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《中国科学技术大学》 2017年
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细胞介电泳空间操作及微组装的自动化技术研究

宦智杰  
【摘要】:组织工程学是一门多学科交叉的研究领域,其目的是在体外构建人造组织,然后将其移植到体内进行组织的修复和再生。组织的构造通常包括两个主要的步骤,首先是从病人的骨髓中取得干细胞,随后将这些细胞在生物相容性的支架上进行培养以此来促使组织的发育。然而大多数现有的支架结构都过于简单,难以控制细胞的分布。本论文中,我们设计了新型的生物支架结合介电泳技术来实现细胞在支架上的自动种植。本文由以下三个方面展开:首先,提出了一种由多层生物相容性材料构成的新型生物支架,该支架结合介电泳技术实现了对生物细胞的三维操作和排列。我们检验了不同的工艺参数对三维细胞构型的质量和细胞成活率的影响。实验结果表明我们所提出的三维支架能够利用介电泳力机理实现细胞的自动排列,从而构建组织工程学上所需的人造组织。不同的外加电压所产生的电场力对被操作生物细胞生存率的影响也做了评估,选择了最合适的外加电场。其次,设计了一种蜂窝状的模拟原始骨组织结构的多孔生物支架。该支架能够自动将细胞排列成多层的蜂窝状构型。我们使用三种不同的哺乳动物的细胞进行实验,以检测影响蜂窝状细胞构型形成过程中的不同因素。我们还对材料的生物相容性进行了测试,以保证细胞在支架上的生存。在介电泳操作中,不同的电压、频率和操作时间下的细胞生存率也进行了测试,选择了合适的参数进行细胞的排列实验。最后,我们将三维细胞种植的介电泳技术与三维打印技术相结合。该生物支架采用同心圆的结构,意在模拟原始骨组织的构型。这种支架可以用3D打印机来制造。我们选择聚乳酸作为支架的打印材料,在打印出来的结构上镀一层金以增加其导电性,从而可以采用介电泳的机理来操作细胞。将建立的支架模型导入COMSOL中仿真,结果表明在支架上施加电压后,其构成的空间中能够形成非均匀的三维电场。随后我们做了一系列的实验来测试三维支架的特性。概括来说,我们所提出的几种生物支架都成功对生物细胞进行了特定形状的排列,进而构建三维的人造组织实现组织工程学上的应用。基于介电泳的多层支架结构的设计实现了生物细胞的三维自动化排列。蜂窝状的多孔支架结构能够促进细胞的种植效率,从而有利于得到高质量的人造组织构型。新型的3D打印支架结构提供了一个快速建立生物工程支架的途径,让我们能够将细胞排列出我们希望的各种构型。该研究建立了新型的三维生物支架,有助于推动电泳力操作细胞的机理在人造生物组织上的应用。
【关键词】:细胞排列 细胞存活率 介电泳 生物支架
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q2-33
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-12
  • Chapter 1 Introduction12-18
  • 1.1 Background12-13
  • 1.2 Statement of Problems13-14
  • 1.3 Research Objectives14-15
  • 1.4 Methodology and Significance15-16
  • 1.5 Conclusion16-18
  • Chapter 2 Literature Review18-40
  • 2.1 Introduction18
  • 2.2 Cell Manipulation Technologies18-28
  • 2.2.1 Optical Tweezers18-21
  • 2.2.2 Magnetic21-24
  • 2.2.3 DEP24-27
  • 2.2.4 Mechanical27-28
  • 2.3 Microfabrication Techniques28-33
  • 2.3.1 2D Planar Electrode Fabrication29-30
  • 2.3.2 3D Electrode Fabrication30-33
  • 2.4 Different Electrodes for DEP Manipulation33-39
  • 2.4.1 2D Planar Microelectrodes34-36
  • 2.4.2 3D Microelectrodes36-39
  • 2.5 Conclusion39-40
  • Chapter 3 Development of Multilayer Scaffold for 3D Cell Manipulation andPatterning40-54
  • 3.1 Introduction40-41
  • 3.2 Materials and Methods41-45
  • 3.2.1 Multilayer Scaffold Structure Design41-43
  • 3.2.2 Scaffold Fabrication and Assembly43-44
  • 3.2.3 Hardware Setup44-45
  • 3.3 Results and Discussions45-52
  • 3.3.1 Effect of Supply Voltage Input on Multilayer Structure45-46
  • 3.3.2 Characterization of 3D Cellular Pattern46-48
  • 3.3.3 Biocompatibility of Scaffold for Cell Culture48-49
  • 3.3.4 Assessment of Cell Viability after Cell Patterning by DEP49-51
  • 3.3.5 Assessment of Cellular Pattern after Culture51-52
  • 3.4 Conclusions52-54
  • Chapter 4 Characterization of Honeycomb-patterned Scaffold with DEP-basedPatterning for Bone TE54-70
  • 4.1 Introduction54-55
  • 4.2 Materials and Methods55-60
  • 4.2.1 Scaffold Design55-57
  • 4.2.2 Fabrication57-58
  • 4.2.3 Cell Culture58-59
  • 4.2.4 Cell Preparation for DEP Manipulation59
  • 4.2.5 Experimental Setup for DEP-based Cell Patterning59-60
  • 4.3 Results and Discussion60-68
  • 4.3.1 Effects of Input Voltage Frequency60-61
  • 4.3.2 Effects of Material on Cell Culture61-64
  • 4.3.3 Cell Viability during DEP Patterning64-66
  • 4.3.4 Patterning Efficiency66-68
  • 4.4 Conclusions68-70
  • Chapter 5 Development of Engineered Bone Scaffolds with DEP-basedPatterning utilizing 3D Printing70-82
  • 5.1 Introduction70-71
  • 5.2 Materials and Methods71-76
  • 5.2.1 Scaffold Design71-73
  • 5.2.2 Scaffold Fabrication73-74
  • 5.2.3 Cell Preparation74-75
  • 5.2.4 DEP Cell Patterning75
  • 5.2.5 Bone Nodule Formation75-76
  • 5.3 Results and Discussion76-81
  • 5.3.1 Scaffold Characterization76-77
  • 5.3.2 DEP Patterning77-80
  • 5.3.3 Bone Nodule formation80-81
  • 5.4 Conclusions81-82
  • Chapter 6 Conclusion and Future Work82-84
  • 6.1 Conclusion82-83
  • 6.2 Future Work83-84
  • Chapter 7 结束语84-86
  • 7.1 主要工作与贡献84-85
  • 7.2 研究前景和展望85-86
  • Reference86-106
  • 致谢106-108
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果108-110
  • 中文简介110-112

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