一种基于自组装技术的人工微组织的构建和组装方法技术

本发明专利技术公开了一种基于生物细胞3D模型与仿人工微组织的自组装方法，在外置电源和外加光路的作用下，负极ITO导电玻璃(2)与正极镀有TIOPC光电导涂层的ITO导电玻璃(3)之间曝光区域的细胞、褐藻酸钠和碳酸钙的混合溶液发生电化学反应(4)中进行反应，生成以褐藻酸钙水凝胶(5)为载体的微生物细胞模型，而后在缩合反应的作用下，在该微生物细胞模型上涂布一层过量的丙烯酸酯聚乙二醇氨基，最后在紫外光和光引发剂的作用下，涂布一层丙烯酸酯聚乙二醇单链DNA，通过DNA上的碱基互补配对可以实现3D生物细胞模型和人工微组织的完全自主构建。本发明专利技术旨在为人体微组织有序化多维重构开辟新思路，为药物开发、药物载体构建、基因工程载体自构、再生医疗、肿瘤等重大疾病的个性化治疗等领域提供新途径。

A method of constructing and assembling artificial microstructures based on self-assembly technology

The present invention discloses a self-assembly method based on biological cell 3D model and artificial micro-tissue. Under the action of external power supply and external light path, the mixed solution of cells, sodium alginate and calcium carbonate in the exposure region between negative ITO conductive glass (2) and ITO conductive glass (3) coated with TIOPC photoconductive coating on the positive electrode is electrolyzed. The reaction (4) was carried out to form a microbial cell model with calcium alginate hydrogel (5) as the carrier, and then, under the action of condensation reaction, an excessive layer of polyethylene glycol amino acrylate was coated on the microbial cell model, and finally, a layer of polyethylene acrylate was coated under the action of ultraviolet light and photoinitiator. Diol single-stranded DNA can be used to construct 3D biological cell model and artificial micro-tissue by base complementary pairing on DNA. The invention aims to open up a new idea for ordered multi-dimensional reconstruction of human microstructures, and provides a new way for the fields of drug development, drug carrier construction, gene engineering carrier self-construction, regenerative medicine, personalized treatment of tumor and other major diseases.

【技术实现步骤摘要】
一种基于自组装技术的人工微组织的构建和组装方法
本专利技术属于自主化生物微操作
，具体涉及一种基于自组装技术的人工微组织的构建和组装方法。
技术介绍
时至今日，人体组织器官的衰竭与失效是当今世界致死率最高且最具挑战的医疗难题，组织和器官移植始终是这类疾病的重要选择之一。仅我国每年需作组织修复和再生治疗的患者就有约1亿人，全球则数倍于此，而再生医学有可能在很大程度上给这些患者以有效帮助。据2014年世界卫生组织统计，全球每年有1570万人因心脏病与脑血管疾病等由组织功能衰竭引起的疾病死亡，死亡率以49％居于世界榜首。据2013年中国卫生部统计提要显示，肿瘤疾病、心脑血管疾病在十大致死疾病中占比60.58％，居于我国榜首。人工微组织重构将人类自体细胞有序三维组装，能够在体外构建具有特定组织器官相似结构与功能的替代品，为器官衰竭、失效与癌变等重大疾病的治疗开辟了新的途径。人工微组织可在体外再现人体功能，作为介于细胞与动物模型之间的新型生物模型，能够深刻揭示生命体的基本规律，将在新药研发、再生医疗、肿瘤等重大疾病的个性化治疗等领域产生重要影响。然而，受现有技术的限制，当前人工微组织的构建方法仍局限于无微血管、无精密微结构的简单人工组织，如何实现与人体组织具有相似构型与内部微结构的人工组织的高效构建仍是亟待解决的难题。该专利技术提出一种基于光诱导电沉积芯片的人工微组织构自组装方法，通过分析光诱导电沉积机理，建立复杂液相环境下的以水凝胶为母体的三维人工微组织构建系统，并通过二次镀膜和光交联技术使微组织单元具有特异性自组装功能，为人体微组织有序化多维重构开辟新思路，促进机械电子与生物医学的融合，为人类重大疾病的治疗提供新途径。
技术实现思路
本专利技术的目的是：为了解决人工微组织自动化多维构建问题，提出一种基于DNA碱基互补配对的人工微组织自主构建方法。本专利技术的技术方案如下。一种人工微组织组装装置，包括：ITO导电玻璃、TIOPc及配套旋涂系统、培养皿、输出电压设备及相关测量监测设备、搭载在显微镜上的数字微镜装置；其特征在于，所述正极镀有TIOPc光电导层的ITO玻璃与负极ITO导电玻璃之间含有目的细胞、褐藻酸钠和碳酸钙的混合溶液；所述正负极ITO玻璃连接在输出电压和检测设备上，所述输出光路是为TIOPc光电导层提供曝光区域，再由数字微镜装置控制曝光区域形状以根据需求构建不同形状的3D细胞模型，在由藻酸钙水凝胶组成的3D细胞模型成型后用去离子水洗入上述培养皿，将溶液替换成氯化钙溶液进行进一步交联反应即固化，再将氯化钙溶液替换为丙烯酸酯聚乙二醇氨基，静置一段时间后再在紫外光和光引发剂的作用下，涂布一层丙烯酸酯聚乙二醇单链DNA，该3D细胞模型可以在溶液中自发和连接有互补单链DNA的3D细胞模型发生特异性结合从而完成3D细胞模型的特异性自组装。所述培养皿包含：下层聚苯乙烯，上层聚二甲基硅氧烷涂层优选地，所述镀有TIOPc的ITO导电玻璃与电源正极连接，所述纯ITO导电玻璃与电源的负极连接；其中两电极之间有阻隔物为储存液体制造空间；当在两极施加电压并在镀有TIOPc的ITO导电玻璃层输出曝光区域，反应生成以褐藻酸钙水凝胶为载体的细胞组织模型。优选地，所述两电极间混合溶液中褐藻酸浓度为1％(w/v)，粘度为200-300cp，碳酸钙的浓度为1％(w/v)，去离子水纯度为98％，细胞浓度为2.3×105cells/mL；一种使用根据以上技术方案中任一项所述的人工微组织组装装置的方法，包括以下步骤：是利用TIOPc作为光电导层的ITO导电玻璃进行细胞组织模型的构建；将所述带有TIOPc镀层的ITO导电玻璃与电源正极连接，所述的纯ITO导电玻璃与电源的负极连接；在所述电源和光照的共同作用下，两电极间的细胞、褐藻酸钠和碳酸钙的混合溶液在正极镀有TIOPc光电导层的ITO导电玻璃上发生电化学反应，生成以褐藻酸钙水凝胶为载体的3D细胞组织模型；是利用氯化钙溶液对上述褐藻酸钙水凝胶进行进一步固化成型；在由褐藻酸钙水凝胶组成的3D细胞模型上使用丙烯酸酯聚乙二醇氨基自发与褐藻酸钙水凝胶发生的缩合反应进行第一次镀层在紫外光和光引发剂的作用下利用丙烯酸酯聚乙二醇单链DNA和丙烯酸酯聚乙二醇氨基发生的光交联反应进行第二次镀层。一种使用根据以上技术方案所述的方法制造的人工微组织，所述人工微组织包括以褐藻酸钙水凝胶为载体的细胞组织模型，所述细胞组织模型与人体组织具有相似的构型与内部微结构并且该细胞组织模型能够通过DNA进行特异性自组装。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术采用TIOPc光电导涂层加工人工微组织，可根据需求制作任意形状大小的3D组织模型，该方法具有高度的可控性和多样性，可实现全方位的人工微组织构建；(2)本专利技术人工微组织模型采用了三层结构，底层为褐藻酸钙水凝胶，中间层为丙烯酸酯聚乙二醇氨基，表层为丙烯酸酯聚乙二醇单链DNA，以致该人工微组织可以实现特异性自动化构建。附图说明图1为本专利技术的基于光诱导电沉积芯片的人工微组织构建装置示意图；图2为本专利技术的自组装人工微组织合成工艺流程图；其中，1-有机玻璃、2-ITO导电涂层、3-TIOPc光电涂层、4-褐藻酸、碳酸钙和细胞组成的混合溶液、5-以褐藻酸钙水凝胶为载体的人造微细胞组织模型、6-数字微镜装置具体实施方式参见附图1，基于光诱导电沉积微芯片的人工微组织构建装置，它包括：(3)褐藻酸、碳酸钙和细胞组成的混合溶液(4)、以褐藻酸钙水凝胶为载体的3D细胞组织模型(5)；其中上方玻璃电极的底层为有机玻璃层(1)，表层为ITO导电玻璃层(2)为两层结构，而下方玻璃电极的底层为有机玻璃层(1)、中间层为ITO导电涂层(2)，表层为TIOPc光电涂层(3)，层与层之间胶连在一起，在外电源连接在上下两玻璃电极的ITO导电玻璃层上(2)，其中下方玻璃电极连接电源正极上方玻璃电极连接电源负极。在光照和电源作用下，褐藻酸、碳酸钙和细胞的混合溶液在正极ITO导电玻璃(4)的TIOPc光电涂层(3)的光斑区域上和溶液中去离子水中进行反应，生成以褐藻酸钙水凝胶(5)为载体的人造微细胞组织；参见附图2,所述的自组装人工微组织合成工艺包括：将由基于光诱导电沉积微芯片的人工微组织构建装置产生的以褐藻酸钙水凝胶为载体的人造微细胞组织模型(5)置入培养皿中。将含有1.1％(w/v)氯化钙和0.45％(w/v)氯化钠的水溶液倒入培养皿中，静置4分钟后将溶液替换为含10Mm/ml的丙烯酸酯聚乙二醇氨基和0.9％(w/v)氯化钠的水溶液，静置6分钟后将溶液替换为30％(w/v)的丙烯酸酯聚乙二醇单链DNA和0.9％(w/v)氯化钠的水溶液，在紫外光照条件下发生光交联反应并形成能够完成特异性自组装人工微组织结构单元。所述TIOPc光电涂层为0.15％(w/v)TIOPc和0.075％(w/v)聚乙烯醇缩丁醛分散于50％体积比的环己酮和50％体积比的丁酮中以1200rpm的旋涂速度涂布于ITO导电层上，并在120℃下干燥30分钟。所述光照和电源作用其中光照由数字微镜装置(6)提供可编程光斑提供，电源为3-6V稳压直流电源。所述培养皿为聚苯乙烯培养皿并在表面涂有聚二甲基硅氧烷涂层。所述紫外光照条件为365nm紫外光以300mW/cm2照本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人工微组织，包括以褐藻酸钙水凝胶为载体的细胞组织，所述细胞组织与人体组织具有相似的构型与内部微结构，并且该细胞组织能够通过DNA进行特异性自组装。

【技术特征摘要】
1.一种人工微组织，包括以褐藻酸钙水凝胶为载体的细胞组织，所述细胞组织与人体组织具有相似的构型与内部微结构，并且该细胞组织能够通过DNA进行特异性自组装。2.根据权利要求1所述的人工微组织，其特征在于，所述人工微组织的结构单元包括底层、中间层和表层；所述底层为褐藻酸钙水凝胶，中间层为丙烯酸酯聚乙二醇氨基，表层为丙烯酸酯聚乙二醇单链DNA。3.一种用于构建人工微组织的装置，包括第一电极、第二电极、电压输出设备、电压监测设备、光照输出设备，其特征在于，所述第一电极与所述电压输出设备的负极电连接，所述第二电极与所述电压输出设备的正极电连接；所述第一电极和所述第二电极之间设有容纳第一溶液的空间；所述光照输出设备能够向所述第二电极输出光照，从而在所述第二电极形成具有可控形状的光斑区域，构建所需形状的细胞组织模型。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一电极包括底层和表层，所述底层为有机玻璃层，所述表层为ITO导电玻璃层。5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二电极包括底层、中间层和表层，所述底层为有机玻璃层，所述中间层为ITO导电涂层，所述表层为TIOPc光电涂层；所述光斑区域位于所述表层。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述TIOPc光电涂层为0.15％(w/v)TIOPc和0.075％(w/v)聚乙烯醇缩丁醛分散于50％体积比的环己酮和50％体积比的丁酮中以1200rpm的旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：王化平，石青，郑志强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11