肿瘤疾病是世界范围内主要的公共健康问题之一,也是国内外生物医学领域研究的焦点问题。在过去的几十年中,生物学家在基因及蛋白水平阐释了肿瘤发生、发展的过程,从肿瘤生物学的角度对疾病的理解做出了巨大贡献,为肿瘤治疗手段的发展提供了不可估量的价值。由于肿瘤疾病的复杂性与多样性,更多来自工程学、力学等领域的学者也纷纷加入了肿瘤研究中,以期待多学科的交叉、融合能为理解肿瘤、治疗肿瘤带来新的角度与手段。越来越多的研究表明,细胞三维微环境与基因密码共同调控着肿瘤的发生发展过程。目前,对肿瘤的研究多采用传统的二维培养技术,肿瘤细胞不仅脱离了在体的细胞三维微环境,还缺少了细胞与细胞间、细胞与细胞外基质间的相互作用,无法准确反映体内肿瘤细胞的真实状态。而且,现有细胞三维微环境构建方法仍存在过程复杂、依赖于特殊技术等局限,不利于三维肿瘤模型在肿瘤研究中的推广;另一方面,肿瘤在体内处于复杂且多样的微环境中,构建复杂细胞微环境以满足不同的需求,对于肿瘤微环境的研究也十分必要。因此,开发应对不同需求的微环境构建方法,在体外构建可控的细胞三维微环境,对推动肿瘤研究意义重大。此外,随着疾病的恶化,肿瘤细胞外基质的硬度、结构等微环境也发生着显著的变化。对于肿瘤细胞如何使这些微环境发生变化并产生重构作用,以及这些变化会对肿瘤细胞造成哪些影响仍有待解答。因此,研究肿瘤细胞对微环境的重构作用对于理解肿瘤疾病的发展过程具有重要意义。针对以上两个核心问题,结合近年来飞速发展的微纳制造技术,本研究开发了多种简易、快速构建三维肿瘤细胞微环境的方法。在此基础上,还研究了肿瘤细胞对其三维微环境的重构作用,探讨其重构机制,并研究了这种重构作用对肿瘤细胞生长的影响。具体研究内容如下:首先,为在体外重现细胞与细胞间的相互作用,我们开发了一种用于快速地构建三维肿瘤多细胞球的新方法。该方法基于悬挂液滴的三维细胞培养板,采用一种表面张力控制结构,实现了对液滴形貌和体积的控制,显著地提高了液滴形成效率和液滴体积,避免了传统悬挂液滴培养方法中对使用者操作熟练度的要求,具有极大的应用价值;针对三维细胞培养板中液滴制备过程繁琐、耗时的问题,研究了一种可高通量、快速地制备悬挂液滴的仿生学结构,揭示了该结构制备悬挂液滴的原理及影响因素,极大地提高了悬挂液滴的制备效率、减少了操作时间,对于实现高通量地制备多细胞球肿瘤模型具有重要意义。第二,为在体外重现细胞与细胞外基质间的相互作用,我们采用水凝胶材料模拟三维细胞外基质,开发了一系列基于水凝胶包埋细胞的新方法。针对如何低成本、快速地制备三维肿瘤模型的挑战,我们开发了一种生物笔技术,利用传统中性笔结构,注入水凝胶等生物材料与肿瘤细胞,可快速在不同基底上构建三维肿瘤细胞模型。该方法不受实验室条件的限制,可低成本、灵活地调控三维细胞微环境,为三维细胞微环境工程技术的推广与广泛应用提供了技术支持;为了对构建过程实现更精确的控制,我们开发了基于微尺度水凝胶材料(微凝胶)自组装的新方法,通过制备带电荷微凝胶,利用正负电荷间的吸引作用,将微凝胶组装成具有生物相关性的复杂结构。通过细胞实验证明了带电荷水凝胶具有良好的生物相容性。理论研究揭示了组装过程中自由能最小化的原则,对设计组装结构具有指导意义。因此,该方法不仅在三维肿瘤模型的构建中具有重要意义,同时在组织工程、再生医学等相关领域中也具有较大应用前景。第三,针对肿瘤细胞如何重构其微环境的科学问题,我们采用三维肿瘤模型,定量地研究了肿瘤细胞对周围胶原材料的力学重构作用。研究了肿瘤细胞对胶原材料的硬化作用,并发现其可使细胞周围胶原材料的刚度提高约100倍。并进一步探讨了这种硬化作用的机制,发现其主要归因于肿瘤细胞的牵拉作用;同时根据胶原材料的宏观力学特性以及细胞周围胶原材料的硬化程度,计算了细胞周边的应力场,发现了应力随距离衰减的规律,σ~d-2。此外,我们还证实了细胞在牵拉材料过程中导致胶原材料发生屈曲现象,并进行了定量表征。最后,针对硬化的微环境如何进一步影响肿瘤细胞生长的科学问题,我们选用水凝胶模拟肿瘤细胞的硬化作用,研究了硬化的微环境对肿瘤细胞生长的影响。结果表明,硬化的微环境可调节肿瘤多细胞球生长表型的转化;并揭示了该转化过程中细胞体积的变化规律,发现了多细胞球内部细胞具有较小的体积;对细胞实时追踪的结果还发现,在生长过程中,存在细胞迁移的过程,并且细胞体积也随着细胞的迁移发生显著变化。综上所述,本研究开发了多种可用于构建肿瘤三维模型的新方法,解决了如何快速、精确地构建细胞三维微环境的难题,为肿瘤生物学、药物筛选等研究提供了有力的技术支持。并以肿瘤三维模型为基础,分别研究了肿瘤细胞对细胞外基质的硬化作用以及硬化的微环境对肿瘤细胞的影响,从力学的角度探索肿瘤生长过程中的自然规律,为理解肿瘤疾病提供了全新的视角,有望为肿瘤疾病的预防和治疗提供新策略。