细胞直接受控组装技术的实现与研究进展.pdf
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1、 快 讯 第 50 卷 第 11 期 2005 年 6 月 1159 细胞直接受控组装技术的实现与研究进展 颜永年 刘海霞 熊 卓 程 捷 王小红 林 峰 吴任东 王常勇 (清华大学机械工程系激光快速成形中心, 生命科学与医学研究院生物制造研究所, 北京 100084. 军事医学科学研究院组织 工程中心, 北京, 100850. E-mail: ) 组织器官损伤和功能障碍是全人类共同关注的 问题1, 如何从根本上解决组织器官的修复与重建, 是当前科学研究的热点. 上世纪末, 出现了细胞间接 受控组装技术, 即在已成形支架上种植细胞的组织 工程. 这一技术为人工器官的制造开创了一条崭新 的道路
2、, 但仅局限于某些组织, 如骨 皮肤和肌腱25 等, 对于制造复杂的内脏器官则困难重重. 目前, 直 接组装细胞成为一个活的预定义结构体的技术还没 有完全实现69. 从材料科学与制造科学的观点出发, 可将组织 视为细胞和细胞外基质材料(ECMsExtracellular Matrix)的复合体, 是一个细胞和其ECMs 可进行物质 和能量交换的开放系统10. 仅将大量细胞无序堆砌 起来并不能构建具有功能的人工组织器官. 可见, 探 寻并优化一种三维结构, 在计算机控制下实现细胞 和ECMs 的有序统一的空间排布, 使其形态和结构满 足开放系统要求, 是实现具有大尺寸和特定功能的 人工组织器官的
3、关键. 本实验室提出了一种基于离散/堆积快速成形原 理的细胞直接受控组装技术. 将细胞与生物相容性 很好的水凝胶材料(37至 0之间)均匀共混作为原 材料, 通过控制溶胶/凝胶相转变, 实现在成形支架 的同时结合细胞. 这一技术可以被应用在按着解剖 学的准确位置定点排布细胞以期获得生物学功能的 复杂问题中5. 具体实验方法及步骤, 用平衡液(0.09 mol/L NaCl tris-HCl, pH: 7.27.4)作为溶剂, 将 10%(w/v)明胶(购于 Sigma)溶液过滤灭菌, 10%(w/v)海藻酸钠(购于 Sigma)溶 液70, 间歇灭菌30 min, 按体积比11 混合均匀以备
4、用. 将单个心肌细胞( 由军事医学科学院组织工程中 心提供) 与已备溶液均匀混合, 得到细胞密度为 2108 个/mL1的细胞- 明胶- 海藻酸钠溶液混合物. 取 0.5 mL 共 混物注入特制的容积 1 mL 喷腔中. 10下根据预先设 计的结构和规划的路径, 将混合溶胶通过细胞组装机(本 实验室研制, 图 1)组装成形. 得到具有一定孔隙结构的 三维结构体(图 2). 将这一含有细胞的结构体浸入到 0.45 mol/L 灭菌的 CaCl2溶液中浸泡 5 min 交联固化, 生理盐水冲洗, 37, 5%CO2环境下培养. 图 1 细胞组装机 图 2 含有心肌细胞的类组织结构体 (10 mm1
5、0 mm3mm) 明胶- 海藻酸钠共混复合材料既避免了单纯物理交联 后的热稳定性和力学稳定性不高的问题, 同时也避免 了单纯化学交联后生成光滑包络面使后继材料无法 粘结的成形困难. 被包裹的明胶给细胞的生长提供 了一种溶胶态的环境, 化学交联的海藻酸盐网络是 支撑结构, 提供暂时力学支持的同时, 也起到保持组 织形成的空间结构. 这一含有细胞的结构体事实上 是一种液固相相结合的亚稳态结构, 随着细胞的增 殖和明胶的不断溶出, 最终达到细胞与ECMs 之间结 构上的平衡. 挤出成形后, 细胞形态仍然很好. 取成形后结构 第 50 卷 第 11 期 2005 年 6 月 快 讯 1160 体的
6、1/10 分成 5 个样本, 分别用 0.1mol/L 柠檬酸钠 溶液完全溶解, 离心(1000g)后去上清, 添加 PBS, 经 0.25%台盼蓝染色计数, 细胞存活率均值为 90%. 试验结果显示水凝胶材料起到保护细胞的作用, 缓 解压力的同时保持细胞在受压过程中不失水. 图 3 是培养 5 d 后的光学显微照片, 可以看到, 细胞体积明显增大, 出现大而圆的单个双个甚至多 个细胞核, 胞浆丰富, 部分细胞处于分裂相. 图 3 培养 5 d 结构体内部细胞光学显微镜照片 图4 是培养7 d后的组织切片(6 m)HE染色照片, 可以明显的看到细胞的分裂相. 实验结果说明, 组装 成形的这种模
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