三維細胞培養

三維細胞培養技術（three-dimensionalcell culture, TDCC）是指將具有三維結構不同材料的載體與各種不同種類的細胞在體外共同培養, 使細胞能夠在載體的三維立體空間結構中遷移、生長, 構成三維的細胞-載體複合物。

三維細胞培養技術有着重要的應用。普通的細胞培養由於細胞在體外改變的環境下增生逐漸喪失了原有的性狀，往往和體內情況不相符，而動物實驗完全在體內進行, 但由於體內的多種因素制約以及體內和外界環境相互影響而變得複雜化, 難以研究單一過程，且難以研究中間過程。三維細胞培養技術是介於單層細胞培養與動物實驗之間的一種技術，既能最大程度的模擬體內環境，又能展現細胞培養的直觀性及條件可控性的優勢。

真正意義上的三維培養——該系統以多種包被表面

（Amino、Collagen （Type I or IV）、Elastin、 ProNectin （RGD）、Laminin （YIGSR））的膠原水凝膠為細胞外基質支架在生物材料

支架研究方面，與傳統的納米纖維支架和多孔支架相比，

水凝膠支架交聯網絡中含有大量水分，可以很好地供給細胞養分,

同時還可以交聯生物活性因子調節細胞的生長和分化，

因此水凝膠支架可以更好地模擬細胞生長所需的類組織樣物理

和空間結構，並且可塑性高、製作工藝相對簡單、臨牀應用方便。

由於膠原蛋白是人體內含量最豐富的蛋白（約佔總蛋白25%），

是細胞外基質中最常見的蛋白質，膠原蛋白纖維上還有精氨酸

一甘氨酸一天冬氨酸等氨基酸序列，可以為細胞表層整合蛋白

所識別和貼附。

並且膠原蛋白本身是天然材料免疫排斥反應小，而且其交聯

過程不需其他化學試劑的引入，可自我交聯形成凝膠三維支架，

其生物相容性更為突出。因此，膠原水凝膠受到人們的廣泛關注。

在過去幾十年中，組織工程專家致力於研發能更好模擬三維培養

類似物的材料以克服二維細胞培養的不足。為達到這個目的，將

細胞接種於多微孔支架、納米纖維支架及水凝膠支架進行培養。

多微孔支架使用方便，但它的孔徑（-1 O0 μm）遠大於平均細胞直

徑（一10 μm），因此實際相當於二維培養。納米纖維支架使用纖維狀

的細胞外基質蛋白更好地模擬了三維結構， 但是它的力學性能很難

達到使用要求。而水凝膠支架因在液態時包裹細胞，固態時形

成交聯網絡，可使大量細胞分散黏附於其中，使移植細胞都能接觸基質，

這才相當於真正意義上的三維培養。而且膠原凝膠是含水凝膠，營養物

可以自由進出凝膠網絡，使分散於網絡中的細胞都能得到營養，

因此膠原水凝膠具有良好的親水性及細胞相容性。除此之外，

液態膠原易於添加各種生長因子，對細胞生長及分化起到重要作用

（1）三維細胞牽張應力加載刺激：對生長在三維狀態下的細胞進行靜態

的 或者週期性的應力刺激

（2）三維細胞培養：使用三維組織培養模具和三維細胞培養板可以進行

三維細胞培養

（3）三維細胞應力加載：通過Flexcell應力加載系統和弧矩形加載平台對

生長在三維環境下的細胞進行單軸向或者雙軸向的靜態或者週期性的

應力加載實驗

（4）動力模擬實驗:可建立特製的各種模擬實驗：心率模擬實驗，步行模擬實驗，

跑動模擬實驗和其他動力模擬實驗

（5）生物人工組織構建：可構建長度達35mm的生物人工組織

（6）觀察細胞應力下實時反映：使用顯微鏡實時觀察細胞在三維狀態下的反應

（7）多種基質蛋白包被的尼龍網錨可以加強細胞與網錨的結合。

2、三維細胞組織加力培養模型三維細胞組織壓力加載培養系統模型 ^[2] 

（1）該系統對各種組織、三維細胞培養物提供週期性或靜態的壓力加

載；

（2）基於柔性膜基底變形、受力均勻;

（3）可實時觀察細胞、組織在壓力作用下的反應;

（4）可有選擇性地封阻對細胞的應力加載;

（7）同一程序中可以運行多種頻率（0.01- 5 Hz），多種振幅和多種波形；

（8）更好地控制在超低或超高應力下的波形；

（9）多種波形種類：靜態波形、正旋波形、心動波形、三角波形、矩形以及各種特製波形；

（10）電腦系統對壓力加載週期、大小、頻率、持續時間精確智能調控

檢測各種組織和細胞在壓力作用下的生物化學反應，例如：胃上皮細胞、腸上皮細胞、軟骨組織，

椎間盤骨組織，肌腱組織，韌帶組織，以及從肌肉、肺（肺細胞）、心臟、血管、皮膚、肌腱、

韌帶、軟骨和骨中分離出來的細胞

3、三維細胞組織加力培養模型三維細胞組織牽張拉伸力加載培養系統模型 ^[3] 

（1）該系統對二維、三維細胞和組織提供軸向和圓周應力加載；

（2）基於柔性膜基底變形、受力均勻;

（3）可實時觀察細胞、組織在應力作用下的反應;

（4）可有選擇性地封阻對細胞的應力加載;

（8）同一程序中可以運行多種頻率，多種振幅和多種波形；

（9）更好地控制在超低或超高應力下的波形；

（10）多種波形種類：靜態波形、正旋波形、心動波形、三角波形、矩形以及各種特製波形；

（11）電腦系統對牽張拉伸力加載週期、大小、頻率、持續時間精確智能調控

典型應用範圍：加載分析各種細胞在應力刺激下的生物化學反應:

例如：骨骼細胞、肺細胞、心肌細胞、血細胞、皮膚細胞、肌腱細胞、韌帶細胞、軟骨細胞和骨細胞、

腎膀胱細胞、平滑肌細胞/尿路上皮及尿路上皮細胞、眼上皮細胞、眼小梁組織細胞、腎小管上皮細胞、

腸上皮細胞、胃上皮細胞等細胞牽張拉伸力加載。