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　　微流控技术是一种通过微小的通道和微型装置对流体进行精确操控和分析的技术。它是现代医学技术发展过程中的一种重要的生物医学工程技术，具有广泛的应用前景和重要性。它在高通量分析、个性化医疗、细胞筛选等方面有着巨大的潜力，Aigtek安泰电子今天就将为大家分享一篇微流控领域研究成果，一起接着往下看吧~

　　随着三维器官模型在模拟人体于药物和化学物质作用下的反应的精确度不断获得肯定，三维器官芯片的热度也不断攀升。然而器官芯片现有的问题也非常多。首先，现有器官芯片，芯片上的器官仍然缺乏重建活体组织的三维结构和相关细胞的空间组织的能力；其次，用于微芯片设计的生物惰性聚合物材料，尽管提供了细胞附着和生长的支持，但不能代表原生ECM的晶格结构和刚度；此外，现有芯片还忽略了ECM基质晶格中上皮细胞和间充质细胞之间的相互作用，以及空气暴露和拉伸等因素对诱导细胞分化的影响----这些因素对于皮肤和肺泡等组织来说是诱导细胞最终分化的必要条件。目前许多器官芯片都只是在3D表面上的2D共培养，而不是3D器官型培养，并且不包括基质和/或调节细胞在体内所受机械力的成分。

近期， 美国著名器官芯片研发公司Emulate, Inc.的Christopher D. Hinojosa，在Biomaterials上发表了题为A novel organ-chip system emulates three-dimensional architecture of the human epithelia and the mechanical forces acting on it 的文章。该团队设计了一种新型皮肤/肺泡组织器官芯片。该芯片具有开盖设计，能够在施加机械力的同时，用混合了间充质细胞的天然ECM水凝胶, 为细胞提供刚度适宜的支持。

　　该芯片由四层PDMS组成（图1），其中最底部是一片螺旋形的微流控芯片，截面长600um,高400u，用于种植血管内皮细胞，模拟血管。螺旋型的结构有助于增加其与上层的接触面积，使营养物质能更充分的交换。倒数第二层是一层50um厚的多孔薄膜，孔径7um,很好的模拟了血管的内弹性膜结构。正数第二层主要结构是一个空腔，直径6mm,高度4mm，主要用于培养细胞外基质及相应皮肤或肺组织细胞。最上面一层也含有一个微流控流道，组装后可为第二层的空腔提供流动营养物质或施加剪切力。整体来看，底部三层是紧密固定的，而顶部的第四层则是可拆卸的，经由特制的夹具固定在另外三片芯片上。

　　图1开顶芯片设计原理图

　　除了传统微流控结构以外，第二层腔体周围还环绕着一圈图1C中由深灰色标识的气动结构。这层结构是空心的，连接着一个真空气泵。控制气泵规律性的抽出气动空腔中的气体，就能带动空腔及期内部的组织结构周期性的拉伸。通过对开顶芯片真空通道施加负压能产生0~15%的循环应变，幅值为0~−90kPa，频率为0.2Hz（图2）。

　　图2开顶芯片的拉伸

　　在倒数第三层空腔内细胞外基质层的表面，团队还用一个刻有微图案的印章塑造了细胞外基质表面的图案（图3）。在细胞外间质凝固过程中外置印章这一做法，充分发挥了芯片顶部可打开的优势。通过添加这一表面微图案的小细节，则更贴切的模拟了人体内自然状态下上皮于细胞间质界面形态。细胞外间质层主要由基质等效ECM混合物使用牛I型胶原蛋白溶液制备,中间再视器官模型中上成纤维细胞或平滑肌细胞，用印章压制成2mm厚(皮肤组织)或200um厚（肺泡组织）的胶状结构。

　　图3开顶芯片细胞基质层表面微图案制作

　　考虑到内皮细胞对上皮细胞的成长有着重要的作用，器官芯片的底部螺旋流道中可以根据芯片功能选择种上相应的内皮细胞。在流动的培养基作用下培养7-15天，螺旋流道里就能形成单层致密的由内皮细胞组成的脉管系统。图4以及图5b就对流道内内皮细胞的性质进行了检测。同时图5还检测了腔体内上皮细胞的成长状况，验证了成熟表皮层的形成。

　　图4开顶肺泡芯片血管腔内皮细胞特性

　　图5开顶皮肤芯片细胞特性

　　至于肺泡芯片，该团队也对腔体内的肺泡上皮结构进行了组织切片检测（图6）。切片的组织学分析证实了两种表型明显的细胞类型——I型肺细胞和ii型肺细胞的存在。

　　图6开顶肺泡芯片上皮细胞特征

　　分别验证了各个区间的细胞状态后，该团队又试图评估该模型是否能实现间质与上皮的相互作用，并捕捉三个芯片间隔之间的串扰。为此，团队用脂多糖对开顶肺泡芯片做了一个脂多糖（LPS）炎症检测。即使在没有免疫细胞的情况下，脂多糖也会引发上皮的炎症反应。在用LPS处理开顶肺泡芯片后，团队发现内皮细胞上的炎症表面标记物ICAM-1上调，经免疫组化显示，芯片血管通道流出物中炎症介质IL-6、IL-8和MPC-1水平都有升高（图7）。这些数据表明，在开放顶部芯片的三个不同的细胞层之间的功能确实是互连并相关的。

　　图7开顶肺泡芯片LPS炎症反应

　　为了进一步证实肺泡上皮层和血管通道之间的相互影响，该团队又用含CD41标记的血小板的全血灌注血管通道15分钟，并将上皮暴露于LPS下，然后，通过实时成像跟踪标记血小板的运动及其与内皮细胞的相互作用。实验结果显示，与体内状态类似，由于暴露于LPS模拟的血管微环境中的炎症会导致血小板与内皮细胞的显著结合。这些发现表明，开顶肺泡芯片可用于具体研究病理环境下的细胞-细胞相互作用，评估药物毒性和/或疗效，并揭示相关供体-供体差异。

　　图8开顶肺泡芯片LPS介导的血小板活化和聚集

　　ATA-2081高压放大器

　　带宽：（-3dB）DC~200kHz

　　电压：800Vp-p（±400Vp）

　　电流：40mAp

　　功率：16Wp

　　压摆率：≥356V/μs

　　可程控

　　参考文献

Antonio Varone, Justin Ke Nguyen, Lian Leng, Riccardo Barrile, Josiah Sliz, Carolina Lucchesi, Norman Wen, Achille Gravanis, Geraldine A. Hamilton, Katia Karalis, Christopher D. Hinojosa, A novel organ-chip system emulates three-dimensional architecture of the human epithelia and the mechanical forces acting on it, Biomaterials

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