基于3D生物打印的柔性机器人肌肉组织构建

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科研补充包：48课时科研基础课+15课时学术写作基础课

涉及领域

本课题涉及到细胞生物学、发育生物学、组织工程、生物医学等方面的知识，适合申请细胞生物学、机械工程、生物医学工程、发育生物学、组织工程、生物医学、生命科学等相关专业的学生。

适合人群

有意提高自身知识水平及学术能力的学生;

有意掌握最前沿科研热点及科研方法的学生;

有留学意向、跨专业深造的学生。

研究前沿性

柔性机器人在能源、医疗、通讯等领域拥有广阔前景。理论上， 柔性机器人可以反复改变形状，实现运动、抓取、运输和触觉感应等功能。柔性机器人利用不同材料和细胞以及蛋白的自组装结合去实现人类可以完成的复杂而有灵性的动作，其核心的一个技术领域就是生物机械，利用生物机械可以实现电能、光能、生物化学与动能之间的互相转化。长期以来，生物机械作为世界前沿领域，各国的研究机构均在发力。

再生医学在生物机械的设计制造方面，组织工程和再生医学与传统机械制造产生了新的交叉点。3D打印这种先进制造技术，近年来与组织工程学结合越来越紧密。基于3D生物打印的平滑肌电控驱动单元拥有更好的能量转化效率，更好的生物相容性、响应和自适应能力，因此开发探寻其体外再生、结构成型方法、控制模式、 可靠性、使用寿命与失效机理具有重要的基础科研价值。

研究介绍

在未来的发展中，基于平滑肌电控驱动单元的生物机械更有可能和人体实现高度融合，在微型机械、肌肉萎缩、截肢、截瘫、人体外骨骼、仿生机器人等方面有广阔的应用前景，将对我国医疗卫生甚至军事实力方面产生深远的影响。利用3D生物打印技术实现肌肉组织宏观尺寸的体外成型、增殖、肌纤维融合、产生，进一步结合实物与软件去做结构优化、受力分析、组装方式、控制系统机械工程学是本项目的研究内容。在本课题中，学生首先会对生物机械、生物医学工程、再生医学等方面的基础知识进行学习和了解，并掌握3D打印在生物学中的应用和特点，本以构建柔性机器人的肌肉组织为例，讨论了生物机械这一先进科研方向的发展与应用。本项目基本研究方法涉及到细胞基因编辑重编程、干细胞发育、3D细胞模型，3D打印生物水凝胶材料、与肌纤维体外再生、细胞生长因子自组装技术、生物3D打印技术构建宏观互穿水技术等。

课题要点

课题研究方法

文献学习、实验设计、代码仿真、数据处理和分析等。

课题难点

需要较强的学习能力，需要细胞生物学和生命科学基础知识，需要学员有求知欲，从而可以探索简单操作背后的复杂机制。

1v1定制化辅导参考任务

任务一：文献综述及学习基本概念

掌握针对指定研究方向的文献的搜索方法;

阅读中外经典文献，了解生物机械、再生医学等方面的基本原理以及国外内研究现状;

了解生物机械的常见研究方向和基本研究方法，对该新兴的交叉学科的发展趋势建立自己的理解。

任务二：学习细胞生物学和发育生物学基本知识

学习细胞生物学的相关概念(了解细胞结构、细胞器结构和功能、细胞增殖、分化、凋亡等);

了解发育生物学的研究方法包括在分子和细胞水平上对器官发育的研究、转基因动物模型。

任务三：学习细胞生物学相关基础实验设计

阅读前沿技术文献了解细胞生物学相关实验技术，包括细胞培养、细胞传代、细胞冻存与复苏。流式细胞细胞技术、细胞的免疫化学实验技术、冰冻切片及染色技术等;

掌握设计实验解决科学问题的能力等。

任务四：了解3D打印在生物学应用

通过文献综述的阅读，学习3D打印在生物学的应用;

熟悉3D打印基本流程。

任务五：了解基因编辑和细胞重编程的基本感念及应用

掌握通过NCBI等数据库检索文献的方法，有目的的学习细胞重编程相关概念、类型、分子机制;

基因编辑和细胞重编程仿真设计。

任务六：3D细胞模型及应用

学习细胞3D培养的概念及意义，通过文献学习类器官、类球体的培养技术及研究进展;

以肌肉类器官的培养为例，了解3D细胞模型用于驱动形态运动发生的作用。

任务七：项目收尾

撰写整体报告。

准备一次20~30分钟的presentation。