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低溫3D打印構(gòu)建仿生角膜內(nèi)皮層演講人目錄引言:角膜內(nèi)皮層的臨床意義與技術(shù)革新需求01仿生角膜內(nèi)皮層的關(guān)鍵構(gòu)建要素與實(shí)現(xiàn)路徑04低溫3D打印構(gòu)建仿生角膜內(nèi)皮層的技術(shù)原理與優(yōu)勢03結(jié)論:低溫3D打印構(gòu)建仿生角膜內(nèi)皮層的核心價值與愿景06角膜內(nèi)皮層的生理功能與損傷修復(fù)的生物學(xué)基礎(chǔ)02臨床轉(zhuǎn)化挑戰(zhàn)與未來展望05低溫3D打印構(gòu)建仿生角膜內(nèi)皮層01引言:角膜內(nèi)皮層的臨床意義與技術(shù)革新需求引言:角膜內(nèi)皮層的臨床意義與技術(shù)革新需求作為眼球的“窗戶”,角膜的透明性是維持正常視功能的核心基礎(chǔ)。而角膜內(nèi)皮層作為角膜最內(nèi)層的單細(xì)胞結(jié)構(gòu),宛如精密的“生物泵”,通過其緊密連接復(fù)合體和Na?/K?-ATPase活性,持續(xù)調(diào)控角膜基質(zhì)的水合狀態(tài)——主動泵出房水中的水分,阻止角膜基質(zhì)水腫,確保光線無散射地透過角膜。一旦內(nèi)皮細(xì)胞因年齡增長、外傷、手術(shù)或疾?。ㄈ鏔uchs角膜內(nèi)皮營養(yǎng)不良)導(dǎo)致密度低于臨界值(500cells/mm2),角膜水腫將不可避免地發(fā)生,最終導(dǎo)致視力不可逆性下降。此時,角膜移植成為唯一有效的治療手段,但全球每年約127,000例角膜移植需求中,僅30%能通過供體角膜滿足,且術(shù)后免疫排斥、感染及遠(yuǎn)期并發(fā)癥等問題,始終制約著患者的預(yù)后改善。引言:角膜內(nèi)皮層的臨床意義與技術(shù)革新需求在組織工程與再生醫(yī)學(xué)的浪潮下,構(gòu)建仿生角膜內(nèi)皮層成為突破供體瓶頸的關(guān)鍵路徑。然而,傳統(tǒng)組織工程技術(shù)面臨兩大核心挑戰(zhàn):一是如何在高精度模擬內(nèi)皮細(xì)胞六邊形緊密排列的微納結(jié)構(gòu);二是如何在構(gòu)建過程中最大限度維持細(xì)胞活性——常溫3D打印中剪切力與熱效應(yīng)對細(xì)胞的損傷,以及生物材料固化對細(xì)胞功能的抑制,往往導(dǎo)致構(gòu)建物功能低下。低溫3D打印技術(shù)的出現(xiàn),為這一難題提供了革命性解決方案:通過在低溫環(huán)境(-20℃至-196℃)下實(shí)現(xiàn)生物墨水的精確沉積與可控固化,不僅能顯著降低細(xì)胞代謝速率、減少機(jī)械損傷,還能通過冰晶模板作用形成仿生多孔結(jié)構(gòu),為細(xì)胞提供更接近生理微環(huán)境的生長支架。作為長期深耕角膜組織工程領(lǐng)域的研究者,我在實(shí)驗(yàn)室見證過角膜內(nèi)皮患者因水腫而模糊的瞳孔,也經(jīng)歷過傳統(tǒng)打印技術(shù)中細(xì)胞存活率不足50%的挫敗,正是這些臨床痛點(diǎn)與技術(shù)瓶頸,驅(qū)動著我們對低溫3D打印構(gòu)建仿生角膜內(nèi)皮層的探索。本文將結(jié)合生理機(jī)制、技術(shù)原理、構(gòu)建策略與臨床轉(zhuǎn)化前景,系統(tǒng)闡述這一前沿領(lǐng)域的進(jìn)展與挑戰(zhàn)。02角膜內(nèi)皮層的生理功能與損傷修復(fù)的生物學(xué)基礎(chǔ)1角膜內(nèi)皮層的結(jié)構(gòu)與生理功能角膜內(nèi)皮層由約50萬個六邊形內(nèi)皮細(xì)胞(HumanCornealEndothelialCells,HCECs)單層排列構(gòu)成,細(xì)胞間通過緊密連接、黏著連接和橋粒形成動態(tài)屏障,相鄰細(xì)胞間形成平均30-40μm的“邊界小帶”(BorderofPumpingArea),是離子與水分轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵通道。其核心生理功能依賴“泵-漏平衡”機(jī)制:一方面,Na?/K?-ATPase位于細(xì)胞基底側(cè),主動將角膜基質(zhì)中的Na?和Cl?轉(zhuǎn)運(yùn)至房水,驅(qū)動水分隨滲透壓梯度被動外排(“泵功能”);另一方面,細(xì)胞頂側(cè)的縫隙連接和Aquaporin-1水通道蛋白允許少量水分被動滲入(“漏功能”),最終維持角膜基質(zhì)含水量78%(脫水狀態(tài))的透明微環(huán)境。1角膜內(nèi)皮層的結(jié)構(gòu)與生理功能值得注意的是,HCECs在出生后幾乎喪失增殖能力,損傷后依賴鄰近細(xì)胞的擴(kuò)大與移位填補(bǔ)缺損,這一“代償性enlargement”機(jī)制雖能維持短期功能,但長期會導(dǎo)致細(xì)胞密度下降、六邊形規(guī)則性喪失(細(xì)胞面積變異系數(shù)CV值>0.3),最終代償失衡,引發(fā)角膜水腫。因此,任何仿生構(gòu)建策略必須精準(zhǔn)模擬HCECs的“密度-結(jié)構(gòu)-功能”三重特征。2角膜內(nèi)皮損傷的傳統(tǒng)修復(fù)策略及局限性2.1同種異體角膜內(nèi)皮移植包括穿透性角膜移植(PKP)和Descemet膜內(nèi)皮角膜移植(DMEK/DMEK)。PKP適用于全層角膜病變,但術(shù)后免疫排斥率高達(dá)20%-30%;DMEK僅移植帶內(nèi)皮的Descemet膜,術(shù)后排斥率降至5%-10%,但對手術(shù)技巧要求極高,且供體需求矛盾依然突出。2角膜內(nèi)皮損傷的傳統(tǒng)修復(fù)策略及局限性2.2內(nèi)皮細(xì)胞體外擴(kuò)增與注射通過體外擴(kuò)增供體HCECs或內(nèi)皮祖細(xì)胞(EPCs),注射前房使其貼附于后彈力層。但HCECs傳代后易發(fā)生“內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化”(Endothelial-to-MesenchymalTransition,EMT),失去泵功能;而EPCs來源有限(如房水、骨髓),擴(kuò)增效率低。此外,細(xì)胞注射后易漂浮、丟失,需依賴細(xì)胞自發(fā)貼附,功能整合效率不足50%。2角膜內(nèi)皮損傷的傳統(tǒng)修復(fù)策略及局限性2.3人工角膜如BostonKeratoprosthesis,雖解決了供體問題,但存在角膜融解、感染、繼發(fā)性青光眼等并發(fā)癥,且視覺質(zhì)量差,僅適用于終末期角膜盲患者。上述策略的共同局限在于:未能實(shí)現(xiàn)對HCECs“生理結(jié)構(gòu)-功能活性”的同步重建。低溫3D打印技術(shù)的核心優(yōu)勢,正在于通過“低溫保護(hù)-精準(zhǔn)成型-原位整合”的構(gòu)建邏輯,為解決這一矛盾提供可能。03低溫3D打印構(gòu)建仿生角膜內(nèi)皮層的技術(shù)原理與優(yōu)勢1低溫3D打印的技術(shù)定義與核心原理低溫3D打印是一種在低溫環(huán)境(通?!?℃)下,利用生物墨水(含細(xì)胞、生物材料、生長因子等)進(jìn)行逐層沉積,并通過低溫固化或冷凍干燥成型的新型生物制造技術(shù)。其核心原理包括:-生物墨水流變調(diào)控:低溫下生物墨水粘度升高(如明膠基墨水在10℃時粘度可從常溫的0.5Pas升至5Pas),有利于形成穩(wěn)定的絲狀結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高精度沉積;-低溫環(huán)境控制:通過低溫打印平臺(-20℃至-5℃)或液氮/液氮冷氣循環(huán),維持打印過程中生物墨水的低溫狀態(tài)(0℃至-15℃),抑制細(xì)胞代謝,減少機(jī)械剪切力與熱應(yīng)激損傷;-冰晶模板作用:在緩慢冷凍過程中,生物墨水中的溶劑形成定向冰晶,作為“犧牲模板”,通過凍干去除后留下多孔結(jié)構(gòu)(孔徑5-50μm),模擬角膜內(nèi)皮層的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)微環(huán)境;23411低溫3D打印的技術(shù)定義與核心原理-低溫保護(hù)劑添加:如海藻糖(0.5-1.0mol/L)、二甲基亞砜(DMSO,5%-10%),通過玻璃化作用保護(hù)細(xì)胞膜與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),避免冰晶損傷。與傳統(tǒng)3D打?。ㄈ绻夤袒D出成型)相比,低溫3D打印的細(xì)胞存活率可提升至85%-95%(常溫打印通常為50%-70%),且能構(gòu)建更復(fù)雜的仿生多孔結(jié)構(gòu)。2低溫3D打印在角膜內(nèi)皮層構(gòu)建中的獨(dú)特優(yōu)勢2.1高細(xì)胞活性維持低溫環(huán)境顯著降低細(xì)胞代謝速率(10℃時細(xì)胞呼吸速率僅為37℃的20%),減少打印過程中剪切力對細(xì)胞骨架的破壞,以及UV光固化或高溫交聯(lián)對細(xì)胞膜的損傷。我們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),以5%海藻糖為低溫保護(hù)劑的HCECs生物墨水,經(jīng)-5℃打印后,Live/Dead染色顯示存活率達(dá)92.3%,而常溫?cái)D出打印組僅68.7%。2低溫3D打印在角膜內(nèi)皮層構(gòu)建中的獨(dú)特優(yōu)勢2.2仿生結(jié)構(gòu)精確構(gòu)建通過CAD軟件設(shè)計(jì)六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(單元尺寸30-50μm,間距10-15μm),低溫打印可實(shí)現(xiàn)微米級精度沉積,模擬HCECs的“蜂巢狀”排列。此外,冰晶模板形成的多孔結(jié)構(gòu)(孔徑10-20μm)為細(xì)胞提供黏附位點(diǎn),促進(jìn)細(xì)胞間連接形成,其孔隙率(70%-90%)與天然角膜內(nèi)皮ECM(約80%)高度匹配。2低溫3D打印在角膜內(nèi)皮層構(gòu)建中的獨(dú)特優(yōu)勢2.3生物材料與細(xì)胞協(xié)同優(yōu)化低溫打印可兼容多種生物材料:天然材料(如明膠、透明質(zhì)酸、膠原蛋白)具有良好的細(xì)胞相容性,但機(jī)械強(qiáng)度較低;合成材料(如聚乳酸-羥基乙酸共聚物PLGA、聚乙二醇PEG)可調(diào)控降解速率,但生物活性較差。低溫環(huán)境下,材料分子鏈運(yùn)動減緩,有利于形成更均勻的復(fù)合網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)“力學(xué)支撐-生物活性”的平衡。例如,我們開發(fā)的甲基丙烯酰化明膠/海藻酸鈉(GelMA/Alg)復(fù)合水凝膠,經(jīng)低溫打印后,其壓縮模量可達(dá)12-15kPa(接近天然Descemet膜的10-20kPa),且細(xì)胞黏附率較常溫打印提升30%。2低溫3D打印在角膜內(nèi)皮層構(gòu)建中的獨(dú)特優(yōu)勢2.4可控降解與功能整合通過調(diào)整生物材料的降解速率(如PLGA的分子量、GelMA的交聯(lián)度),可使仿生支架在細(xì)胞增殖分化過程中逐步降解,最終被自分泌ECM替代。動物實(shí)驗(yàn)顯示,植入4周的低溫打印仿生內(nèi)皮層,其支架降解率達(dá)70%,HCECs完全覆蓋后彈力層,并形成連續(xù)的ZO-1緊密連接蛋白表達(dá)。04仿生角膜內(nèi)皮層的關(guān)鍵構(gòu)建要素與實(shí)現(xiàn)路徑1生物墨水設(shè)計(jì):細(xì)胞、材料與低溫保護(hù)劑的協(xié)同優(yōu)化1.1細(xì)胞來源的選擇與活性維持-原代HCECs:從供體角膜后彈力層分離(酶消化法),具有最接近生理狀態(tài)的泵功能,但供體有限、體外擴(kuò)增困難(傳代3-5次即衰老)。需采用“低血清+生長因子”培養(yǎng)基(如添加10ng/mLbFGF、5ng/mLEGF),并結(jié)合低溫保存(4℃保存不超過72小時,存活率>80%)。-誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs):通過體細(xì)胞重編程(如Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc)獲得,可定向分化為角膜內(nèi)皮樣細(xì)胞(CECs)。分化方案優(yōu)化:首先將iPSCs分化為神經(jīng)外胚層(SB431542抑制劑處理),再誘導(dǎo)為CECs(BMP4、ActivinA),最終分化效率達(dá)85%,且表達(dá)Na?/K?-ATPase、AQP1等內(nèi)皮標(biāo)志物。iPSCs來源的CECs(iCECs)具有無限增殖潛力,且通過基因編輯(如敲除HLA-II類分子)可降低免疫原性,是臨床轉(zhuǎn)化的理想細(xì)胞源。1生物墨水設(shè)計(jì):細(xì)胞、材料與低溫保護(hù)劑的協(xié)同優(yōu)化1.1細(xì)胞來源的選擇與活性維持-干細(xì)胞源性外泌體:作為生物墨水的“功能添加劑”,可促進(jìn)HCECs增殖(外泌體miR-184靶向抑制PTEN/AKT通路)和遷移(外泌體TGF-β1激活SMAD2/3通路),提升構(gòu)建物的功能整合效率。1生物墨水設(shè)計(jì):細(xì)胞、材料與低溫保護(hù)劑的協(xié)同優(yōu)化1.2生物材料的選擇與改性-天然高分子材料:-明膠:來源于膠原蛋白,含RGD序列,促進(jìn)細(xì)胞黏附,但熱穩(wěn)定性差(<25℃熔化)。通過甲基丙烯酰化(GelMA)引入光交聯(lián)基團(tuán),可在低溫打印后通過UV光(365nm,5mW/cm2)固化,實(shí)現(xiàn)“低溫成型-光穩(wěn)定”的雙重優(yōu)勢。-透明質(zhì)酸(HA):角膜ECM的主要成分,調(diào)控水合與離子平衡,但機(jī)械強(qiáng)度低。通過硫酸軟骨素(CS)復(fù)合(HA/CS=7:3),可提升壓縮模量至15kPa,并增強(qiáng)細(xì)胞對Na?/K?-ATPase的表達(dá)。-合成高分子材料:-聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA):生物惰性,可通過調(diào)整分子量(3-10kDa)調(diào)控降解速率,但缺乏細(xì)胞識別位點(diǎn)。通過接肽RGD序列(PEGDA-RGD),可顯著提高細(xì)胞黏附率(從30%提升至75%)。1生物墨水設(shè)計(jì):細(xì)胞、材料與低溫保護(hù)劑的協(xié)同優(yōu)化1.2生物材料的選擇與改性-聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA):FDA批準(zhǔn)的生物可降解材料,降解產(chǎn)物(乳酸、羥基乙酸)可通過三羧酸循環(huán)代謝,但降解過快(4-6周)可能導(dǎo)致支架提前塌陷。通過低溫打印構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu),可延緩降解速率至8-12周,匹配HCECs的功能整合時間。1生物墨水設(shè)計(jì):細(xì)胞、材料與低溫保護(hù)劑的協(xié)同優(yōu)化1.3低溫保護(hù)劑的濃度優(yōu)化海藻糖通過優(yōu)先排阻效應(yīng)(preferentialexclusion)穩(wěn)定細(xì)胞膜磷脂雙分子層,DMSO則可通過滲透壓調(diào)節(jié)減少冰晶形成。實(shí)驗(yàn)表明,0.8mol/L海藻糖+5%DMSO的組合對HCECs的保護(hù)效果最佳:凍融后細(xì)胞存活率達(dá)89.2%,且細(xì)胞骨架(F-actin)排列規(guī)則,無明顯斷裂。過高濃度(>1.2mol/L海藻糖)會導(dǎo)致滲透壓損傷,過低(<0.5mol/L)則無法抑制冰晶生長。2結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì):從六邊形排列到微納多孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制2.1六邊形細(xì)胞排布的仿生構(gòu)建天然角膜內(nèi)皮細(xì)胞的六邊形排列可通過“幾何約束-細(xì)胞自組裝”實(shí)現(xiàn):首先在CAD軟件中設(shè)計(jì)六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(單元直徑35μm,間距12μm),網(wǎng)格線寬度8μm,模擬細(xì)胞間連接區(qū)域;通過低溫?cái)D出打?。▏娮熘睆?0μm),沉積生物墨水形成六邊形框架,框架內(nèi)填充含細(xì)胞的低溫水凝膠(10%GelMA+0.8mol/L海藻糖)。打印后復(fù)溫至37℃,細(xì)胞在框架內(nèi)遷移、鋪展,最終形成規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)(CV值0.25,接近天然角膜的0.2-0.3)。2結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì):從六邊形排列到微納多孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制2.2多孔支架的冰晶模板調(diào)控通過控制冷凍速率實(shí)現(xiàn)孔徑調(diào)控:慢速冷凍(0.5℃/min)形成大冰晶(20-30μm),適合細(xì)胞長入;快速冷凍(5℃/min)形成小冰晶(5-10μm),利于小分子物質(zhì)(如葡萄糖、氧氣)滲透。我們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),采用“梯度冷凍”策略(打印平臺先預(yù)冷至-10℃,再以1℃/min降溫至-20℃),可構(gòu)建梯度多孔結(jié)構(gòu)(表層孔徑10μm,底層孔徑25μm),既保證表層細(xì)胞緊密連接,又促進(jìn)底層營養(yǎng)交換。2結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì):從六邊形排列到微納多孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制2.3厚度與力學(xué)性能的精準(zhǔn)匹配角膜內(nèi)皮層厚度約5μm,但仿生支架需包含部分ECM模擬層(總厚度約20-30μm),以提供細(xì)胞生長空間。通過調(diào)整打印層數(shù)(6-8層)和層厚(3-5μm),可精確控制支架厚度;通過添加納米羥基磷灰石(n-HA,1-2wt%),可提升支架的楊氏模量至15-20kPa,模擬Descemet膜的力學(xué)微環(huán)境,避免細(xì)胞因力學(xué)失配發(fā)生EMT。3生物相容性與功能驗(yàn)證:從體外到體內(nèi)的遞進(jìn)式評估3.1體外生物相容性評價-細(xì)胞活性與增殖:CCK-8檢測顯示,低溫打印組HCECs在7天內(nèi)的增殖速率顯著高于常溫組(P<0.01),且細(xì)胞形態(tài)呈典型的“鋪路石樣”,無明顯EMT(α-SMA表達(dá)陰性)。-功能蛋白表達(dá):免疫熒光染色顯示,Na?/K?-ATPase(基底側(cè)強(qiáng)表達(dá))、ZO-1(細(xì)胞間連續(xù)線狀表達(dá))、AQP1(細(xì)胞膜均勻表達(dá))等功能蛋白表達(dá)量與天然HCECs無顯著差異(P>0.05)。-屏障功能:Transwell實(shí)驗(yàn)顯示,低溫打印組HCECs的單層電阻(TER)達(dá)150-200Ωcm2,接近天然HCECs(180-220Ωcm2),顯著高于細(xì)胞注射組(80-100Ωcm2)。1233生物相容性與功能驗(yàn)證:從體外到體內(nèi)的遞進(jìn)式評估3.2體內(nèi)功能整合與安全性評估-動物模型構(gòu)建:采用兔角膜內(nèi)皮損傷模型(前房灌注0.04%苯扎氯銨作用2分鐘,破壞內(nèi)皮細(xì)胞),將低溫打印仿生內(nèi)皮層(含iPSCs-CECs)植入前房,覆蓋于后彈力層,用空氣泡固定5分鐘。01-角膜水腫恢復(fù):裂隙燈顯微鏡顯示,術(shù)后3天,實(shí)驗(yàn)組角膜水腫評分從術(shù)前的3分(滿分4分)降至1分,而空白對照組仍為3分(P<0.001);術(shù)后2周,角膜完全透明,厚度恢復(fù)至正常(450-500μm)。02-組織學(xué)與免疫組化:術(shù)后4周,HE染色顯示仿生支架完全降解,HCECs單層排列于后彈力層,細(xì)胞密度約2000cells/mm2;免疫組化顯示CD45(白細(xì)胞標(biāo)志物)陰性,無炎癥細(xì)胞浸潤,證實(shí)無免疫排斥反應(yīng);Na?/K?-ATPase表達(dá)陽性,表明功能維持。033生物相容性與功能驗(yàn)證:從體外到體內(nèi)的遞進(jìn)式評估3.2體內(nèi)功能整合與安全性評估-長期安全性:術(shù)后12個月,隨訪顯示無繼發(fā)性青光眼、白內(nèi)障等并發(fā)癥,角膜透明度維持穩(wěn)定,證實(shí)低溫打印仿生內(nèi)皮層的長期安全性。05臨床轉(zhuǎn)化挑戰(zhàn)與未來展望臨床轉(zhuǎn)化挑戰(zhàn)與未來展望盡管低溫3D打印構(gòu)建仿生角膜內(nèi)皮層在實(shí)驗(yàn)室階段取得了突破性進(jìn)展,但距離臨床應(yīng)用仍需攻克多重挑戰(zhàn):1規(guī)模化生產(chǎn)的質(zhì)量控制-細(xì)胞標(biāo)準(zhǔn)化:iPSCs-CECs的分化需嚴(yán)格質(zhì)控(如流式檢測CD200?/CD56?純度>95%),避免未分化細(xì)胞殘留(致瘤風(fēng)險)或分化不完全(功能缺陷)。01-打印參數(shù)穩(wěn)定性:需開發(fā)自動化低溫打印系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、速度的實(shí)時反饋控制,確保每批次打印物的結(jié)構(gòu)一致性(CV值偏差<5%)。02-滅菌與儲存:仿生支架的滅菌(如γ射線輻照)需不影響生物材料結(jié)構(gòu)與細(xì)胞活性;需建立-80℃長期儲存方案,確保產(chǎn)品有效期≥12個月。032手術(shù)技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新-植入器械開發(fā):需設(shè)計(jì)微型植入器(如直徑<2mm的軟性導(dǎo)管),配合可降解水凝膠(如溫敏型PluronicF127)作為載體,實(shí)現(xiàn)仿生內(nèi)皮層的精準(zhǔn)輸送與貼附,避免術(shù)中損傷。-術(shù)中輔助技術(shù):結(jié)合共聚焦顯微鏡或OCT技術(shù),實(shí)時監(jiān)測仿生內(nèi)皮層的貼附位置與覆蓋范圍,提高手術(shù)精準(zhǔn)度。3免疫排斥與長期功能維持-免疫原性調(diào)控:通過基因編輯(如CRISPR/Cas9敲除HLA-II類基因)構(gòu)建“通用型”iPSCs-CECs,或包裹免疫抑制劑(如雷帕霉素微球)于仿生支架中,局部抑制免疫反應(yīng)
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