纤维支架制备及其应用研究开题报告

1. 研究目的与意义

目前国内外磁控微型机器人仍处于实验室研究积累阶段，就磁控微型机器人操控环境而言，多数研究进行于活体外二维环境，部分研究开始涉及三维简单流体环境。多数的研究在表面皿、载玻片、微流芯片、迷宫通道等二维体外环境下进行。受限于现有成像仪器的能力及磁场在空间中的快速衰减，活体环境中磁控微机器人的操控局限在生物体表或小体积生物体特定部位（眼角膜、幼体斑马鱼卵黄、小鼠腹腔等）。针对磁控微型机器人靶向药物递送是在复杂血管网络环境中进行的实际情况，构建模拟血管环境，是研究磁控微型机器人在血流环境中自主导航控制方法的必要条件。目前构建血管环境的主要热压法、模塑法、注塑成型法、激光烧蚀法等制作的微流控芯片，以及简易制作的各种输液管、玻璃管拼接管道，这些方法制备的血管网络形貌简单，管径变化少，但可以实现流速、压强等参数的稳定可控。使用组织去细胞化技术制备血管网络是一种新兴技术：以新生儿脐动脉为血管材料，通过酶-去污剂去细胞化技术，可以制备去细胞化血管支架，有望替代血管移植物治疗心血管疾病[35]（被引用2135次）；以菠菜叶、欧芹叶为基底材料，经过去除表面角质层和使用TritonX-100去细胞溶液实现去细胞化，实验证明制备的叶脉支架保持有微流及微颗粒的通过性（图2），该支架与人体内表皮细胞再细胞化培养后可以表现出对心肌细胞运输养分的能力[36]。基于菠菜叶去细胞化技术制备的叶脉支架，具有类似血管网络的多级多分支管道型结构，具有微米到毫米级的管道直径，且具有良好的透明度便于使用光学镜头观测，且造价低廉工艺相对简单。这些特点使得基于菠菜叶去细胞化技术制备的叶脉支架可以良好地模拟血管网络，用于磁控微机器人导航操控实验。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

基于去细胞化技术制备菠菜叶脉支架，构建模拟血管网络环境模块；验证所制备的支架的微颗粒通过性能，并使用扫描电镜表征支架的形貌。集成包含模拟血流环境模块、微机器人模块、图像视觉反馈模块、控制模块、及电磁场发生模块一体化磁控微机器人操控系统；集成模拟血管环境模块到磁控微机器人操控系统，进行操作机理验证和导航控制实验：基于简单血管网络环境，验证不同流场参数、不同形貌的磁性微球的所受粘滞阻力、电磁力的数理模型，并根据实验研究进行修正，精确动力学方程，验证所构建的磁控微机器人操控机理。基于复杂血管网络环境，完成复杂流场环境下微机器人的导航操控，验证操作机理和控制方法的有效性。基于去细胞化的菠菜叶脉支架，构建模拟血管网络环境模块，应用于磁控微机器人的导航操控实验，以验证操作机理和控制方法的有效性。去细胞化的菠菜叶脉支架具有多级多分支管道状结构，对血管网络模拟度高，使得磁控微机器人的操控过程更接近于医疗应用中的实际情况,为后续研究和应用奠定基础。且支架透明度好，便于建立基于计算机视觉的反馈控制系统。

预期目标：能对基于菠菜叶去细胞化技术制备的叶脉支架有全面的认识，使支架可以良好地模拟血管网络，用于磁控微机器人导航操控实验。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

以菠菜叶、欧芹叶为基底材料，经过去除表面角质层和使用tritonx-100去细胞溶液实现去细胞化。

1、去除叶片角质层：98%的己烷异构体溶液和1xpbs（磷酸缓冲盐溶液）处理。

4. 参考文献

[1].md. m. islam, s. beverung, and r. steward jr., “bio-inspired microdevices that mimic the human vasculature,” micromachines, vol. 8, no. 10, p. 299, oct. 2017, doi: 10.3390/mi8100299.

[2].g. fontana et al., “biofunctionalized plants as diverse biomaterials for human cell culture,” adv. healthcare mater., vol. 6, no. 8, p. 1601225, apr. 2017, doi: 10.1002/adhm.201601225.

[3].j. r. gershlak et al., “crossing kingdoms: using decellularized plants as perfusable tissue engineering scaffolds,” biomaterials, vol. 125, pp. 13–22, may 2017, doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.02.011.

5. 计划与进度安排

1) 2020-12-20～2022-2-24查阅文献资料，进行文献综述，翻译英文文献；

2) 2022-2-25～2022-3-20撰写开题报告，基于去细胞化技术制备菠菜叶脉支架，构建模拟血管网络环境模块；

3) 2022-3-21～2022-4-10查阅相关资料，验证所制备的支架的微颗粒通过性能，并使用扫描电镜表征支架的形貌；