多细胞结构是由细胞群体构成的有机体，其体外构建对于生物制造、再生医学和生物器件的发展具有重要的基础意义。本论文围绕面向多细胞结构构建的生物微粒2D及3D操控所涉及的关键技术，开展了基于金属微电极、光致虚拟电极和复合式介电泳芯片的粒子主动式操控与外力场引导式自组装研究，以及基于图灵反应-扩散模型、微制造技术和3D细胞培养技术的多细胞自组装与异种细胞相互协调作用的工程方法研究。取得下列创新性研究成果:　　1.建立了面向体外构建多细胞结构的生物粒子操控技术体系，系统全面的阐明了生物粒子的各类操控技术对多细胞结构构建的支撑作用。该体系包括对生物粒子进行主动式操控或者自组装过程的控制。主动式操控作为一种以物理方法为主的操控方式在初始粒子分布设定方面具有不可替代的优势;自组装技术能够使得细胞-细胞及细胞-外基质间的相互作用达到接近自然状态，且在多细胞结构成形的后期阶段发挥主导性作用。本技术体系中，主动式操控包括基于光致介电泳、金属微电极以及二者复合式芯片的生物粒子操控技术;自组装技术包括电场、功能化基底辅助作用下的细胞平面自组装以及无外力场作用的3D多细胞结构在凝胶外基质中的自组装。　　2.系统研究了基于光致介电泳的主动式操控的频率响应规律、操控效果定量表征，以及引导式自组装中的动力学过程与控制，为多细胞结构构建过程中涉及的生物粒子受控自组装提供了更详尽的理论和应用技术支撑。目前系统分析影响光致介电泳力辅助控制下的多生物粒子自组装性能的因素的研究较少，且对多粒子的组装过程中的动力学过程进行定量研究很少涉及，因而无法实现高精确度的粒子自组装。本文通过研究多粒子组装过程中粒子所受的光致介电泳、粒了问相互作用力、沉淀力等微观作用力的耦合效果，建立基于光致介电泳的多粒子组装过程中的动力学模型，通过数值仿真并结合相应的试验结果，更细致详尽的揭示了粒子在受控自组装过程中的动力学特点，进而解决了多粒子组装过程中的各粒子问距以及粒子全局位置的精确控制规律不清楚的问题。　　3.提出复合式介电泳芯片的概念及原型设计，并应用于生物粒子的主动式驱动、大规模排布和局部粒子的位置调整。复合式介电泳芯片集成了光电导层和金属微电极层，可使虚拟光电极和金属微电极在功能上相互配合，具体能够实现三种模式的操控:金属电极单独操控、虚拟光电极操控、金属电极与虚拟光电极同时作用下的复合式操控。复合式操控通过金属微电极阵列瞬间排布出呈特定几何分布的大量粒子，通过光斑的移动可以自由调整局部位置的单个或若干粒子。此技术既弥补了金属微电极柔性不足和难以实时动态操控的不足，同时也弥补了虚拟光电极由于衍射极限导致其轮廓精细度和尺寸精度受限的不足。　　4.提出采用选择性黏附功能化基底实现间充质干细胞的引导式自组装方法，并形成由异种细胞构成的环形和圆周放射型多细胞结构。此方法是一种在长时间内不影响细胞生理状况的基于功能化基底产生的表面附着力的自组装引导技术，具体通过在微基底上制作交替间隔的两种条状涂层区来激励和调控细胞的生长移动，并在生长促进因子和抑制因子的反应-扩散机理的作用下最终实现长周期（几天至几十天）的细胞自组装过程的控制。这种方法生成的层状二维多细胞结构体为通过逐层堆叠法形成三维多细胞结构体提供了结构单元材料。　　5.设计和合成出适于细胞在三维空间生长的3D凝胶基质，使大量活细胞自组装成为立体多细胞结构体;提出此类立体多细胞结构形态能够采用图灵反应-扩散模型来调控的设想，并通过设计和执行相关试验进行了论证。这突破了目前图灵机理只能用于解释或调控一维或二维的多细胞结构自组装形成过程的局限。试验结果表明，细胞能够在此外基质中能够迁移、增殖，且长期健康生长，最后大量细胞在不同试验条件下逐渐形成各种不同的3D多细胞结构体。所建立的图灵机理的数学模型同时考虑到成形素（蛋白分子）和细胞的反应-扩散过程，能够更准确的模拟细胞与细胞以及和细胞与蛋白质分子之间的相互作用，进而得出不同条件下与试验结果吻合的多种3D多细胞结构形态。