[發明專利]一種基于介電泳吸附原理的細胞三維組裝方法

在審

• 申請號: 201610128542.6
• 申請日: 2016-03-08
• 公開（公告）號: CN105688280A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發明（設計）人: 劉海霞;梁振江;戴向國;劉凱銘;張忠鋼
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: A61L27/38
• 分類號: A61L27/38;A61L27/22;A61L27/18;A61L27/20;A61L27/58;A61L27/02
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技術領域

本發明公開一種基于介電泳吸附原理的細胞三維組裝方法，屬于組織和器官的人工制造 技術領域。

背景技術

20世紀80年代中期，美國麻省理工學院的化學工程師LangerR與哈佛醫學院的外科 學副教授VacantiJP提出了組織工程(TissueEngineering)的概念。組織工程的本質在 于細胞通過某種方式與基質(Matrix)或載體支架(Scaffold)結合起來制造新組織。組織 工程為克服以往臨床應用的組織器官修復與重建技術的諸多缺點開創了新途徑，在全世界范 圍內得到廣泛關注和迅速發展?；诩毎c載體支架相結合方式的組織工程研究，具體是先 成形支架，然后種植細胞，也可稱為細胞間接受控組裝。目前已經在構建結構性組織如皮膚、 軟骨、骨、血管和神經等簡單組織器官及小尺寸組織方面取得了很大的進展。細胞組裝過程 中常用的組裝技術有動態混合、攪拌、灌流種植、真空深度吸濾等細胞組裝技術，這些方式 雖提高了細胞的組裝率，但很難控制初始細胞種植數目和分布空間，多種細胞在三維空間定 點粘附和沉積的可操作性也差，而初始細胞種植數目、細胞的初始分布空間對隨后組織生長 過程具有決定性的影響。特別是對于構建大尺寸實體結構的工程化組織，在支架中心部位的 細胞由于組織液的滲透能力降低而發生營養不良，從而導致生長遲緩，缺乏血管化，最終導 致“夾心”的現象發生。研究者圍繞其中的困難和矛盾進行了大量的研究，包括研究新的細 胞組裝技術、改進支架的特性及材料的表面性能等。

使用電場力操控微粒的介電泳技術于1978年被波爾發現，至今已經得到廣泛的應用。 當一個介電顆粒被放置在一個非均勻場，這一微顆粒會變的有極性，非接觸式的介電泳力就 會作用于微顆粒。這一技術主要被應用在對不同微粒的篩選、移動和轉運。最近的研究顯示 電場可以同時布置多種細胞以滿足組織工程的潛在應用。然而現有介電泳力的應用都僅使用 了二維的電極結構。正方形和菱形排布是兩種常用的用于產生非均勻電場的介電泳電極尖端 設計方法，也有集成微觀尖端在兩個同心螺旋電極間進而提高局部電場梯度,電極對產生的介 電泳力只是操控周圍的細胞貼附于電極表面的二維圖案上。基于介電泳力的三維細胞操控技 術近期出現報道，通過使用簡單的金屬電極提供三維電場以定位和定向目標細胞，通過設計 具有不同高度電極尖端用以捕獲或者分離特定的細胞。HenryK.Chu等在期刊labonchip 上發表文章“Dielectrophoresis-basedAutomatic3DCellManipulationand PatterningthroughaMicro-electrodeIntegratedMulti-layerScaffold”闡述了基于介 電泳技術的三維細胞操控，有望將這一技術應用在組織工程中，然而由于文中采用的材料是 碳黑與聚二甲基硅氧烷(carbonblackandpolydimethylsiloxane，CB-PDMS)的共混 物，這兩種材料是完全無法在體內降解的，故無法應用于以組織工程為目的細胞三維組裝中， 其次論文采用的支架制造技術是通過手工疊加單層立體光刻的導電材料，無法精確的構造類 組織結構體。

提出一種基于介電泳吸附原理的細胞三維組裝方法，通過制造具有導電性的組織工程支 架，將不同細胞(成體細胞、干細胞、內皮細胞或內皮祖細胞)被導電的組織工程支架吸附， 實現精確控制細胞的分布和相對復雜結構體的成形，通過調選支架上導電區域控制不同細胞 組裝，進而實現具有血管網絡的多種細胞組織工程支架的制造。

由于介電泳被認為是一種可以大批量非接觸式操控帶電粒子的無損傷技術，研發超過二 維空間環境應用的介電泳技術，結合快速成形技術制造可導電的組織工程支架，通過對其結 構的設計和組裝細胞介質中電場梯度分布及強弱調控，進而實現特定細胞在標定結構上的空 間分布。這一技術中的組織工程支架在兼有生物相容性、可降解性、結構強度等特點外，還 具有導電性及管網絡，這是基于支架制造的組織工程領域的一個新挑戰。基于此技術制造可 模擬自然組織器官的結構，將多種細胞及生物因子等，定量定位組裝于不同空間位置，組裝 成具有活性的復雜結構體，預期可發育為一定功能的類組織前體，或是為研究不同細胞之間 及與生物信號分子(生物因子，藥物分子等)之間在類自然組織三維結構中的生物反應等提 供必要的基礎技術支持。可預見到，本技術在組織工程器官構建、多種細胞相互作用研究、 藥物系統篩選、生物傳感器等諸多領域有重要的應用價值。