基于反应‑扩散模型的多细胞结构的制备方法及制备系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于反应‑扩散模型的多细胞结构的制备方法及制备系统，本制备方法包括如下步骤：步骤S1，通过构建的三维凝胶系统对干细胞进行体外培养；以及步骤S2，调控多细胞结构形态；本发明专利技术所提出的调控间充质干细胞自组织形成的多细胞结构形貌的方法完全依靠细胞的自组装，完全省去了目前已有的组织体外构建方法中所必需的外部结构材料及复杂的加工制作工艺，整个制备方法更充分的利用了大量细胞之间的相互通讯能力，并更接近于体内组织的天然形成过程，为人工组织的制备提供了一种更接近体内天然组织、可靠性高的方法。

【技术实现步骤摘要】
基于反应-扩散模型的多细胞结构的制备方法及制备系统
本专利技术是一种在扩散反应数学模型引导下通过添加合适的细胞因子来调控多细胞结构和组织体外生长过程的方法,涉及生物制造与组织工程的使能技术,特别是骨组织和软骨组织修复的

技术介绍
实现生物组织的修复和再生是组织工程的主要目标。为实现组织乃至器官的功能再生，越来越多的研究人员设计并制造各种人工替代结构体并将其广泛应用于生物组织工程，且此类制造逐渐向着更为复杂和精细的方向发展。具有各种几何结构特征的生物组织(比如气管、血管、淋巴管以及肠等)在高等生物体内广泛存在。此类组织结构体的人造替代物通常需要采用特定的材料在体外构建相应的三维结构体，然后进行相应技术处理，进而得到与体内的组织形状接近的替代物。此类局部组织替代物都需要先制造出由高分子或金属材料等外部材料构成的具备特定几何特征的结构，然后再将其植入体内并与相应的人体组织形成良好连接和融合，进而完成实现人造组织的功能。然而，此类管状结构体虽然制造精细，但由其本身的材料仍是一些人工合成材料(非生物体自身的组织)，因而仍然很有可能引起人体的排异反应以及不可预料的并发症等问题。虽然近年来一些国外研究者运用化合高分子材料结合能够较好抵抗排异反应的生物分子制作出了一些特殊的“印刷墨水”，并利用基于该“印刷墨水”的三维打印技术制造出人工组织替代物，但这种方法的实施过程复杂，且成本很高。因此，目前有一部分研究工作者通过利用生物体自身细胞的自我组织(self-organizing)特性，构建特定的微环境进行干细胞的体外三维培养，使来源于人体自身的干细胞自组装成一种模拟天然生物组织的多细胞结构，且无需由外部的人工合成材料制备的具有特定几何特征的人工替代物，这样就能够从根本上大大减轻人体的排异反应，并大幅度降低人工组织乃至器官的制造成本。但纯粹的细胞的自组织行为充满了较多的不可控性，一些干细胞经过一段时间的三维培养自组织形成了特定的多细胞结构，但这些多细胞结构的出现通常难以事先预测，具有一定的随机性，这就为组织工程和再生医学领域的具体应用带了限制。如能够在一定的理论或规律的引导下，通过简单的生物化学操作就能够可控的构建和调节细胞自组织形成的多细胞结构，则对解决上述问题具有积极的推进意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备方法，以解决三维多细胞结构的制备及结构形态调控的技术问题。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种三维多细胞结构的制备方法，包括如下步骤：步骤S1，通过构建的三维凝胶系统对干细胞进行体外培养；以及步骤S2，调控多细胞结构形态。进一步，所述步骤S1中通过构建的三维凝胶系统对干细胞进行体外培养的方法包括如下步骤：步骤S11，将外源细胞因子，即活化子、阻滞子、基质子按照一定比例混合，并均匀分散于细胞培养基中；步骤S12，在细胞培养基中加入一定数量的干细胞和凝胶配制组合物进行混合，配制出凝胶前体溶液；步骤S13，将所述凝胶前提溶液与交联分子溶液以一定的比例混合，经过一定时间的孵育，实现凝胶化；步骤S14，在三维凝胶体的上方添加适量培养基，进行培养，构成一多细胞结构。进一步，所述步骤S1中通过构建的三维凝胶系统对干细胞进行体外培养的方法还包括：重复上述步骤S11至步骤S14，配置含有不同配比的外源细胞因子的细胞培养基，以构成一系列具有不同几何结构特征的多细胞结构。进一步，所述步骤S2中调控多细胞结构形态的方法包括如下步骤：步骤S21，构建反应-扩散模型；步骤S22，通过反应-扩散模型引导，对三维凝胶体中的多细胞结构进行形态调控，以形成所需的多细胞结构。进一步，所述反应-扩散模型的数学表达式包括：上式(1)-(3)中U、V和n分别为活化子，阻滞子和基质子的无量纲浓度；和分别描述活化子、阻滞子和基质子浓度的扩散程度；c为活化子的降解率，e为阻滞子的降解率，b为由活化子生产出阻滞子的产出系数；以及式(3)中的为适于表示细胞向化学引诱物浓度更高区域运动的趋化作用项；K代表U和V通过物理键联进行非线性降解的系数；D＝DU/DV及q＝Dn/DV分别为活化子对阻滞子，以及细胞对阻滞子的扩散系数之比；γ为与计算域尺度、生物合成时间尺度以及阻滞子扩散率的关联比例因子；t为模拟系统的时间，且t＝DVT/L2,其中T为试验中细胞培养的时间，L是所涉及的培养物的特征尺度的无量纲单位长度；rn为细胞最大增值率的无量纲形式；ExU、ExV分别为活化子、阻滞子的外源项。进一步，所述步骤S22中通过反应-扩散模型引导，对三维凝胶体中的多细胞结构进行形态调控，以形成所需的多细胞结构的方法包括如下步骤：步骤S221，通过共聚焦显微镜对一系列多细胞结构进行拍照，步骤S222，通过反应-扩散模型模拟出在与一系列多细胞结构相同配置参数条件下的模拟多细胞结构系列；步骤S223，将培养获得的多细胞结构与模拟多细胞结构分别按照相同配置参数条件对比提取趋势性信息,以调整添加相关外源细胞因子参数。又一方面，本专利技术还提供了一种反应-扩散模型，以实现对多细胞结构形态进行调控。为了解决上述技术问题，本反应-扩散模型的数学表达式包括：上式(1)-(3)中U、V和n分别为活化子，阻滞子和基质子的无量纲浓度；和分别描述活化子、阻滞子和基质子浓度的扩散程度；c为活化子的降解率，e为阻滞子的降解率，b为由活化子生产出阻滞子的产出系数；以及式(3)中的为适于表示细胞向化学引诱物浓度更高区域运动的趋化作用项；K代表U和V通过物理键联进行非线性降解的系数；D＝DU/DV及q＝Dn/DV分别为活化子对阻滞子，以及细胞对阻滞子的扩散系数之比；γ为与计算域尺度、生物合成时间尺度以及阻滞子扩散率的关联比例因子；t为模拟系统的时间，且t＝DVT/L2,其中T为试验中细胞培养的时间，L是所涉及的培养物的特征尺度的无量纲单位长度；rn为细胞最大增值率的无量纲形式；ExU、ExV分别为活化子、阻滞子的外源项。第三方面，本专利技术还提供了一种三维多细胞结构制备系统，以解决三维多细胞结构的制备及结构形态调控的技术问题。所述三维多细胞结构制备系统包括：初步培养单元，通过构建的三维凝胶系统对干细胞进行体外培养，形成一系列具有不同几何结构特征的多细胞结构；形态调整单元，调控多细胞结构形态。进一步，所述形态调整单元适于构建反应-扩散模型，且通过反应-扩散模型引导，对三维凝胶体中的多细胞结构进行形态调控，以形成所需的多细胞结构。进一步，所述反应-扩散模型的数学表达式包括：上式(1)-(3)中U、V和n分别为活化子，阻滞子和基质子的无量纲浓度；和分别描述活化子、阻滞子和基质子浓度的扩散程度；c为活化子的降解率，e为阻滞子的降解率，b为由活化子生产出阻滞子的产出系数；以及式(3)中的为适于表示细胞向化学引诱物浓度更高区域运动的趋化作用项；K代表U和V通过物理键联进行非线性降解的系数；D＝DU/DV及q＝Dn/DV分别为活化子对阻滞子，以及细胞对阻滞子的扩散系数之比；γ为与计算域尺度、生物合成时间尺度以及阻滞子扩散率的关联比例因子；t为模拟系统的时间，且t＝DVT/L2,其中T为试验中细胞培养的时间，L是所涉及的培养物的特征尺度的无量纲单位长度；rn为细胞最大增值率的无量纲形式；ExU、ExV分别为活化子、阻滞本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维多细胞结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，通过构建的三维凝胶系统对干细胞进行体外培养；以及步骤S2，调控多细胞结构形态。

【技术特征摘要】
1.一种三维多细胞结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，通过构建的三维凝胶系统对干细胞进行体外培养；以及步骤S2，调控多细胞结构形态。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中通过构建的三维凝胶系统对干细胞进行体外培养的方法包括如下步骤：步骤S11，将外源细胞因子，即活化子、阻滞子、基质子按照一定比例混合，并均匀分散于细胞培养基中；步骤S12，在细胞培养基中加入一定数量的干细胞和凝胶配制组合物进行混合，配制出凝胶前体溶液；步骤S13，将所述凝胶前提溶液与交联分子溶液以一定的比例混合，经过一定时间的孵育，实现凝胶化；步骤S14，在三维凝胶体的上方添加适量培养基，进行培养，构成一多细胞结构。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中通过构建的三维凝胶系统对干细胞进行体外培养的方法还包括：重复上述步骤S11至步骤S14，配置含有不同配比的外源细胞因子的细胞培养基，以构成一系列具有不同几何结构特征的多细胞结构。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中调控多细胞结构形态的方法包括如下步骤：步骤S21，构建反应-扩散模型；步骤S22，通过反应-扩散模型引导，对三维凝胶体中的多细胞结构进行形态调控，以形成所需的多细胞结构。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述反应-扩散模型的数学表达式包括：上式(1)-(3)中U、V和n分别为活化子，阻滞子和基质子的无量纲浓度；和分别描述活化子、阻滞子和基质子浓度的扩散程度；c为活化子的降解率，e为阻滞子的降解率，b为由活化子生产出阻滞子的产出系数；以及式(3)中的为适于表示细胞向化学引诱物浓度更高区域运动的趋化作用项；K代表U和V通过物理键联进行非线性降解的系数；D＝DU/DV及q＝Dn/DV分别为活化子对阻滞子，以及细胞对阻滞子的扩散系数之比；γ为与计算域尺度、生物合成时间尺度以及阻滞子扩散率的关联比例因子；t为模拟系统的时间，且t＝DVT/L2,其中T为试验中细胞培养的时间，L是所涉及的培养物的特征尺度的无量纲单位长度；rn为细胞最大增值率的无量纲形式；ExU、ExV分别为活化子、阻滞子的外源项。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S22中通过反应-扩散模型引导，对三维凝胶体中的多细胞结构进行形态调控，以形成所需的多细胞结构的方法包括如下步骤：步骤S221，通过共聚焦显微镜对一系列多细胞结构进行拍照，步骤S222，通过反应-扩散模型模拟出在与一系列多细胞结构相同配置参数条件下的模拟多细胞结构系列；步骤S223，将培养获得的多细胞结构与模拟多细胞结构分别按照相同配置参数条件对比提取趋势性信息,以调整添加相关外源细胞因子参数。7.一种反应-扩散模型，其特征在于，所述反应-扩散...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓璐，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32