功率放大器在多级别多尺度复杂血管网络的仿叶脉人体器官芯片研究中的应用
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“器官芯片”是一种在体外利用微流控芯片装置来模仿人体内部的动态生理微环境，从而培养出类人体组织器官的新兴技术，现已被广泛应用于包括生命科学机理研究、新药开发、个性化医疗和毒性预测等多个领域。血管网络为细胞提供营养、氧气及生物因子，并参与炎症反应、肿瘤迁移等各种生物活动，是人体生命活动的基础，因此，在“器官芯片”中构建出类似人体血管网络系统是该技术的关键因素。目前，大多数关于“器官芯片”的研究只能制作出具有简单流道结构的血管网络，与人体体内的多级复杂血管网络相差甚远，难以提供仿生的生理微环境（如剪切力刺激等）和多器官的信号沟通传导。已有研究者试图通过仿生设计的方法，引入类似血管分叉结构特征，但其整体结构仍然过于简单。因此，如何制造出类似于人体体内具有复杂多级结构的血管网络结构，是在芯片上构建功能化器官模型的难题之一。
图1与腔室特定器官集成的血管系统的仿生设计
针对以上问题，香港理工大学赵昕教授课题组和西安交通大学贺健康教授课题组共同提出了一种新型仿生血管网络设计和制造方法，可实现多级别、多尺度血管网络系统的可控制造，用于构建具有多个器官的“叶脉芯片”。叶脉网络与人体血管网络具有高度的相似性，都是自然优选出的液体传输系统，具有复杂的多级别管道，能够实现液体在大面积结构/管道中的高效传输。基于此，该研究团队提出利用脱细胞的叶脉网络作为模板，经过一系列图像处理方法，实现叶脉网络结构的数字化重构；该数字模型支持人为编辑，可实现在仿叶脉微流道系统中引入嵌入式腔室，通过光刻微制造技术获得具有仿生微流道的“叶脉芯片”，用于血管化功能器官的培养。通过液体灌流实验和流体力学模拟分析的方法，发现液体能够快速灌流到整个“叶脉芯片”中，并且嵌入式腔室的引入并不会改变“叶脉芯片”中的高效的液体流动特性。此外，通过进一步在多级管道中种植血管内皮细胞，该研究团队成功制备出可灌流的多级别、多尺度血管网络系统，可有效地支持嵌入式腔室中功能器官的培养，重建了类似人体内血液循环系统连接器官组织的复杂生理特征。为了展示其生物学效果，研究人员在“叶脉芯片”上制造出了血管化骨组织和肝组织并用于胰腺肿瘤迁移的研究，发现胰腺肿瘤细胞更趋向于迁移到骨组织中，并与骨髓基质干细胞形成立体的环抱结构，首次揭示了两者在3D微环境中特殊的作用关系。该研究团队相信，这种“叶脉芯片”具有仿人体的多级别血管网络，支持多个器官在同一芯片的共同培养，并且可同时进行对比性的生物学实验，有潜力用于肿瘤迁移等血液循环系统相关的生理活动和药物开发研究中。
相关结果以题为Human‐on‐Leaf‐Chip:ABiomimeticVascularSystemIntegratedwithChamber‐SpecificOrgans发表在Small杂志上，香港理工大学博士生毛茅和硕士生裴浩彬是该文第一作者，香港理工大学赵昕教授和西安交通大学贺健康教授是该文通讯作者。
图2具有集成腔室的仿生血管系统的制造
图3仿生血管系统内的液体运输
图4FITC-葡聚糖在预先装有血纤蛋白水凝胶的腔室内扩散的特征
图5仿生血管网络的内皮化形成连接的血管化器官
图6仿生血管系统中血管化器官的灌注培养，用于研究特定器官胰腺癌的转移
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