μ-MRI与细胞自动机模拟联用揭示支架内细胞生长的创新方法

这篇研究开创性地将微磁共振成像（μ-MRI）与细胞自动机（CA）模拟结合，用于可视化生物材料/支架内的细胞分布并建模其定植过程。通过碳支架兼容μ-MRI的技术协同，实现了组织工程和生物制造领域细胞行为的动态观测与计算模拟双重突破，为活体材料开发提供了创新方法论。

　　

制造与表征三维热解碳支架
通过立体光刻技术制备环氧树脂前体支架，经500°C氮气环境下热解获得具有立方晶格结构的热解碳（PyC）支架。扫描电镜（SEM）显示支架晶格厚度80.2±2.7μm，孔隙尺寸83.9±5.9μm，热缩率约46%。拉曼光谱证实材料为无定形碳结构（D/G峰强度比0.7），电学测试显示其绝缘特性。该支架成功支持C2C12肌肉细胞培养，7天后荧光染色显示细胞沿支架表面形成单层并深入孔隙生长。

μ-MRI实现细胞尺度成像
采用11.7T高场强μ-MRI系统（分辨率20μm³
）对固定于3/7/14天的细胞-支架复合体进行扫描。通过3D Slicer软件重建显示，细胞在支架表面形成连续生物膜，且随培养时间延长孔隙逐渐被填充。SEM与μ-MRI重建的对比验证了该技术达到单细胞分辨率，可量化不同培养期细胞体积（3天1.2mm³
→14天3.8mm³
）和表面积（3天12mm²
→14天28mm²
），表面体积比下降反映生物膜趋于致密化。

细胞自动机模拟定植过程
基于MATLAB构建三维细胞自动机模型，以支架CAD模型为边界条件，初始随机分布10,000个细胞（状态2）。通过sigmoid函数概率规则（参数k=0.4，c=13）模拟细胞增殖：当细胞邻域（26个Moore邻居）中活细胞数增加时，状态1（空位）转为状态2的概率提升。模拟显示支架在32天达到完全定植，与实验数据吻合度达90%（MAE=1,911.19），动态呈现滞后-指数-平稳的生长阶段特征。

技术优势与应用前景
该研究首次验证μ-MRI与CA联用策略的可行性：μ-MRI提供非破坏性活体监测数据，CA模型通过参数校准实现生长预测。PyC支架的MRI透明特性使其成为理想载体，未来可扩展至血管生成、癌症转移等复杂过程研究。结合微流体系统，该方法有望推动器官芯片和工程活体材料（ELM）的开发，实现从"观察"到"预测"的跨越。当前局限在于固定样本的准纵向研究设计，后续需开发原位活细胞监测方案。

方法论突破
通过μ-MRI获取的体素数据直接校准CA参数，建立迭代次数与实际培养时间的换算关系（1次迭代≈2.9天）。这种实验-计算闭环框架为数字孪生在再生医学的应用奠定基础，其核心创新在于将成像分辨率（20μm）、细胞尺寸（10-20μm）与模拟网格精度精准匹配，实现多尺度数据融合。