CN113817715A - 一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用 - Google Patents

一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN113817715A
CN113817715A CN202111041870.XA CN202111041870A CN113817715A CN 113817715 A CN113817715 A CN 113817715A CN 202111041870 A CN202111041870 A CN 202111041870A CN 113817715 A CN113817715 A CN 113817715A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cell
assembly
containing assembly
heterogeneous
faraday
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111041870.XA
Other languages
English (en)
Inventor
陈璞
谷龙军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Kangwo Advanced Manufacturing Technology Co ltd
Original Assignee
Wuhan University WHU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University WHU filed Critical Wuhan University WHU
Priority to CN202111041870.XA priority Critical patent/CN113817715A/zh
Publication of CN113817715A publication Critical patent/CN113817715A/zh
Priority to PCT/CN2022/105627 priority patent/WO2023035768A1/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N13/00—Treatment of microorganisms or enzymes with electrical or wave energy, e.g. magnetism, sonic waves
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M25/00—Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C12M25/16—Particles; Beads; Granular material; Encapsulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/04—Mechanical means, e.g. sonic waves, stretching forces, pressure or shear stimuli
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N11/00—Carrier-bound or immobilised enzymes; Carrier-bound or immobilised microbial cells; Preparation thereof
    • C12N11/02—Enzymes or microbial cells immobilised on or in an organic carrier
    • C12N11/08—Enzymes or microbial cells immobilised on or in an organic carrier the carrier being a synthetic polymer
    • C12N11/082—Enzymes or microbial cells immobilised on or in an organic carrier the carrier being a synthetic polymer obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用，所述方法包括：将异种含细胞组装单元加入分散剂中混匀，获得混悬体系；所述异种含细胞组装单元满足：直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3，且多种含细胞组装单元的直径和/或浮力密度不同；将混悬体系加入组装腔室中，待含细胞组装单元沉降至组装腔室底部后法拉第波差分组装，获得异种细胞差分排列的细胞微结构。本发明通过调节含细胞组装单元的尺寸和/或浮力密度，实现异种含细胞组装单元在法拉第波声场中实时差分组装，使其更加适合组织工程及生物制造中对于异种细胞精准差分排列的需求，具有巨大的应用前景和技术推广价值。

Description

一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方 法、系统和应用
技术领域
本发明涉及生物制造技术领域，特别涉及一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用。
背景技术
人体中，大量组织器官都包含特定的结构单元，这些结构单元对形成组织器官的特异性功能起到了至关重要的作用。结构单元中，异种细胞按照特定的空间排列自组织形成精细且复杂的细胞结构。体外还原组织器官特异性异种细胞微结构在工程构建人体组织器官的形态及重现组织器官功能中起着重要作用。生物制造的一个关键目标是构建具有组织和器官特异性细胞结构和功能的生物产品。其中，生物打印和生物组装是完成这一目标的两种主流制造策略。相较于生物打印，生物组装能够以无支架且高效的方式操纵细胞。截至目前为止，一系列的生物组装技术利用外部物理场与细胞的相互作用来操控细胞在空间中的排布。这些物理场包括重力场、磁场和电场等。在这些生物组装技术中，声学生物组装是一种最新的且具有巨大应用前景的方法。因为声场能够以可预测的方式灵活调整，从而可以提供更好的细胞结构多样性。然而，在同一声场中，同时将不同种细胞生物组装成具有空间定义的异质细胞微结构仍然是一个巨大挑战。
因此，如何提供一种能够满足生物医学工程研究中实现异种细胞精准差分排列的生物组装方法，具有重要的应用前景和技术推广及应用价值。
发明内容
本发明目的是提供一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，通过调节含细胞组装单元的物理性质，包括尺寸和/或浮力密度，实现异种含细胞组装单元在同一法拉第波声场中实时差分组装，使其更加适合组织工程及生物制造中对于异种细胞精准差分排列的需求，从而使法拉第波生物组装更具技术推广及应用价值。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
在本发明的第一方面，提供一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，所述方法包括：
将异种含细胞组装单元加入分散剂中混匀，获得混悬体系；其中，所述异种含细胞组装单元满足：直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3，且多种所述含细胞组装单元的直径不同和/或浮力密度不同；
将所述混悬体系加入组装腔室中，待所述含细胞组装单元沉降至所述组装腔室底部后，进行法拉第波差分组装，获得差分排列的异种细胞微结构。
进一步地，每种所述含细胞组装单元包括单细胞、微组织块、类器官、细胞微球、含细胞的水凝胶微球和含细胞的载体微粒中的一种。
进一步地，每种所述含细胞组装单元中选用的细胞包括胚胎干细胞、诱导多能干细胞、癌症干细胞、间充质干细胞、脑、肝、肾、胰、血管、心脏、皮肤、骨髓、骨、软骨和肌肉的组织器官原代细胞、祖细胞、前体细胞以及其疾病细胞中的至少一种。
进一步地，所述含细胞组装单元的数量为2～1012个。
进一步地，所述分散剂包括：磷酸缓冲液、细胞培养基、天然水凝胶、合成水凝胶或混合水凝胶中的一种。
进一步地，所述组装腔室的形状包括圆形、正方形、长方形、三角形、梯形、菱形、六边形和八边形中的一种；所述组装腔室的外接圆直径均为0.5～20cm，所述组装腔室的高度为0.2～10mm。
进一步地，所述法拉第波的驱动频率为1～1000Hz。
进一步地，所述获得差分排列的不同种细胞微结构，具体包括：获得包裹和/或互补结构的异种细胞微结构；
当两种所述含细胞组装单元满足：其中一种所述含细胞组装单元的直径＞500μm，另一种所述含细胞组装单元的直径＜500μm，获得互补结构的异种细胞微结构；
当两种所述含细胞组装单元满足：两种所述含细胞组装单元的直径同时＞500μm，或者同时＜500μm，且两种所述含细胞组装单元的浮力密度相同，获得包裹结构的异种细胞微结构；
当两种所述含细胞组装单元满足：两种所述含细胞组装单元的直径同时＞500μm，或者同时＜500μm，且两种所述含细胞组装单元的直径不同，获得包裹结构的异种细胞微结构。
在本发明的第二方面，提供了一种异种含细胞组装单元的差分组装的系统，所述系统包括：
具有底表面的组装腔室；
法拉第波机构，用于对所述组装腔室产生法拉第波；
分散剂以及用于混合在所述分散剂上的不同种含细胞组装单元，其中，所述不同种含细胞组装单元满足：直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3，且多种所述含细胞组装单元的直径不同和/或浮力密度不同；
在本发明的第三方面，提供了所述的系统在构建组织器官生理和病理模型、药物筛选和组织修复中的应用。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，本发明突破现有声学生物组装方法难以实现异种含细胞组装单元实时差分组装的限制，利用法拉第波声学生物组装技术，通过调节含细胞组装单元的物理性质，包括尺寸及浮力密度，实现异种含细胞组装单元在同一法拉第波声场中实时差分组装，使其更加适合组织工程及生物制造中对于异种细胞精准差分排列的需求，具有巨大的应用前景和技术推广及应用价值。具有系统易搭建、操控简单、图案动态可调以及生物相容性良好等优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为实施例1中两种具有不同尺寸聚苯乙烯微球(10μm和2000μm)差分组装示意图；
图2为实施例2中两种具有不同浮力密度和尺寸微球(100μm，7.80g/cm3和500μm，1.05g/cm3)差分组装得到的示意图；
图3为实施例3中两种具有不同浮力密度和尺寸聚苯乙烯微球(100μm，1.13g/cm3和500μm，1.05g/cm3)差分组装得到的示意图；
图4为实施例4中两种不同尺寸聚苯乙烯微球(50μm和200μm)差分组装得到的示意图；
图5为实施例5中两种不同尺寸聚苯乙烯微球(500μm和1000μm)差分组装得到的示意图；
图6为实施例6中两种不同浮力密度聚苯乙烯微球(1.09g/cm3和1.13g/cm3)差分组装得到的示意图；
图7为实施例7中三种具有不同浮力密度及尺寸聚苯乙烯微球差分组装示意图；
图8为实施例8中具有不同尺寸聚苯乙烯微球和人脐静脉内皮细胞微球差分组装示意图；
图9为本发明实施例包裹或互补结构的异种细胞微结构的排列示意图；
图10为本发明提供的一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法的流程图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买获得或者可通过现有方法获得。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，如图10所示，所述方法包括：
步骤S1、将异种含细胞组装单元加入分散剂中混匀，获得混悬体系；其中，所述异种含细胞组装单元满足：直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3，且多种所述含细胞组装单元的直径不同和/或浮力密度不同；
上述技术方案中，
每种所述含细胞组装单元包括单细胞、微组织块、类器官、细胞微球、含细胞的水凝胶微球和含细胞的载体微粒中的一种。
每种所述含细胞组装单元中选用的细胞包括胚胎干细胞、诱导多能干细胞、癌症干细胞、间充质干细胞中的一种，或者脑、肝、肾、胰、血管、心脏、皮肤、骨髓、骨、软骨和肌肉的组织器官原代细胞、祖细胞、前体细胞以及其疾病细胞中的至少一种。
所述“异种含细胞组装单元”中的“异种”可以理解为：含细胞的种类不同。
作为可选的实施方式，所述分散剂包括：磷酸缓冲液、细胞培养基、天然水凝胶、合成水凝胶或混合水凝胶中的一种。对所述分散剂的浓度和pH等无要求，所述异种含细胞组装单元悬浮在所述分散剂中，所述分散剂体积充满整个组装腔室，所述分散剂的液面与所述组装腔室上表面平齐。
即以下情况均可实现差分组装(以两种为例)：
(1)相同直径，不同密度；同时直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3；
(2)不同直径，相同密度；同时直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3；
(3)不同直径，不同密度；同时直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3；
(4)不同的差距不需要达到一定的值，但一般最小以1μm或是0.01g/cm3为间隔；
作为可选的实施方式，所述含细胞组装单元的数量≥2；优选地，所述含细胞组装单元的数量为2～1012个；
步骤S2、将所述混悬体系加入组装腔室中，待所述含细胞组装单元沉降至所述组装腔室底部后，进行法拉第波差分组装，获得差分排列的不同种细胞微结构。
上述技术方案中，
所述组装腔室的形状包括圆形、正方形、长方形、三角形、梯形、菱形、六边形和八边形中的一种；所述组装腔室的外接圆直径均为0.5～20cm，所述组装腔室的高度为0.2～10mm。
要求组装腔室的外接圆直径均为0.5～20cm，高度为0.2～10mm的原因为：该范围内有利于法拉第波声场驱动含细胞组装单元。
作为优选的实施方式，所述法拉第波的驱动频率为1～1000Hz。该频率范围内，所述异种含细胞组装单元满足上述条件下，能够实现差分组装。
作为优选的实施方式，所述获得差分排列的异种细胞微结构，具体包括：获得包裹和/或互补结构的不同种细胞微结构；
本发明的“包裹结构”是指：其中多种含细胞组装单元法均聚集在法拉第波声场的节点或反节点位置，只是，其中一种含细胞组装单元聚集在节点或反节点的中心区域，另外一种含细胞组装单元聚集在节点或反节点的边缘区域；图9中的包裹结构为具有同心圆的包裹结构，在其他实施方式中，也可形成其他形状的包裹结构，包裹结构的形状具体与驱动频率有关，在1～1000Hz的范围内改变驱动频率可形成其他形状的包裹结构。
本发明的“互补结构”是指：其中一种含细胞组装单元聚集在法拉第波声场的节点位置，另外一种含细胞组装单元聚集在法拉第波声场的反节点位置。图9中的互补结构为具有同心圆的互补结构，在其他实施方式中，也可形成其他形状的互补结构，互补结构的形状具体与驱动频率有关，在1～1000Hz的范围内改变驱动频率可形成其他形状的互补结构。
上述法拉第波声场的节点位置是指法拉第驻波的节点。
上述法拉第波声场的反节点位置是指法拉第驻波的反节点。
当两种所述含细胞组装单元满足：其中一种所述含细胞组装单元的直径＞500μm，另一种所述含细胞组装单元的直径＜500μm，获得互补结构的不同种细胞微结构；
当两种所述含细胞组装单元满足：两种所述含细胞组装单元的直径同时＞500μm，或者同时＜500μm，且两种所述含细胞组装单元的浮力密度相同，获得包裹结构的异种细胞微结构；
当两种所述含细胞组装单元满足：两种所述含细胞组装单元的直径同时＞500μm，或者同时＜500μm，且两种所述含细胞组装单元的直径不同，获得包裹结构的不同种细胞微结构。
上述技术方案只是互补结构或互补结构的一种具体实施方式，在其他实施方式中，也有可能获得包裹和/或互补结构的不同种细胞微结构。以组装2种含细胞组装单元为例，当它们(1)具有相同直径，不同浮力密度(同时直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3)；(2)具有相同浮力密度，不同直径(同时直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3)；(3)具有不同浮力密度，不同直径(同时直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3)，均有可能组装得到互补结构或是包裹结构；
当组装三种含细胞的组装单元，有可能同时得到两种结构，如本发明的图7所示，三种微球一同组成的是两圈的同心圆环状图案，其中：绿色微球和蓝色微球形成包裹结构；绿色微球和红色微球，或者蓝色微球和红色微球形成互补结构。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供一种不同种含细胞组装单元的差分组装的系统，所述系统包括：
具有底表面的组装腔室；
法拉第波机构，用于对所述组装腔室产生法拉第波；
分散剂以及用于混合在所述分散剂上的不同种含细胞组装单元，其中，所述不同种含细胞组装单元满足：直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3，且多种所述含细胞组装单元的直径不同和/或浮力密度不同。
作为一种可选的实施方式，所述异种含细胞组装单元满足：直径均为10～2000μm和/或浮力密度均为1.02～7.80g/cm3，且多种所述含细胞组装单元的直径不同和/或浮力密度不同。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供一种所述的系统在构建组织器官生理和病理模型、药物筛选和组织修复中的应用。
综上可知，本发明提供的一种采用法拉第波进行不同种含细胞组装单元的差分组装的方法，本发明突破现有声学生物组装方法难以实现异种含细胞组装单元实时差分组装的限制，利用法拉第波声学生物组装技术，通过调节含细胞组装单元的物理性质，包括尺寸及浮力密度，实现异种含细胞组装单元在同一法拉第波声场中实时差分组装，使其更加适合组织工程及生物制造中对于异种细胞精准差分排列的需求，具有巨大的应用前景和技术推广及应用价值。具有系统易搭建、操控简单、图案动态可调以及生物相容性良好等优势。
下面将结合实施例、对比例及实验数据对本申请的一种采用法拉第波进行不同种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用进行详细说明。
实施例1、法拉第波差分组装系统用于两种不同尺寸聚苯乙烯微球(10μm和2000μm)的差分排列
将两种聚乙烯微球加入含0.05％吐温20的0.01M磷酸盐缓冲液中，充分分散。第一种聚苯乙烯微球颜色为紫色，直径均为10μm，浮力密度均为1.05g/cm3；第二种聚苯乙烯微球颜色为白色，直径均为2000μm，浮力密度均为1.05g/cm3。本实施例中，用聚苯乙烯微球模拟含细胞的组装单元。
开启任意波形/函数信号发生器(Tecktronix,AFG3052C)，驱动频率为20-22Hz，信号幅值为60-70mVpp，通过任意波形/函数信号发生器的输出特定的电信号，电信号通过BNC母转RCA公线转入至功率放大器(DAYTONAUDIO,DTA-120)进行功率放大，放大后的保真电信号通过RCA公转四芯插座将转入激振器(无锡世敖科技有限公司，SA-JZ005T)中产生稳定的、周期性的振动。将圆形组装腔室(Φ＝2cm)通过M5×30与激振器钢性连接后，通过气泡圆盘水平仪进行360°水平校准。最终将待组装的聚苯乙烯微粒悬液均匀加入至圆形组装腔室中，待聚苯乙烯微粒沉降至组装腔室底部后进行法拉第波组装。
两种具有不同尺寸聚苯乙烯微球差分组装得到的图案如图1中所示，紫色10μm微球聚集在法拉第波声场的节点位置，白色2000μm微球聚集在法拉第波声场的反节点位置，一同组成具有互补结构的圆环状图案。
实施例2、法拉第波差分组装系统用于两种不同浮力密度和尺寸微球(100μm，7.80g/cm3和500μm，1.05g/cm3)的差分排列
将两种聚乙烯微球加入含0.05％吐温20的0.01M磷酸盐缓冲液中，充分分散。第一种不锈钢微球颜色为灰色，直径均为100μm，浮力密度均为7.80g/cm3；第二种聚苯乙烯微球颜色为红色，直径均为500μm，浮力密度均为1.05g/cm3。本实施例中，用微球模拟含细胞的组装单元。
开启任意波形/函数信号发生器(Tecktronix,AFG3052C)，驱动频率为42-44Hz，信号幅值为60-70mVpp，通过任意波形/函数信号发生器的输出特定的电信号，电信号通过BNC母转RCA公线转入至功率放大器(DAYTONAUDIO,DTA-120)进行功率放大，放大后的保真电信号通过RCA公转四芯插座将转入激振器(无锡世敖科技有限公司，SA-JZ005T)中产生稳定的、周期性的振动。将圆形组装腔室(Φ＝2cm)通过M5×30与激振器钢性连接后，通过气泡圆盘水平仪进行360°水平校准。最终将待组装的聚苯乙烯微粒悬液均匀加入至圆形组装腔室中，待聚苯乙烯微粒沉降至组装腔室底部后进行法拉第波组装。
两种具有不同浮力密度和尺寸微球差分组装得到的图案如图2中所示，灰色100μm，7.80g/cm3微球聚集在法拉第波声场的节点位置，红色500μm，1.05g/cm3微球聚集在法拉第波声场的反节点位置，一同组成具有互补结构的同心圆环状图案。
实施例3、法拉第波差分组装系统用于两种不同浮力密度和尺寸聚苯乙烯微球(100μm，1.13g/cm3和500μm，1.05g/cm3)的差分排列
将两种聚乙烯微球加入含0.05％吐温20的0.01M磷酸盐缓冲液中，充分分散。第一种聚苯乙烯微球颜色为蓝色，直径均为100μm，浮力密度均为1.13g/cm3；第二种聚苯乙烯微球颜色为红色，直径均为500μm，浮力密度均为1.05g/cm3。本实施例中，用聚苯乙烯微球模拟含细胞的组装单元。
开启任意波形/函数信号发生器(Tecktronix,AFG3052C)，驱动频率为42-44Hz，信号幅值为60-70mVpp，通过任意波形/函数信号发生器的输出特定的电信号，电信号通过BNC母转RCA公线转入至功率放大器(DAYTONAUDIO,DTA-120)进行功率放大，放大后的保真电信号通过RCA公转四芯插座将转入激振器(无锡世敖科技有限公司，SA-JZ005T)中产生稳定的、周期性的振动。将圆形组装腔室(Φ＝2cm)通过M5×30与激振器钢性连接后，通过气泡圆盘水平仪进行360°水平校准。最终将待组装的聚苯乙烯微粒悬液均匀加入至圆形组装腔室中，待聚苯乙烯微粒沉降至组装腔室底部后进行法拉第波组装。
两种具有不同浮力密度和尺寸微球差分组装得到的图案如图3中所示，蓝色100μm，1.13g/cm3微球聚集在法拉第波声场的节点位置，红色500μm，1.05g/cm3微球聚集在法拉第波声场的反节点位置，一同组成具有互补结构的同心圆环状图案。
实施例4、法拉第波差分组装系统用于两种不同尺寸聚苯乙烯微球(50μm和200μm)的差分排列
将两种聚乙烯微球加入含0.05％吐温20的0.01M磷酸盐缓冲液中，充分分散。第一种聚苯乙烯微球颜色为红色，直径均为50μm，浮力密度均为1.05g/cm3；第二种聚苯乙烯微球颜色为红色，直径均为200μm，浮力密度均为1.05g/cm3。本实施例中，用聚苯乙烯微球模拟含细胞的组装单元。
开启任意波形/函数信号发生器(Tecktronix,AFG3052C)，驱动频率为42-44Hz，信号幅值为60-70mVpp，通过任意波形/函数信号发生器的输出特定的电信号，电信号通过BNC母转RCA公线转入至功率放大器(DAYTONAUDIO,DTA-120)进行功率放大，放大后的保真电信号通过RCA公转四芯插座将转入激振器(无锡世敖科技有限公司，SA-JZ005T)中产生稳定的、周期性的振动。将圆形组装腔室(Φ＝2cm)通过M5×30与激振器钢性连接后，通过气泡圆盘水平仪进行360°水平校准。最终将待组装的聚苯乙烯微粒悬液均匀加入至圆形组装腔室中，待聚苯乙烯微粒沉降至组装腔室底部后进行法拉第波组装。
两种具有不同尺寸微球差分组装得到的图案如图4中所示，红色50μm微球和红色200μm微球均聚集在法拉第波声场的节点位置，红色200μm微球聚集在节点中心区域，红色200μm微球聚集在节点边缘区域，两种微球一同组成具有包裹结构的同心圆环状图案。
实施例5、法拉第波差分组装系统用于两种不同尺寸聚苯乙烯微球(500μm和1000μm)的差分排列
将两种聚乙烯微球加入含0.05％吐温20的0.01M磷酸盐缓冲液中，充分分散。第一种聚苯乙烯微球颜色为红色，直径均为500μm，浮力密度均为1.05g/cm3；第二种聚苯乙烯微球颜色为白色，直径均为1000μm，浮力密度均为1.05g/cm3。本实施例中，用聚苯乙烯微球模拟含细胞的组装单元。
开启任意波形/函数信号发生器(Tecktronix,AFG3052C)，驱动频率为42-44Hz，信号幅值为60-70mVpp，通过任意波形/函数信号发生器的输出特定的电信号，电信号通过BNC母转RCA公线转入至功率放大器(DAYTONAUDIO,DTA-120)进行功率放大，放大后的保真电信号通过RCA公转四芯插座将转入激振器(无锡世敖科技有限公司，SA-JZ005T)中产生稳定的、周期性的振动。将圆形组装腔室(Φ＝2cm)通过M5×30与激振器钢性连接后，通过气泡圆盘水平仪进行360°水平校准。最终将待组装的聚苯乙烯微粒悬液均匀加入至圆形组装腔室中，待聚苯乙烯微粒沉降至组装腔室底部后进行法拉第波组装。
两种具有不同尺寸微球差分组装得到的图案如图5中所示，红色500μm微球和白色1000μm微球均聚集在法拉第波声场的反节点位置，白色1000μm微球聚集在反节点中心区域，红色500μm微球聚集在反节点边缘区域，两种微球一同组成具有包裹结构的同心圆环状图案。
实施例6、法拉第波差分组装系统用于两种不同浮力密度聚苯乙烯微球(1.09g/cm3和1.13g/cm3)的差分排列
将两种聚乙烯微球加入含0.05％吐温20的0.01M磷酸盐缓冲液中，充分分散。第一种聚苯乙烯微球颜色为红色，直径均为100μm，浮力密度均为1.09g/cm3；第二种聚苯乙烯微球颜色为蓝色，直径均为100μm，浮力密度均为1.13g/cm3。本实施例中，用聚苯乙烯微球模拟含细胞的组装单元。
开启任意波形/函数信号发生器(Tecktronix,AFG3052C)，驱动频率为42-44Hz，信号幅值为60-70mVpp，通过任意波形/函数信号发生器的输出特定的电信号，电信号通过BNC母转RCA公线转入至功率放大器(DAYTONAUDIO,DTA-120)进行功率放大，放大后的保真电信号通过RCA公转四芯插座将转入激振器(无锡世敖科技有限公司，SA-JZ005T)中产生稳定的、周期性的振动。将圆形组装腔室(Φ＝2cm)通过M5×30与激振器钢性连接后，通过气泡圆盘水平仪进行360°水平校准。最终将待组装的聚苯乙烯微粒悬液均匀加入至圆形组装腔室中，待聚苯乙烯微粒沉降至组装腔室底部后进行法拉第波组装。
两种具有不同尺寸微球差分组装得到的图案如图6中所示，红色1.09g/cm3微球和蓝色1.13g/cm3微球均聚集在法拉第波声场的节点位置，蓝色1.13g/cm3微球聚集在节点中心区域，红色1.09g/cm3微球聚集在节点边缘区域，两种微球一同组成具有包裹结构的同心圆环状图案。
实施例7、法拉第波差分组装系统用于三种聚苯乙烯微球的差分排列
将三种聚乙烯微球加入含0.05％吐温20的0.01M磷酸盐缓冲液中，充分分散。第一种聚苯乙烯微球颜色为蓝色，直径均为100μm，浮力密度均为1.13g/cm3；第二种聚苯乙烯微球颜色为绿色，直径均为200μm，浮力密度均为1.02g/cm3；第三种聚苯乙烯微球颜色为红色，直径均为500μm，浮力密度均为1.05g/cm3。本实施例中，用聚苯乙烯微球模拟含细胞的组装单元。
开启任意波形/函数信号发生器(Tecktronix,AFG3052C)，驱动频率为42-44Hz，信号幅值为60mVpp，通过任意波形/函数信号发生器的输出特定的电信号，电信号通过BNC母转RCA公线转入至功率放大器(DAYTONAUDIO,DTA-120)进行功率放大，放大后的保真电信号通过RCA公转四芯插座将转入激振器(无锡世敖科技有限公司，SA-JZ005T)中产生稳定的、周期性的振动。将圆形组装腔室(Φ＝2cm)通过M5×30与激振器钢性连接后，通过气泡圆盘水平仪进行360°水平校准。最终将待组装的聚苯乙烯微粒悬液均匀加入至圆形组装腔室中，待聚苯乙烯微粒沉降至组装腔室底部后进行法拉第波组装。
三种具有不同浮力密度及尺寸聚苯乙烯微球差分组装得到的图案如图7中所示，绿色200μm微球和蓝色100μm微球聚集在法拉第波声场的节点位置，红色500μm微球聚集在法拉第波声场的反节点位置，三种微球一同组成具有互补结构的同心圆环状图案；此外，节点位置中，蓝色100μm，浮力密度均为1.13g/cm3微球聚集在中心区域，绿色200μm，浮力密度均为1.02g/cm3微球聚集边缘区域，两种微球一同组成具有包裹结构的同心圆环状图案。
实施例8、法拉第波差分组装用于聚苯乙烯微球和人脐静脉内皮细胞微球差分排列
将人脐静脉内皮细胞加入匹配12孔板1孔的聚二甲基硅氧烷(PDMS)正六边形多孔阵列中，每个正六边形单元外接圆直径均为2000μm。每孔2.1×107个细胞，培养24小时成细胞微球，得人脐静脉内皮细胞微球平均直径均为634μm。
将人脐静脉内皮细胞微球和聚苯乙烯微球加入ECM培养基中，充分分散。聚苯乙烯微球颜色为红色，直径均为100μm。本实施例中，用聚苯乙烯微球模拟小尺寸含细胞的组装单元。
开启任意波形/函数信号发生器(Tecktronix,AFG3052C)，驱动频率为84Hz，信号幅值为60-80mVpp，通过任意波形/函数信号发生器的输出特定的电信号，电信号通过BNC母转RCA公线转入至功率放大器(DAYTONAUDIO,DTA-120)进行功率放大，放大后的保真电信号通过RCA公转四芯插座将转入激振器(无锡世敖科技有限公司，SA-JZ005T)中产生稳定的、周期性的振动。将圆形组装腔室(Φ＝2cm)通过M5×30与激振器钢性连接后，通过气泡圆盘水平仪进行360°水平校准。最终将待组装的人脐静脉内皮细胞微球和聚苯乙烯微球悬液均匀加入至圆形组装腔室中，待人脐静脉内皮细胞微球和聚苯乙烯微球沉降至组装腔室底部后进行法拉第波差分组装。人脐静脉内皮细胞微球和聚苯乙烯微球差分组装得到的图案如图8中所示，红色100μm微球聚集在法拉第波声场的节点位置，人脐静脉内皮细胞微球聚集在法拉第波声场的反节点位置，一同组成具有互补结构的同心圆环状图案。
对比例1
该对比例1中，提供一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，两种含细胞组装单元的直径分别为5020μm、6000μm，其他步骤均同实施例2。
对比例2
该对比例2中，提供一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，两种含细胞组装单元的浮力密度分别为20g/cm3、26g/cm3，其他步骤均同实施例2。
实验例1
为方便比对，将各实施例和各对比例的参数列表如表1所示。
表1
Figure BDA0003249596610000121
对各实施例和各对比例的细胞微结构观察并评价，如表2所示。
表2
组别 是否能成功差分组装 形成的图案
实施例1 能 具有互补结构的圆环状图案
实施例2 能 具有互补结构的同心圆环状图案
实施例3 能 具有互补结构的同心圆环状图案
实施例4 能 具有包裹结构的同心圆环状图案
实施例5 能 具有包裹结构的同心圆环状图案
实施例6 能 具有包裹结构的同心圆环状图案
实施例7 能 具有互补和包裹结构的同心圆环状图案
实施例8 能 具有互补结构的同心圆环状图案
对比例1 不能 /
对比例2 不能 /
由表2的数据可知：
对比例1中，含细胞组装单元的直径均大于5000μm，不能实现差分排列；
对比例2中，含细胞组装单元的浮力密度均大于10g/cm3，不能实现差分排列；
实施例1-实施例8中，实现了异种含细胞组装单元在同一法拉第波声场中实时差分组装，使其更加适合组织工程及生物制造中对于异种细胞精准差分排列的需求，具有巨大的应用前景和技术推广及应用价值。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求的等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，其特征在于，所述方法包括：
将异种含细胞组装单元加入分散剂中混匀，获得混悬体系；其中，所述异种含细胞组装单元满足：直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3，且多种所述含细胞组装单元的直径不同和/或浮力密度不同；
将所述混悬体系加入组装腔室中，待所述含细胞组装单元沉降至所述组装腔室底部后，进行法拉第波差分组装，获得差分排列的异种细胞微结构。
2.根据权利要求1所述的采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，其特征在于，每种所述含细胞组装单元包括单细胞、微组织块、类器官、细胞微球、含细胞的水凝胶微球和含细胞的载体微粒中的一种。
3.根据权利要求1所述的采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，其特征在于，每种所述含细胞组装单元中选用的细胞包括胚胎干细胞、诱导多能干细胞、癌症干细胞、间充质干细胞中的一种，或者脑、肝、肾、胰、血管、心脏、皮肤、骨髓、骨、软骨和肌肉的组织器官原代细胞、祖细胞、前体细胞以及其疾病细胞中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，其特征在于，所述含细胞组装单元的数量为2～1012个。
5.根据权利要求1所述的采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，其特征在于，所述分散剂包括：磷酸缓冲液、细胞培养基、天然水凝胶、合成水凝胶或混合水凝胶中的一种。
6.根据权利要求1所述的采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，其特征在于，所述组装腔室的形状包括圆形、正方形、长方形、三角形、梯形、菱形、六边形和八边形中的一种；所述组装腔室的外接圆直径均为0.5～20cm，所述组装腔室的高度为0.2～10mm。
7.根据权利要求1所述的采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，其特征在于，所述法拉第波的驱动频率为1～1000Hz。
8.根据权利要求1所述的采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法，其特征在于，所述获得差分排列的异种细胞微结构，具体包括：获得包裹和/或互补结构的异种细胞微结构；
当两种所述含细胞组装单元满足：其中一种所述含细胞组装单元的直径＞500μm，另一种所述含细胞组装单元的直径＜500μm，获得互补结构的异种细胞微结构；
当两种所述含细胞组装单元满足：两种所述含细胞组装单元的直径同时＞500μm，或者同时＜500μm，且两种所述含细胞组装单元的浮力密度相同，获得包裹结构的异种细胞微结构；
当两种所述含细胞组装单元满足：两种所述含细胞组装单元的直径同时＞500μm，或者同时＜500μm，且两种所述含细胞组装单元的浮力密度不同，获得包裹结构的异种细胞微结构。
9.一种异种含细胞组装单元的差分组装的系统，其特征在于，所述系统包括：
具有底表面的组装腔室；
法拉第波机构，用于对所述组装腔室产生法拉第波；
分散剂以及用于混合在所述分散剂中的不同种含细胞组装单元，其中，所述不同种含细胞组装单元满足：直径均为2～4900μm和/或浮力密度均为1～10g/cm3，且多种所述含细胞组装单元的直径不同和/或浮力密度不同。
10.一种权利要求9所述的系统在构建组织器官生理和病理模型、药物筛选和组织修复中的应用。
CN202111041870.XA 2021-09-07 2021-09-07 一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用 Pending CN113817715A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111041870.XA CN113817715A (zh) 2021-09-07 2021-09-07 一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用
PCT/CN2022/105627 WO2023035768A1 (zh) 2021-09-07 2022-07-14 一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111041870.XA CN113817715A (zh) 2021-09-07 2021-09-07 一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113817715A true CN113817715A (zh) 2021-12-21

Family

ID=78922084

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111041870.XA Pending CN113817715A (zh) 2021-09-07 2021-09-07 一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN113817715A (zh)
WO (1) WO2023035768A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114940971A (zh) * 2022-06-24 2022-08-26 中山大学 一种基于法拉第波的高活性软骨组织的构建方法
WO2023035768A1 (zh) * 2021-09-07 2023-03-16 深圳康沃先进制造科技有限公司 一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170226473A1 (en) * 2014-10-27 2017-08-10 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Scaffold-free 3D Cell Assembly based on patterned Hydrodynamic Drag Force
CN111254076A (zh) * 2020-01-19 2020-06-09 武汉大学 一种用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片
WO2021074796A1 (en) * 2019-10-15 2021-04-22 Ao Technology Ag Patterning device for the preparation of three-dimensional structures and method for the production thereof
CN112899158A (zh) * 2021-01-15 2021-06-04 武汉大学 一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置、制备方法及应用

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014205303A1 (en) * 2013-06-21 2014-12-24 Brigham And Women's Hospital, Inc. Reconfigurable assembly with faraday wave-based templates
US20210155897A1 (en) * 2017-08-25 2021-05-27 Ao Technology Ag Surface acoustic wave (saw) 3d printing method
CN113817715A (zh) * 2021-09-07 2021-12-21 武汉大学 一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170226473A1 (en) * 2014-10-27 2017-08-10 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Scaffold-free 3D Cell Assembly based on patterned Hydrodynamic Drag Force
WO2021074796A1 (en) * 2019-10-15 2021-04-22 Ao Technology Ag Patterning device for the preparation of three-dimensional structures and method for the production thereof
CN111254076A (zh) * 2020-01-19 2020-06-09 武汉大学 一种用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片
CN112899158A (zh) * 2021-01-15 2021-06-04 武汉大学 一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置、制备方法及应用

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023035768A1 (zh) * 2021-09-07 2023-03-16 深圳康沃先进制造科技有限公司 一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用
CN114940971A (zh) * 2022-06-24 2022-08-26 中山大学 一种基于法拉第波的高活性软骨组织的构建方法
CN114940971B (zh) * 2022-06-24 2024-03-15 中山大学 一种基于法拉第波的高活性软骨组织的构建方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023035768A1 (zh) 2023-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2023035768A1 (zh) 一种采用法拉第波进行异种含细胞组装单元的差分组装的方法、系统和应用
CN105308170B (zh) 培养容器和培养方法
Nichol et al. Modular tissue engineering: engineering biological tissues from the bottom up
Kumar et al. Large scale industrialized cell expansion: producing the critical raw material for biofabrication processes
Martin et al. Bioreactors for tissue mass culture: design, characterization, and recent advances
US20160257926A1 (en) Self-assembling tissue modules
CN106459925B (zh) 培养方法和细胞团
CN113773959B (zh) 一种类器官培养芯片和类器官培养方法
EP4361263A1 (en) Biological assembly method for faraday wave multi-wavelength synthesis and application
JP2009247334A (ja) 細胞培養担体
US5851816A (en) Cultured high-fidelity three-dimensional human urogenital tract carcinomas and process
Hu et al. Smart acoustic 3D cell construct assembly with high-resolution
CN112442484A (zh) 一种基于多孔纳米级温敏软胶体的细胞大规模培养的方法
CN114276930A (zh) 气液培养式器官芯片及其应用
CN108728356A (zh) 用于不同三维细胞团配对的装置及共培养方法
Wang et al. Engineering biological tissues from the bottom-up: Recent advances and future prospects
Moldovan et al. Of balls, inks and cages: hybrid biofabrication of 3D tissue analogs
Xie et al. Thermo-sensitive sacrificial microsphere-based bioink for centimeter-scale tissue with angiogenesis
CN113201525B (zh) 干细胞微球组及干细胞的体外扩增方法和应用
CN105457100B (zh) 人工肝细胞微流体微囊制备方法及其微流体微囊发生装置
JP2010063379A (ja) 細胞培養担体
Otsuka Nanofabrication technologies to control cell and tissue function in three-dimension
CN114456936A (zh) 芯片、类器官模型及其构建方法和构建装置以及应用
CN112980794A (zh) 一种基于蛋白基水凝胶体外构建神经母细胞瘤微组织的模型的构建方法及其药物筛选方法
Long et al. 3D cell culture based on artificial cells and hydrogel under microgravity for bottom-up microtissue constructs

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20220507

Address after: 518110 a1101, building 1, Yinxing Zhijie phase II, No. 1301-76, sightseeing Road, Xinlan community, Guanlan street, Longhua District, Shenzhen, Guangdong Province

Applicant after: Shenzhen Kangwo Advanced Manufacturing Technology Co.,Ltd.

Address before: 430072 Hubei Province, Wuhan city Wuchang District of Wuhan University Luojiashan

Applicant before: WUHAN University

TA01 Transfer of patent application right