织工程支 架，将不同细胞(成体细胞、干细胞、内皮细胞或内皮祖细胞)被导电的组织工程支架吸附， 实现精确控制细胞的分布和相对复杂结构体的成形，通过调选支架上导电区域控制不同细胞 组装，进而实现具有血管网络的多种细胞组织工程支架的制造。

由于介电泳被认为是一种可以大批量非接触式操控带电粒子的无损伤技术，研发超过二 维空间环境应用的介电泳技术，结合快速成形技术制造可导电的组织工程支架，通过对其结 构的设计和组装细胞介质中电场梯度分布及强弱调控，进而实现特定细胞在标定结构上的空 间分布。这一技术中的组织工程支架在兼有生物相容性、可降解性、结构强度等特点外，还 具有导电性及管网络，这是基于支架制造的组织工程领域的一个新挑战。基于此技术制造可 模拟自然组织器官的结构，将多种细胞及生物因子等，定量定位组装于不同空间位置，组装 成具有活性的复杂结构体，预期可发育为一定功能的类组织前体，或是为研究不同细胞之间 及与生物信号分子(生物因子，药物分子等)之间在类自然组织三维结构中的生物反应等提 供必要的基础技术支持。可预见到，本技术在组织工程器官构建、多种细胞相互作用研究、 药物系统筛选、生物传感器等诸多领域有重要的应用价值。