[发明专利]在聚合膜上的工程细胞生产及其在生物工程方面的应用

说明书

政府支持

本发明完全或部分地由美国国防部下属的国防高级研究项 目管理局支持，授予原始授权号码FA9550-01-1-0015。美国 政府具有本发明的某些权利。

背景技术

在自然界中，活细胞在复杂的生物系统的形成过程中分裂并 相互联结，创造出覆盖微米到米规模的结构-功能体系。这种自 下而上杠杆遗传作用设计和环境刺激能够指导细胞自组装和器 官形成专门的组织和器官。包括神经网络并行处理的能力，横纹 肌的力量、张力和效率的综合以及对病原体的免疫反应远远超过 了人造系统可以达到的程度。研究在人造合成体系中使用活细胞 作为不可缺少的结构单元从而预计能够创造出一类结合了生物 级和工程级材料的优点的混合式装置。由于诱导全体细胞进行这 一行为的体内环境的不可复制性，构建生物合成材料或具有这种 结构-功能关系的工程组织的努力经常失败。例如，设计功能性 肌肉组织需要将肌原纤维节和肌纤维基因控制在微米长度规模， 同时连续组织的细胞定位和形成需要超过毫米到厘米长度规模 的组织提示。因此，为了构建功能性的生物合成材料，生物-非 生物的接触面必须包含能够支持多规模偶联的化学和机械性能。

发明内容

在这里描述的是通过分子发动机整体活化的强健的、本身具 有收缩性的生物合成材料。所述整体包括一个或一系列肌细胞， 例如，骨骼肌细胞、平滑肌细胞、或心肌细胞。做为选择，还可 以使用细胞混合物，例如，肌细胞和神经元细胞混合物。横纹肌 细胞包括骨骼肌和心肌。在自然界中，横纹肌组织利用由具有收 缩性的亚基组成的肌动蛋白-肌球蛋白发动机复合物的高密度系 列，其中，所述具有收缩性的亚基又叫作肌原纤维节，肌原纤维 节串联集合进入肌原纤维，肌原纤维覆盖心肌细胞和骨骼成肌细 胞的长度。这些肌细胞通过转换葡萄糖进入腺苷三磷酸和控制激 动-收缩偶联来为发动机蛋白质供给能量，其中，控制激动-收缩 偶联是通过调节Ca2+浓度来实现的。根据这些性质，肌细胞已 经被开发为一种单细胞线性致动器。这些致动器通过互相联系形 成一种机械上和电学上连续的两维(2D)肌肉组织，例如心肌， 从而使发动机蛋白质的致动同步。形成的不需依靠支撑物的、表 面-修饰的薄膜，例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜使用模式 化胞外基质(ECM)蛋白支持串联定位的肌原纤维节和平行束肌 原纤维的肌细胞自组装。虽然肌细胞能够提供收缩功能，但是聚 二甲基硅氧烷薄膜能够提供补充的弹性和改进的工艺性能。具体 地说，这种聚二甲基硅氧烷薄膜厚度限定了肌肉薄片弯曲劲度， 同时聚二甲基硅氧烷薄膜的结构完整性使肌肉薄片形成相近的 平面形状且不分裂二维肌细胞组织。

设计这些命名为肌肉薄膜(MTF)的构建物来实现需要的功 能性。例如，特异性实施方案包括柔软的机器致动器和半自动仪， 自动漂浮或行走的的运动型构建物或在外部电刺激下漂浮或行 走的运动型构建物。空间构成的肌原纤维节作为具有固有控制系 统的有效线性致动器能够调节收缩开始和传播。同步收缩、协调 收缩期间肌细胞的缩短使聚二甲基硅氧烷薄膜在收缩期间弯曲 并在扩张期间恢复原状。通过设计组织微体系结构的尺寸、形状、 厚度以及致动频率能够获得肌肉薄膜的这些理想的表现特征。在 一个实施例中，可以控制这些变量来获得需要的游泳速度。此外， 在这里使用的用于在半自动漂浮物中直接产生运动型的空间和 暂时对称性中断可以作为一种仿生鳗状运动模型。根据这些实施 例，肌肉薄膜在假肢器官装补学、组织设计、肌肉功能微装置、 工作台上面药物分析(bench top drug analysis)以及机械和化学 传感器方面是有用的。