面向小微器官修复的细胞三维直写组装技术研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61403214
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0306.自动化检测技术与装置
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2017-12-31

项目摘要

Capable of manufacturing live organs using cells and hydrogels, direct-write assembly of cells has demonstrated its superiorities and has become one of the frontier technologies in tissue engineering. It can also facilitate many fundamental and leading-the-edge researches in Biological and Medical sciences. However, the following key issues in this domain remain unsolved: 1. the size of the hydrogel strand is difficult to control in the extrusion of hydrogel solution; 2. the mechanical strength of the solidified hydrogel is low, resulting in poor shape fidelity; 3. it is difficult to precisely manufacture the details of small organs.. Based on the above analyses, the main research activities of this project are described below: 1. Investigation on the controlled extrusion of the hydrogel. The project will investigation the relationship between the process parameters and the size of the hydrogel strand. Based on this, the size of the hydrogel can be precisely controlled during the manufacturing process by the on-line tuning of the process parameters. 2. Compensation of the deformation of small organs. The project will analyze the deformation behavior of the solidified hydrogel and then utilize the predeformation technique to compensate the inevitable and large deformation of the soft hydrogel material. 3. Trajectory planning for the hydrogel plotting. It is difficult to manufacture small organs possessing very complicated cross-sections. The project aims to adjust the process parameters of the system while performing the direct write assembly. By doing this, the system’s capacities using different sizes of hydrogel strands are maximized to the full extent, such as the manufacturing productivity and details resolution. The efficiency and accuracy of the system can then be significantly improved.. In summary, the project will provide a new manipulation equipment for the frontier researches in Biological and Medical sciences in China.
细胞三维直写组装技术直接利用细胞与水凝胶在体外制造活体器官,是组织工程的前沿技术,为生物与医学领域提供先进的研究手段。这一领域存在的问题有:1、水凝胶在溶液状态下难以加工成型;2、水凝胶固化之后机械强度低、不易塑型;3、小微器官的细节特征难以精确加工。. 本项目的研究内容为:1、水凝胶的受控挤出成型方法,研究工艺参数与水凝胶条带尺寸的关系,在加工过程中在线调整工艺参数,精确控制水凝胶条带的尺寸;2、小微器官的变形补偿方法,研究固化后水凝胶的变形规律,利用反向预变形修正小微器官的轮廓,补偿其变形。3、水凝胶涂布轨迹规划,针对小微器官二维截面包含的复杂细节特征,提出水凝胶涂布轨迹与工艺参数协同规划的控制策略,充分利用系统在不同尺寸水凝胶条带下的加工能力与细节表现能力,在保证加工效率的情况下提高加工精度。. 本项目的研究将会为我国生物与医学领域的尖端科学研究提供新的操作仪器。

结项摘要

3D生物打印技术可以直接在体外打印出包含细胞的组织或器官,是一种有前景的器官体外培养手段。课题组以小微器官修复为目标,经过三年的项目研究,完成了项目的所有研究任务,简述如下:.(a)水凝胶受控挤出成型方法:本项目自主研制了气动注射系统,通过气压的高精度控制实现凝胶流量的受控挤出。在此基础上研究了工艺参数与水凝胶纤维直径的相互关系,实现了水凝胶纤维与空管直径的精确预测与控制。.(b)基于反向预变形的小微器官变形补偿方法:本项目通过实验研究发现,由于定型能力差,使用水凝胶打印的器官易在竖直方向上压缩。利用反向预变形的方法,在对打印器官切片时将其在高度方向上拉伸。实验结果表明,这种方法很好地补偿了器官的变形。.(c)复杂截面特征与工艺参数约束下的水凝胶涂布轨迹规划:3D生物打印追求器官的形状精度与器官内部的孔隙率。由于气动注射系统的起停时水凝胶流量的波动,因此,在进行涂布轨迹规划时应充分考虑器官的拓扑结构,减少打印轨迹的线段数量。对于复杂截面的器官,涂布轨迹应与器官的整体的轮廓相一致,对于薄壁类器官,涂布轨迹应仿形器官的截面轮廓。.(d)细胞三维直写组装系统的集成:本项目自主研制了高精度气动注射系统、3D生物打印机、设计了两种新型的水凝胶固化方法,并完成了上述各模块的系统集成,实现了很高的重复定位精度与气压控制精度。此外,该3D生物打印机的打印头可更换为激光测头,从而转换为高精度的非接触式三坐标测量仪。.(e)示范应用:本项目已经完成了包含细胞的水凝胶纤维制备与受损器官模型的修复两类示范应用。对于器官修复,课题组提出了一种基于生物器官截面轮廓曲线光滑连续的三维重建方法。. 本项目取得的研究成果:发表(或录用)学术论文8篇,其中SCI检索(或发表于SCI源刊)论文4篇,EI检索论文4篇;申请发明专利4篇;培养博士研究生3名,其中1人已毕业;培养硕士研究生5名,其中3人已毕业。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(4)
专利数量(4)
Modeling and Identification of the Rate-Dependent Hysteresis of Piezoelectric Actuator Using a Modified Prandtl-Ishlinskii Model
使用修正的 Prandtl-Ishlinskii 模型对压电执行器的速率相关磁滞进行建模和识别
  • DOI:
    10.3390/mi8040114
  • 发表时间:
    2017-04-04
  • 期刊:
    Micromachines
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Qin Y;Zhao X;Zhou L
  • 通讯作者:
    Zhou L
Fabrication of Cell-Laden Hydrogel Fibers with Controllable Diameters
直径可控的充满细胞的水凝胶纤维的制造
  • DOI:
    10.3390/mi8050161
  • 发表时间:
    2017-05-18
  • 期刊:
    Micromachines
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Cheng Z;Cui M;Shi Y;Qin Y;Zhao X
  • 通讯作者:
    Zhao X
Adaptive hysteresis compensation of piezoelectric actuator using direct inverse modelling approach
使用直接逆建模方法对压电执行器进行自适应磁滞补偿
  • DOI:
    10.1049/mnl.2017.0469
  • 发表时间:
    2018-02-01
  • 期刊:
    MICRO & NANO LETTERS
  • 影响因子:
    1.3
  • 作者:
    Qin, Yanding;Jia, Rurui
  • 通讯作者:
    Jia, Rurui
Closed-Form Modeling and Analysis of an XY Flexure-Based Nano-Manipulator
基于 XY 弯曲的纳米机械臂的闭式建模与分析
  • DOI:
    10.1186/s10033-018-0211-z
  • 发表时间:
    2018-12-01
  • 期刊:
    CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
  • 影响因子:
    4.2
  • 作者:
    Qin, Yan-Ding;Zhao, Xin;Zhang, Da-Wei
  • 通讯作者:
    Zhang, Da-Wei

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其他文献

A Cell Rotation Method Based on the Kinematics Model
一种基于运动学模型的细胞旋转方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    Robot
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孙明竹;余晋;秦岩丁;赵新
  • 通讯作者:
    赵新
采用扰动估计的气动人工肌肉系统非线性控制
  • DOI:
    10.7641/cta.2019.90497
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    控制理论与应用
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    方勇纯
气动人工肌肉驱动的肘关节辅助机器人迟滞补偿
  • DOI:
    10.13973/j.cnki.robot.200534
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    2021
  • 期刊:
    机器人
  • 影响因子:
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  • 作者:
    秦岩丁;徐圆凯;韩建达
  • 通讯作者:
    韩建达
基于表面肌电信号的智能康复技术
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    人工智能
  • 影响因子:
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  • 作者:
    张松;游煜根;林家能;王鸿鹏;秦岩丁;韩建达;于宁波
  • 通讯作者:
    于宁波
基于运动学模型的细胞拨动方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    机器人
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    赵启立;崔茂盛;孙明竹;秦岩丁;赵新
  • 通讯作者:
    赵新

其他文献

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秦岩丁的其他基金

压电驱动器辅助的细胞精准操作方法研究
  • 批准号:
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  • 资助金额:
    67.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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