本發(fā)明專利技術涉及一種基于反應?擴散模型的多細胞結構的制備方法及制備系統(tǒng)，本制備方法包括如下步驟：步驟S1，通過構建的三維凝膠系統(tǒng)對干細胞進行體外培養(yǎng)；以及步驟S2，調控多細胞結構形態(tài)；本發(fā)明專利技術所提出的調控間充質干細胞自組織形成的多細胞結構形貌的方法完全依靠細胞的自組裝，完全省去了目前已有的組織體外構建方法中所必需的外部結構材料及復雜的加工制作工藝，整個制備方法更充分的利用了大量細胞之間的相互通訊能力，并更接近于體內組織的天然形成過程，為人工組織的制備提供了一種更接近體內天然組織、可靠性高的方法。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
基于反應-擴散模型的多細胞結構的制備方法及制備系統(tǒng)
本專利技術是一種在擴散反應數(shù)學模型引導下通過添加合適的細胞因子來調控多細胞結構和組織體外生長過程的方法,涉及生物制造與組織工程的使能技術,特別是骨組織和軟骨組織修復的
技術介紹
實現(xiàn)生物組織的修復和再生是組織工程的主要目標。為實現(xiàn)組織乃至器官的功能再生，越來越多的研究人員設計并制造各種人工替代結構體并將其廣泛應用于生物組織工程，且此類制造逐漸向著更為復雜和精細的方向發(fā)展。具有各種幾何結構特征的生物組織(比如氣管、血管、淋巴管以及腸等)在高等生物體內廣泛存在。此類組織結構體的人造替代物通常需要采用特定的材料在體外構建相應的三維結構體，然后進行相應技術處理，進而得到與體內的組織形狀接近的替代物。此類局部組織替代物都需要先制造出由高分子或金屬材料等外部材料構成的具備特定幾何特征的結構，然后再將其植入體內并與相應的人體組織形成良好連接和融合，進而完成實現(xiàn)人造組織的功能。然而，此類管狀結構體雖然制造精細，但由其本身的材料仍是一些人工合成材料(非生物體自身的組織)，因而仍然很有可能引起人體的排異反應以及不可預料的并發(fā)癥等問題。雖然近年來一些國外研究者運用化合高分子材料結合能夠較好抵抗排異反應的生物分子制作出了一些特殊的“印刷墨水”，并利用基于該“印刷墨水”的三維打印技術制造出人工組織替代物，但這種方法的實施過程復雜，且成本很高。因此，目前有一部分研究工作者通過利用生物體自身細胞的自我組織(self-organizing)特性，構建特定的微環(huán)境進行干細胞的體外三維培養(yǎng)，使來源于人體自身的干細胞自組裝成一種模擬天然生物組織的多細胞結構，且無需由外部的人工合成材料制備的具有特定幾何特征的人工替代物，這樣就能夠從根本上大大減輕人體的排異反應，并大幅度降低人工組織乃至器官的制造成本。但純粹的細胞的自組織行為充滿了較多的不可控性，一些干細胞經(jīng)過一段時間的三維培養(yǎng)自組織形成了特定的多細胞結構，但這些多細胞結構的出現(xiàn)通常難以事先預測，具有一定的隨機性，這就為組織工程和再生醫(yī)學領域的具體應用帶了限制。如能夠在一定的理論或規(guī)律的引導下，通過簡單的生物化學操作就能夠可控的構建和調節(jié)細胞自組織形成的多細胞結構，則對解決上述問題具有積極的推進意義。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的是提供一種制備方法，以解決三維多細胞結構的制備及結構形態(tài)調控的技術問題。為了解決上述技術問題，本專利技術提供了一種三維多細胞結構的制備方法，包括如下步驟：步驟S1，通過構建的三維凝膠系統(tǒng)對干細胞進行體外培養(yǎng)；以及步驟S2，調控多細胞結構形態(tài)。進一步，所述步驟S1中通過構建的三維凝膠系統(tǒng)對干細胞進行體外培養(yǎng)的方法包括如下步驟：步驟S11，將外源細胞因子，即活化子、阻滯子、基質子按照一定比例混合，并均勻分散于細胞培養(yǎng)基中；步驟S12，在細胞培養(yǎng)基中加入一定數(shù)量的干細胞和凝膠配制組合物進行混合，配制出凝膠前體溶液；步驟S13，將所述凝膠前提溶液與交聯(lián)分子溶液以一定的比例混合，經(jīng)過一定時間的孵育，實現(xiàn)凝膠化；步驟S14，在三維凝膠體的上方添加適量培養(yǎng)基，進行培養(yǎng)，構成一多細胞結構。進一步，所述步驟S1中通過構建的三維凝膠系統(tǒng)對干細胞進行體外培養(yǎng)的方法還包括：重復上述步驟S11至步驟S14，配置含有不同配比的外源細胞因子的細胞培養(yǎng)基，以構成一系列具有不同幾何結構特征的多細胞結構。進一步，所述步驟S2中調控多細胞結構形態(tài)的方法包括如下步驟：步驟S21，構建反應-擴散模型；步驟S22，通過反應-擴散模型引導，對三維凝膠體中的多細胞結構進行形態(tài)調控，以形成所需的多細胞結構。進一步，所述反應-擴散模型的數(shù)學表達式包括：上式(1)-(3)中U、V和n分別為活化子，阻滯子和基質子的無量綱濃度；和分別描述活化子、阻滯子和基質子濃度的擴散程度；c為活化子的降解率，e為阻滯子的降解率，b為由活化子生產(chǎn)出阻滯子的產(chǎn)出系數(shù)；以及式(3)中的為適于表示細胞向化學引誘物濃度更高區(qū)域運動的趨化作用項；K代表U和V通過物理鍵聯(lián)進行非線性降解的系數(shù)；D＝DU/DV及q＝Dn/DV分別為活化子對阻滯子，以及細胞對阻滯子的擴散系數(shù)之比；γ為與計算域尺度、生物合成時間尺度以及阻滯子擴散率的關聯(lián)比例因子；t為模擬系統(tǒng)的時間，且t＝DVT/L2,其中T為試驗中細胞培養(yǎng)的時間，L是所涉及的培養(yǎng)物的特征尺度的無量綱單位長度；rn為細胞最大增值率的無量綱形式；ExU、ExV分別為活化子、阻滯子的外源項。進一步，所述步驟S22中通過反應-擴散模型引導，對三維凝膠體中的多細胞結構進行形態(tài)調控，以形成所需的多細胞結構的方法包括如下步驟：步驟S221，通過共聚焦顯微鏡對一系列多細胞結構進行拍照，步驟S222，通過反應-擴散模型模擬出在與一系列多細胞結構相同配置參數(shù)條件下的模擬多細胞結構系列；步驟S223，將培養(yǎng)獲得的多細胞結構與模擬多細胞結構分別按照相同配置參數(shù)條件對比提取趨勢性信息,以調整添加相關外源細胞因子參數(shù)。又一方面，本專利技術還提供了一種反應-擴散模型，以實現(xiàn)對多細胞結構形態(tài)進行調控。為了解決上述技術問題，本反應-擴散模型的數(shù)學表達式包括：上式(1)-(3)中U、V和n分別為活化子，阻滯子和基質子的無量綱濃度；和分別描述活化子、阻滯子和基質子濃度的擴散程度；c為活化子的降解率，e為阻滯子的降解率，b為由活化子生產(chǎn)出阻滯子的產(chǎn)出系數(shù)；以及式(3)中的為適于表示細胞向化學引誘物濃度更高區(qū)域運動的趨化作用項；K代表U和V通過物理鍵聯(lián)進行非線性降解的系數(shù)；D＝DU/DV及q＝Dn/DV分別為活化子對阻滯子，以及細胞對阻滯子的擴散系數(shù)之比；γ為與計算域尺度、生物合成時間尺度以及阻滯子擴散率的關聯(lián)比例因子；t為模擬系統(tǒng)的時間，且t＝DVT/L2,其中T為試驗中細胞培養(yǎng)的時間，L是所涉及的培養(yǎng)物的特征尺度的無量綱單位長度；rn為細胞最大增值率的無量綱形式；ExU、ExV分別為活化子、阻滯子的外源項。第三方面，本專利技術還提供了一種三維多細胞結構制備系統(tǒng)，以解決三維多細胞結構的制備及結構形態(tài)調控的技術問題。所述三維多細胞結構制備系統(tǒng)包括：初步培養(yǎng)單元，通過構建的三維凝膠系統(tǒng)對干細胞進行體外培養(yǎng)，形成一系列具有不同幾何結構特征的多細胞結構；形態(tài)調整單元，調控多細胞結構形態(tài)。進一步，所述形態(tài)調整單元適于構建反應-擴散模型，且通過反應-擴散模型引導，對三維凝膠體中的多細胞結構進行形態(tài)調控，以形成所需的多細胞結構。進一步，所述反應-擴散模型的數(shù)學表達式包括：上式(1)-(3)中U、V和n分別為活化子，阻滯子和基質子的無量綱濃度；和分別描述活化子、阻滯子和基質子濃度的擴散程度；c為活化子的降解率，e為阻滯子的降解率，b為由活化子生產(chǎn)出阻滯子的產(chǎn)出系數(shù)；以及式(3)中的為適于表示細胞向化學引誘物濃度更高區(qū)域運動的趨化作用項；K代表U和V通過物理鍵聯(lián)進行非線性降解的系數(shù)；D＝DU/DV及q＝Dn/DV分別為活化子對阻滯子，以及細胞對阻滯子的擴散系數(shù)之比；γ為與計算域尺度、生物合成時間尺度以及阻滯子擴散率的關聯(lián)比例因子；t為模擬系統(tǒng)的時間，且t＝DVT/L2,其中T為試驗中細胞培養(yǎng)的時間，L是所涉及的培養(yǎng)物的特征尺度的無量綱單位長度；rn為細胞最大增值率的無量綱形式；ExU、ExV分別為活化子、阻滯本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
一種三維多細胞結構的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟S1，通過構建的三維凝膠系統(tǒng)對干細胞進行體外培養(yǎng)；以及步驟S2，調控多細胞結構形態(tài)。
【技術特征摘要】
1.一種三維多細胞結構的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟S1，通過構建的三維凝膠系統(tǒng)對干細胞進行體外培養(yǎng)；以及步驟S2，調控多細胞結構形態(tài)。2.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S1中通過構建的三維凝膠系統(tǒng)對干細胞進行體外培養(yǎng)的方法包括如下步驟：步驟S11，將外源細胞因子，即活化子、阻滯子、基質子按照一定比例混合，并均勻分散于細胞培養(yǎng)基中；步驟S12，在細胞培養(yǎng)基中加入一定數(shù)量的干細胞和凝膠配制組合物進行混合，配制出凝膠前體溶液；步驟S13，將所述凝膠前提溶液與交聯(lián)分子溶液以一定的比例混合，經(jīng)過一定時間的孵育，實現(xiàn)凝膠化；步驟S14，在三維凝膠體的上方添加適量培養(yǎng)基，進行培養(yǎng)，構成一多細胞結構。3.根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S1中通過構建的三維凝膠系統(tǒng)對干細胞進行體外培養(yǎng)的方法還包括：重復上述步驟S11至步驟S14，配置含有不同配比的外源細胞因子的細胞培養(yǎng)基，以構成一系列具有不同幾何結構特征的多細胞結構。4.根據(jù)權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中調控多細胞結構形態(tài)的方法包括如下步驟：步驟S21，構建反應-擴散模型；步驟S22，通過反應-擴散模型引導，對三維凝膠體中的多細胞結構進行形態(tài)調控，以形成所需的多細胞結構。5.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述反應-擴散模型的數(shù)學表達式包括：上式(1)-(3)中U、V和n分別為活化子，阻滯子和基質子的無量綱濃度；和分別描述活化子、阻滯子和基質子濃度的擴散程度；c為活化子的降解率，e為阻滯子的降解率，b為由活化子生產(chǎn)出阻滯子的產(chǎn)出系數(shù)；以及式(3)中的為適于表示細胞向化學引誘物濃度更高區(qū)域運動的趨化作用項；K代表U和V通過物理鍵聯(lián)進行非線性降解的系數(shù)；D＝DU/DV及q＝Dn/DV分別為活化子對阻滯子，以及細胞對阻滯子的擴散系數(shù)之比；γ為與計算域尺度、生物合成時間尺度以及阻滯子擴散率的關聯(lián)比例因子；t為模擬系統(tǒng)的時間，且t＝DVT/L2,其中T為試驗中細胞培養(yǎng)的時間，L是所涉及的培養(yǎng)物的特征尺度的無量綱單位長度；rn為細胞最大增值率的無量綱形式；ExU、ExV分別為活化子、阻滯子的外源項。6.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S22中通過反應-擴散模型引導，對三維凝膠體中的多細胞結構進行形態(tài)調控，以形成所需的多細胞結構的方法包括如下步驟：步驟S221，通過共聚焦顯微鏡對一系列多細胞結構進行拍照，步驟S222，通過反應-擴散模型模擬出在與一系列多細胞結構相同配置參數(shù)條件下的模擬多細胞結構系列；步驟S223，將培養(yǎng)獲得的多細胞結構與模擬多細胞結構分別按照相同配置參數(shù)條件對比提取趨勢性信息,以調整添加相關外源細胞因子參數(shù)。7.一種反應-擴散模型，其特征在于，所述反應-擴散...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：朱曉璐，
申請(專利權)人：河海大學常州校區(qū)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32
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