对比牙科研究中5类三维体外细胞培养模型——基尔比生物北京

 

Kirkstall Quasi Vivo®类器官串联芯片动态互作培养系统

北京基尔比--微重力旋转细胞培养装置

以下对五种主流三维体外细胞培养模型（3D in vitro models）在牙科研究中的“结构本质—构建方式—生物学特征—典型应用—关键局限”进行逐层拆解，方便按需取用。

（一）球状体 Spheroids

• 结构本质
• 仅由单一或少数几种细胞类型“自凝聚”形成的实心球体，无外援支架。
• 构建方式
• 悬滴法、超低吸附培养板、微流控芯片“笼中球”等。
• 生物学特征
• 内部自然形成氧/营养/代谢物梯度，中心易出坏死核心；
• 可富集肿瘤干细胞，模拟实体瘤三维生长。
• 牙科典型应用
• OSCC（口腔鳞癌）侵袭/耐药研究；
• 牙髓干细胞、牙周膜干细胞成骨/成牙本质分化潜能快速评估。
• 关键局限
• 组织学相似度低，缺乏 ECM 与微环境；
• 静态培养，长期培养核心易死；
• 尺寸均一性与批次重现性差。

（二）类器官 Organoids

• 结构本质
• 干细胞（ESC/iPSC/成体干细胞）在三维 ECM 中“自组织”生成的微型器官样结构，含多细胞谱系及腔室。
• 构建方式
• Matrigel®、BME、胶原水凝胶中包埋培养；旋转生物反应器或气-液界面扩大。（北京基尔比Kilby 微重力旋转细胞培养系统 ）
• 生物学特征
• 再现器官发生、细胞极性、甚至部分功能（唾液分泌、矿化结节）；
• 可长期扩增、冻存与生物银行化。
• 牙科典型应用
• 患者来源 OSCC 类器官进行个体化药物敏感筛查；
• 唾液腺类器官研究放射损伤机制与再生；
• 牙上皮-间充质类器官模拟牙胚发育。
• 关键局限
• 成熟周期 2-3 个月，培养成本高；
• ECM 依赖导致批次差异大；
• 缺乏血管、神经、免疫组分，仍为“静态”模型。

（三）组织工程支架 Scaffold-based models

• 结构本质
• 预成型三维多孔框架（天然或合成高分子）+细胞“种子”，依靠支架提供力学与生化线索。
• 构建方式
• 传统：冷冻干燥、粒子沥滤、电纺丝；
• 快速成型：光固化、熔融沉积、选择性激光烧结。
• 生物学特征
• 可独立调控孔径、降解率、力学强度；
• 支持大面积组织再生（骨片、牙龈全层）。
• 牙科典型应用
• 胶原-羟基磷灰石支架评估成骨/成牙本质能力；
• 3D 打印个性化支架用于牙槽骨增量、牙根再生；
• 双层支架（牙龈层+骨层）模拟种植体周围软组织整合。
• 关键局限
• 细胞种植密度与均匀性难以控制；
• 支架降解产物可能引发炎症；
• 血管化不足导致核心坏死。

（四）生物打印 Bioprinted models

• 结构本质
• 按数字模型“逐层”沉积含细胞生物墨水，实现空间排布、多材料、多细胞一体化。
• 构建方式
• 挤出式（最常用）、光固化式、液滴式；
• 生物墨水：明胶-甲基丙烯酰（GelMA）、胶原、丝素蛋白、ECM-陶瓷复合物。
• 生物学特征
• 同时控制宏观几何（牙根外形）与微观细胞分布；
• 可实现 80-90 % 存活率的高速打印（< 3 min/cm³）。
• 牙科典型应用
• 打印“牙根-牙周膜-牙槽骨”一体化微组织，研究种植体-骨整合；
• 梯度功能支架同步释放 BMP-2/VEGF 促进血管化骨再生；
• 患者特异性肿瘤-骨复合体用于 OSCC 侵袭机制研究。
• 关键局限
• 设备昂贵、操作窗口窄（温度、剪切力）；
• 大体积组织血管化仍靠后步培养；
• 监管与标准化空白。

（五）微流控芯片/器官芯片 Microfluidic Devices（Tooth-on-a-chip, etc.）

• 结构本质
• 在微通道网络中整合三维细胞培养区，可施加流体剪切力、机械力、温度梯度，模拟口腔“动态”环境。
• 构建方式
• 聚二甲基硅氧烷（PDMS）软光刻、热压成型；
• 可与电化学传感器、电极、微阀集成。
• 生物学特征
• 实时观察细胞迁移、炎症因子释放；
• 多器官串联（牙龈-骨-免疫）实现“口腔-全身”轴研究。（北京基尔比Kirkstall类器官串联芯片动态互作培养系统 ）
• 牙科典型应用
• 牙周膜-芯片：PDLSC+内皮细胞共培养，研究炎症介导的血管网络重塑；
• 生物膜-芯片：多菌种连续流动，评估漱口水/光动力疗法的杀菌动力学；
• 唾液腺芯片：模拟唾液流速，评估放射损伤与药物保护效果。
• 关键局限
• PDMS 小分子吸附导致药物浓度失真；
• 通道堵塞风险高，长期培养易泄漏；
• 需要专门操作培训与配套成像系统。

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