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微流控芯片的设计制备及用于内皮祖细胞生长行为的研究

朱晓华  
【摘要】:随着血管支架在冠心病治疗中的应用,晚期血栓及支架内再狭窄等晚期并发症使治疗效果受到严重的挑战。天然内皮细胞具有的抗凝及抗增生特点,逐渐受到研究者的重视,于是植入性心血管材料的快速内皮化迅速成为了近几年的研究热点。内皮祖细胞作为内皮细胞的前体细胞,其在血管修复及血管新生中的作用逐渐被研究者发现并受到重视。关于内皮祖细胞用于快速内皮化的研究也越来越多。由于体内实验环境的复杂性及检测观察的困难,目前对内皮祖细胞识别、筛选、归巢分化的研究,仍然局限在体外静态二维细胞培养平台进行,分阶段单因素研究内皮祖细胞与材料的相互作用,而细胞级联、动态(内皮祖细胞捕获——分化内皮——形成内膜)的生长信息很难系统获得,材料——仿生层——细胞的原位交互作用也不能实时观察和有效调控。微流控芯片系统作为一种迅速发展起来的多功能研究平台,其在生物学中的应用为内皮祖细胞的研究带来了契机。利用它可以突破目前材料仿生构建中三维复合组建的瓶颈,在结构和功能上高仿真进行细胞微环境的三维构建,并可以实时、动态原位的研究内皮祖细胞多阶段生长行为。 本论文设计了6种拥有平行主通道的微流控芯片,通过尺寸更小的通道将平行主通道连接在一起,并利用该芯片模拟天然血管的结构来研究内皮祖细胞在内膜修复中的生长行为。利用COMSOL软件对设计的芯片进行有限元仿真,流体仿真结果显示,有两组芯片由于主通道与小通道之间的宽度比过小,出现了侧流现象,其他几组均满足要求;SDF-1扩散的仿真结果显示,所有芯片均可以在小通道中形成浓度梯度,且梯度的变化差沿液体在主通道中流动的方向逐渐变小。芯片材料(玻璃和聚二甲基硅氧烷)的细胞相容性结果显示,经等离子体处理后,聚二甲基硅氧烷(PDMS)对内皮细胞的粘附、增殖、存活率均显著提高,同时内皮细胞在玻璃表面的增殖能力增强。脐带间充质干细胞的诱导结果显示,细胞具有晚期内皮祖细胞的特征。趋化实验显示,内皮祖细胞可沿基质细胞衍生因子(SDF-1)在芯片中形成的浓度梯度差,向高浓度SDF-1处迁移趋化,并且细胞在高梯度差的SDF-1环境下的趋化效果更加明显。三维培养实验显示,内皮祖细胞在三维状态下具有成管现象。共培养实验显示,内皮祖细胞能够与平滑肌细胞在三维环境下形成血管管腔样结构。 综上所述,微流控芯片技术作为一种多功能实验平台,可以为研究内皮祖细胞对血管内膜修复提供模拟血管结构的三维环境。同时,在心血管疾病研究领域,微流控芯片技术具有非常广阔的应用前景。


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