[发明专利]一种三维支架内细胞定域化负载模型的构建装置和方法

说明书

本发明涉及组织工程领域，公开了一种三维支架内细胞定域化负载模型的构建装置和方法。该装置包括培养容器，以及设于培养容器外、用于在培养容器内形成非均匀分布磁场的磁铁组。利用该装置构建三维支架内细胞定域化负载模型的方法包括以下步骤：将具有连通多孔结构的三维支架置于培养容器底部，将培养容器置于下磁铁组上方；将细胞分散在含有顺磁性物质、水凝胶预聚体和光引发剂的细胞培养基中，加到三维支架上；将上磁铁组置于培养容器上方；静置后，在装置上方用紫外灯照射。采用本发明的装置，能够实现复杂组织结构的模拟，且对不同的三维支架材料具有普适性，且可在无损支架的情况下实现其内部细胞的空间控制，方法简单、高效、成本低。

技术领域

本发明涉及组织工程领域，尤其涉及一种三维支架内细胞定域化负载模型的构建装置和方法。

背景技术

将细胞与三维支架相结合，体外构建组织和器官后进行研究和移植，是组织工程的经典方法。目前往支架内填充细胞主要靠液体的扩散和真空抽取的方式，细胞往往无规分散在支架的多孔结构中。实际组织和器官中细胞的分布具有较强的规律，在支架内控制细胞的分区，进行定域化负载，对体外构建具有真实结构和功能的组织具有重大意义。此外，在植入体内前，支架内细胞定域化负载或多种细胞定域化共培养，制备工程化组织，有利于植入后的组织重建与再生。

如许多组织中具有丰富的血管结构，在三维组织构建时引入特定分布的血管网络进行预血管化，有利于植入后的组织存活。骨骼肌细胞呈现取向分布的特点，通过使细胞按照骨骼肌取向的方向进行条带排列，有利于组织植入后的细胞取向。皮肤表面毛囊呈现阵列排布，在1平方厘米的皮肤上约有30～150个毛囊，通过细胞定域化技术使得毛囊干细胞预先形成点阵化聚集有利于人造皮肤植入后的毛囊再生。现阶段实现细胞定域化负载最主要的方法是模板法和3D打印。这两种方法都对设备和材料性质有较高的要求，如需要材料可在细胞培养条件下固化，且固化速度快。此外，亦可使用具有自修复性能的材料将负载不同细胞的三维材料进行手动拼接，得到定域化负载的工程化组织，但此种方法操作的可控性差，难以规模化。此外在细胞培养环境固化成型的材料力学性能通常交弱，稳定性较差。对于传统的已获批使用的非水溶性生物材料，如聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚己内酯（PCL）等，具有良好的力学性能和生物相容性，但目前尚无较好的方法实现细胞的定域负载。

此外，种子细胞稀缺是工程化组织发展的一个瓶颈问题，3D打印等方法是通过控制材料的分布来控制细胞的分布而非直接控制细胞，细胞在三维材料中均匀分布，在材料成型过程中大量细胞随着部分材料的舍弃也同时被舍弃，造成了巨大的浪费。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三维支架内细胞定域化负载模型的构建装置和方法。采用本发明的装置，能够实现复杂组织结构的模拟，且对不同的三维支架材料具有普适性，且可在无损支架的情况下实现其内部细胞的空间控制，方法简单、高效、成本低。

本发明的具体技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种三维支架内细胞定域化负载模型的构建装置，包括培养容器，以及用于在培养容器内形成非均匀分布磁场的磁铁组；所述磁铁组设于培养容器外。

本发明利用磁阿基米德效应构建三维支架内细胞定域化负载模型，具体机制如下：由于细胞具有抗磁性，因此，在培养容器内非均匀分布的磁场中，细胞会向磁场较弱的区域移动，在培养容器中放置具有连通多孔结构的三维支架作为支撑后，即可在支架内部形成定域的细胞密集区和细胞稀疏或空白区，得到具有规律细胞排布的工程化组织。通过以上方式，可根据不同组织的结构，通过调整上下磁铁组中的磁铁数量、形状、大小和分布，在培养容器中形成不同类型的磁场分布，实现不同组织的构建，并且，待细胞通过水凝胶交联固定或在支架内部贴壁后，可通过二次操作实现多种细胞定域化培养。因此，本发明的装置能够实现复杂组织结构的模拟，获得的工程化组织可用于体外研究，还可用于体内修复再生。