一种含通道的仿生结构及其电磁力训练装置和方法制造方法及图纸

一种含通道的仿生结构及其电磁力训练装置和方法，属于生物组织工程机生物医疗器械领域。本发明专利技术使用电磁场力训练装置在体外训练含通道的、多功能和多系统的三维仿生结构。该通道在结构主体上呈两端通孔、两端盲孔或一端盲孔一端通孔状态，通道之间相交、平行、共线或异面。本发明专利技术将仿生结构在电场、磁场或复合电磁场中训练或脉动培养，使细胞在微流体通道中逐层定向排布。该结构至少含一种细胞；通道外壁、内壁或通道孔内至少分布有一种细胞。所述仿生结构主体为细胞和天然高分子水凝胶的混合物。所述多通可具备循环、神经和免疫功能。该结构是人体组织或器官的替代物，为高通量药物筛选提供了载体，为器官移植提供了可能。

【技术实现步骤摘要】
一种含通道的仿生结构及其电磁力训练装置和方法
本专利技术属于组织器官制造、生物工程及生物医疗器械领域，涉及一种含通道的仿生结构及其制备方法。
技术介绍
目前，器官移植技术始终面临着免疫排斥，供体短缺，器官分配，伦理道德等一系列问题。据统计，我国每年需要进行器官移植的患者超过150万，但供求比不足1:100[LangerR.TissueEngineering,2007,13(1):1～2]。组织工程学(TissueEngineering)和器官制造(OrganManufacturing)利用工程和医学相结合的概念，从组织和器官层面为这一难题有了崭新的解决途径。人工组织或器官的仿生结构可用于植入体内修复组织缺损，替代器官功能；也可或作为一种体外装置，暂时替代器官功能[曹谊林等,临床外科杂志,2007,15(1):40-41]。目前，利用组织工程学方法构建的组织器官已经在临床上实现了应用，但是这些应用多局限在软骨、上皮等组织，这些组织结构简单，成分单一，尺寸受限。而在复杂器官的组织工程学制造中，人们面临的主要难题是，在构建功能组织和支架结构的同时，构建相应的多功能器官替代物，这些功能主要包括循环系统、神经系统和免疫系统。人体内的重要脏器如心脏、肾脏和肝脏等，都有着复杂的血管、神经、免疫和内分泌系统。细胞存活的适宜环境是在血管周围150～200μm的范围内，否则很快会因物质交流不畅导致死亡；而建立神经系统的联系是移植器官与人体交流的重要途径，这对复杂器官行使功能，参与人体调节系统都有着重大意义。综上，如何构多系统复合的含通道的仿生结构是复杂器官制造中不可避免的问题。另外，目前的含通道的组织/器官仿生结构虽有管道结构来模拟体内的复杂导管，但是这些管道很难在微观层面形成可控的单层或多层细胞层状结构，这要归咎于目前成形技术在微观尺度上的局限性。因此，我们希望采用外加场的作用，在微观尺度上控制微流体管道中单层细胞的附着和定向排列。本专利技术采用外加电场、磁场或复合电磁场的作用，对带电粒子(主要是溶液粒子、普通细胞、磁性细胞和带电细胞)进行排列控制，使得细胞能够按照预设层数排布在管道壁上，得到更类似体内导管的细胞排列样式，达到对细胞的精细操作。清华大学器官制造中心(CenterofOrganManufacturing)采用3D打印技术和旋转组合模具法成功制备出具有一定功能的组织或器官前体。利用现有的单/双喷头快速成形技术(也称3D打印技术)，该中心已成功制备出简单的血管网、肝组织和骨修复材料等[WangX,etal.TrendsinBiotechnology,2007,25:505；WangX.Artificialorgans,2012,36:591]。利用旋转组合模具法[专利201210324600.4]，该中心已设计出具有通道的血管化器官前体。但是，这些技术目前能制备的结构局限在简单的组织，仅含类血管的单一通道，并未应用于多系统(血管、神经和免疫)复合的组织/器官。另外，现有办法仅能制备出一般管状结构，尚不能在管状结构孔内或管壁上灌注或定位细胞。因此我们提出利用多喷头3D打印法和多内芯旋转组合模具法为基础，采用外加场的作用，在微观尺度上控制微流体管道中单层细胞的附着和定向排列，来制备更为贴近人体组织或器官的仿生结构，该仿生结构复合了循环系统、神经系统、免疫系统和内分泌系统等功能，将复杂器官制造技术进一步推进。通过以上分析，现有技术条件下的组织器官替代物形貌和功能单一，往往仅具有一种欠成熟的循环体统(血管网络)，在复杂器官制造和功能发挥方面尚不完善。将3D打印法或旋转组合模具法与器官制造技术结合是医学和工程学的研究热点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种含通道的仿生结构，该结构具备含血管、神经和免洗系统的细胞管道，使其具有真实器官的结构和功能。本专利技术的另一目的是提供一种电磁力训练装置及其训练通道仿生结构的方法，使细胞在电场、磁场或复合电磁场中完成逐层定位，更贴近生物体内部管道的细胞排列。本专利技术的技术方案如下：一种含通道的仿生结构，其特征在于：所述仿生结构包括结构主体和至少一个通道，所述通道分布在结构主体内；所述结构主体为天然高分子水凝胶和细胞组成的混合物，所述细胞浓度为10-108个/mL，该细胞为胚胎干细胞、成体干细胞、成体细胞、癌细胞和诱导多能干细胞中的至少一种；所述通道为单通道或分支通道，通道为两端通孔、两端盲孔和一端盲孔一端通孔结构中的一种或几种组合；通道之间的位置关系为相交、平行、共线或异面；所述通道外壁、通道内壁或通道孔内分布有细胞，细胞为神经系统种子细胞、血管系统种子细胞和免疫系统种子细胞中的至少两种。上述技术方案中，所述所述通道的截面为圆形、椭圆形、多边形或不规则几何图形，且通道截面面积为100μm2-1cm2。所述的一种含通道的仿生结构，其特征在于：所述神经系统种子细胞为神经元和神经胶质细胞中的至少一种；所述血管种子细胞为内皮细胞、平滑肌细胞和脂肪干细胞中的至少一种；所述免疫系统种子细胞为淋巴细胞和固有免疫细胞中的至少一种。本专利技术所述天然高分子水凝胶为海藻酸钠、胶原、基质胶、右旋糖、壳聚糖、明胶和纤维蛋白原中的至少一种，该水凝胶的质量体积浓度为0.1～20％。所述天然高分子水凝胶中复合有细胞冻存剂、细胞生长因子、药物、抗凝血剂和磁性纳米颗粒中的至少一种；所述细胞冻存剂为二甲基亚砜、甘油和右旋糖中的至少一种；所述细胞生长因子为血管内皮生长因子、碱性成纤维细胞生长因子、肝细胞生长因子、人血小板衍化生长因子和转化生长因子中的至少一种；所述的药物为抗肿瘤药物和病毒疫苗中的至少一种；所述的抗凝血剂为肝素和紫杉醇中的至少一种；所述磁性纳米颗粒为铁氧体颗粒、金属型颗粒和氮化铁颗粒中的至少一种。本专利技术提供的一种含通道的仿生结构的电磁力训练装置，其特征在于：所述装置包括电场发生系统、磁场发生系统、样品台和固定平台；所述磁场发生系统和样品台安装于固定平台上；所述电场发生系统含正极和负极；所述样品台设有导轨，所述正极和负极分别通过滑块安装在导轨上；所述样品台位于磁场发生系统内；所述磁场发生系统分包括支架和可旋转圆环，所述可旋转圆环安装在支架的中空结构内，在可旋转圆环上径向对称排布有可拆卸的S极和N极。本专利技术所述的装置中还可包括脉动培养系统；所述脉动培养系统安装于固定平台上；所述脉动培养系统包括脉动系统电机、脉动系统导轨-滑块机构、培养液供给注射器、单向阀、导流管和培养液瓶；所述脉动系统电机通过曲柄与脉动系统导轨-滑块机构连接；所述脉动系统导轨-滑块机构与培养液供给注射器连接。本专利技术所述的装置中，所述正极和负极为金属平板、金属导线或金属探针中的一种。所述S极和N极为永磁体或电磁铁中的一种。本专利技术还提供了一种利用上述装置的电场来训练仿生结构的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：a)将制备好的含通道的仿生结构浸入含悬浮细胞的细胞培养液中，并置于电磁力训练装置的样品台上；b)启动电磁训练装置的电场发生系统，移除磁场发生系统的N级和S级；使含通道的仿生结构位于电场中；电流为大于0，小于等于50mA；电压为大于0，小于等于50V；电流方向采用交流、直流或两者交替使用；c)完成电场对含通道的仿生结构的训练后，将该仿生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含通道的仿生结构，其特征在于：所述仿生结构包括结构主体(101)和至少一个通道，所述通道分布在结构主体(101)内；所述结构主体为天然高分子水凝胶和细胞组成的混合物，所述细胞浓度为10‑108个/mL，该细胞为胚胎干细胞、成体干细胞、成体细胞、癌细胞和诱导多能干细胞中的至少一种；所述通道为单通道或分支通道(105)，通道为两端通孔(103)、两端盲孔(106)和一端盲孔一端通孔结构(104)中的一种或几种组合；通道之间的位置关系为相交、平行、共线或异面；所述通道外壁、通道内壁或通道孔内分布有细胞，细胞为神经系统种子细胞、血管系统种子细胞和免疫系统种子细胞中的至少两种。

【技术特征摘要】
1.一种含通道的仿生结构的电磁力训练装置，其特征在于：所述仿生结构包括结构主体(101)和至少一个通道，所述通道分布在结构主体(101)内；所述结构主体为天然高分子水凝胶和细胞组成的混合物，所述细胞浓度为10-108个/mL，该细胞为胚胎干细胞、成体干细胞、成体细胞、癌细胞和诱导多能干细胞中的至少一种；所述通道为单通道或分支通道(105)，通道为两端通孔(103)、两端盲孔(106)和一端盲孔一端通孔结构(104)中的一种或几种组合；通道之间的位置关系为相交、平行、共线或异面；所述通道的外壁、通道的内壁或通道的孔内分布有细胞，细胞为神经系统种子细胞、血管系统种子细胞和免疫系统种子细胞中的至少两种；所述装置包括电场发生系统(601)、磁场发生系统、样品台(603)和固定平台(605)；所述磁场发生系统和样品台(603)安装于固定平台(605)上；所述电场发生系统(601)含正极和负极；所述样品台(603)设有导轨，所述正极和负极分别通过滑块安装在导轨上；所述样品台(603)位于磁场发生系统内；所述磁场发生系统分包括支架(602)和可旋转圆环(608)，所述可旋转圆环(608)安装在支架(602)的中空结构内，在可旋转圆环(608)上径向对称排布有可拆卸的S极(606)和N极(607)。2.如权利要求1所述的一种含通道的仿生结构的电磁力训练装置，其特征在于：所述装置还包括脉动培养系统(701)；所述脉动培养系统安装于固定平台(605)上；所述脉动培养系统(701)包括脉动系统电机(702)、脉动系统导轨-滑块机构(703)、培养液供给注射器(704)、单向阀(705)、导流管(706)和培养液瓶(708)；所述脉动系统电机(702)通过曲柄与脉动系统导轨-滑块机构(703)连接；所述脉动系统导轨-滑块机构(703)与培养液供给注射器(704)连接。3.如权利要求1或2所述的一种含通道的仿生结构的电磁力训练装置，其特征在于：所述正极和负极为金属平板、金属导线或金属探针中的一种。4.如权利要求1或2所述的一种含通道的仿生结构的电磁力训练装置，其特征在于：所述S极和N极为永磁体或电磁铁中的一种。5.一种采用如权利要求1所述装置对含通道的仿生结构进行训练的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：a)将制备好的含通道的仿生结构浸入含悬浮细胞的细胞培养液中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小红，许雨帆，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11