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基于机器人微操作和磁引导的细胞三维组装研究

李兴富  
【摘要】:人类日常生活中充斥着各种难以预料的自然灾害和行为事故,容易造成组织损伤和器官缺失,组织和器官的衰老和退化也威胁着人体健康。组织工程通过细胞的三维组装开发具有人体器官功能的人工组织,为器官修复和再生提供了一种新途径。然而,目前的人工组织的血管化程度较低,导致培养过程中缺乏有效的营养供给。为了避免三维人工组织出现坏疽现象,研究人员广泛采用多层多孔细胞支架作为细胞新陈代谢的微环境。但是该支架的常规构建方法需要复杂的外围设备和较高的制作成本,不利于支架的普及化应用。为解决上述问题,本研究提出了一种机器人技术、微流控技术和磁引导技术相融合的新方法有效简化细胞的三维组装过程,通过在液相环境有序组装细胞微载体实现多层多孔细胞支架的构建。本论文阐述的主要研究内容和成果如下:首先,针对细胞微载体在多层多孔细胞支架中有序排列的需求,提出了一种基于机器人微操作和磁引导的细胞三维组装方法。通过磁引导微操作机器人系统的构建实现了多层多孔细胞支架在液相环境的三维组装,基于微操作机器人、磁引导装置和视觉反馈的融合提高了人工组织体外构建的精确性、灵活性和高效性。其次,针对细胞微载体可控性差的缺点,使用微流控研制出一种宽度可调的磁性纤维状细胞微载体。采用软光刻法研制出微流控芯片,利用化学共沉淀法合成了具有超顺磁性的磁性纳米粒子,分析了相关溶液的体积流速与磁性纤维状细胞微载体宽度的对应关系,实现了磁性纤维状细胞微载体的片上加工,分析了磁性纤维状细胞微载体的磁响应机理,借助磁性纳米粒子增加了纤维状细胞微载体的快速磁响应特性。接着,为解决磁性纤维状细胞微载体在永磁铁的空间磁场中难以灵活操作的问题,利用磁感应强度的汇聚和离散提出了一种形成点阵状磁感应强度的方法。通过理论分析选择了磁化装置的最佳放置区域,根据仿真分析优化了磁化装置的参数,利用软磁铁丝的聚磁效应和阵列布局形成了点阵状磁感应强度,通过磁化装置改变了永磁铁的空间磁场分布,基于磁引导完成了磁性纤维状细胞微载体在液相环境的多样化操作。然后,为克服人工操作效率低、细胞布置定位难、内部营养供给不足和流体扰动影响大等难题,基于机器人微操作和磁引导在液相环境构建了多层多孔细胞支架。分析了机器人系统自动微组装原理,完成了磁引导装置中软磁铁丝的自动识别和磁性纤维状细胞微载体的自动跟踪,设计了磁性纤维状细胞微载体的自动组装策略,实现了具有高孔隙率的多层多孔细胞支架的有序构建。最后,实验验证了本研究提出的细胞三维组装方法的有效性。研究了细胞在磁性纤维状细胞微载体上的粘附效果,初步实现了基于多层多孔细胞支架的细胞三维组装,为组织修复和器官替换提供了新的理论,也为新药研发和毒性测验建立了新的模型。


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