器官芯片( Organs-on-a-chips)是一種利用微加工技術(shù)，在微流控芯片上制造出能夠模擬人類器官的主要功能的仿生系統(tǒng)。除了具有微流控技術(shù)微型化、集成化、低消耗的特點(diǎn)外，器官芯片技術(shù)能夠精確地控制多個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，如化學(xué)濃度梯度、流體剪切力、以及構(gòu)建細(xì)胞圖形化培養(yǎng)、組織-組織界面與器官-器官相互作用等，從而模擬人體器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、微環(huán)境和生理學(xué)功能。

細(xì)胞的生長需通過各種復(fù)雜的外環(huán)境與內(nèi)環(huán)境的協(xié)同作用共同完成，因此在建立體外生理學(xué)模型時(shí)需要考慮外界環(huán)境參數(shù)的真實(shí)性。 將微流控技術(shù)與微加工、細(xì)胞生物學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的器官芯片技術(shù)在對(duì)外界環(huán)境參數(shù)的控制中具有其他技術(shù)難以比擬的能力，通過產(chǎn)生流體剪切力、機(jī)械應(yīng)力、生化濃度梯度等理化刺激,細(xì)胞能夠響應(yīng)這些刺激而發(fā)生自組裝，展現(xiàn)更加真實(shí)的生理學(xué)功能，因而在體外生理學(xué)模型建立中具有特殊的優(yōu)勢。

（1）產(chǎn)生流體剪切力
流體的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生剪切力，人體內(nèi)每時(shí)每刻都存在著流體的流動(dòng)，而傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)卻無法給與系統(tǒng)剪切力。微流控技術(shù)能夠通過微泵灌流實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的動(dòng)態(tài)培養(yǎng)，這有利于穩(wěn)定地給予細(xì)胞營養(yǎng)物質(zhì)并及時(shí)將廢物排出，且相比于靜態(tài)培養(yǎng),細(xì)胞所處的動(dòng)態(tài)環(huán)境與體內(nèi)更為相似。

（2）提供動(dòng)態(tài)的機(jī)械應(yīng)力
人體內(nèi)存在著與生命活動(dòng)相關(guān)的壓力如血壓、肺部壓力、骨骼壓力等。這種穩(wěn)態(tài)壓力對(duì)于維持機(jī)體的生理學(xué)功能如組織形成、細(xì)胞的分化甚至是腫瘤的形成具有重要的作用。 微流控技術(shù)能夠利用彈性多孔膜制造周期性的機(jī)械應(yīng)力，例如將細(xì)胞培養(yǎng)于多孔膜上，利用外界作用力使多孔膜發(fā)生形變從而模擬部分生理功能,如肺的呼吸、腸道蠕動(dòng)以及心臟收縮等。

（3）形成濃度梯度
由于在微尺度下，流體主要以層流形式運(yùn)動(dòng)，這有利于在通道中產(chǎn)生各種類型的濃度梯度。以濃度梯度作為驅(qū)動(dòng)的各種生化信號(hào)對(duì)于許多生理過程如細(xì)胞遷移、分化、免疫反應(yīng)以及癌癥的轉(zhuǎn)移等起著關(guān)鍵的作用。微流控技術(shù)能夠通過改變流速與通道尺寸，并利用微閥、微泵技術(shù)或獨(dú)特的通道設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、三維的生化濃度梯度，從而模擬人體內(nèi)各種復(fù)雜的生理學(xué)過程。

（4）實(shí)現(xiàn)細(xì)胞圖案化培養(yǎng)
人體的組織不是由單一的細(xì)胞堆疊而成，而是需要多種細(xì)胞有序的排列，通過復(fù)雜的相互作用形成功能化的整體。 微流控技術(shù)對(duì)細(xì)胞具有超強(qiáng)操控能力，模板法、表面修飾、電化學(xué)法、層流、微柱結(jié)構(gòu)等都有助于實(shí)現(xiàn)在芯片上的細(xì)胞圖案化。 這對(duì)構(gòu)建具有一定復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的體外生理學(xué)模型大有裨益，同時(shí)能夠?yàn)檠芯考?xì)胞-細(xì)胞相互作用、細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)相互作用提供一個(gè)理想的平臺(tái)。

經(jīng)過近幾年來的快速發(fā)展，研究人員已經(jīng)在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)了眾多人體器官的構(gòu)建如芯片肝、芯片肺、芯片腸、芯片腎、芯片血管、芯片心臟以及多器官芯片等。其中，肺是人的呼吸器官,肺泡是肺部氣體交換的主要部位，也是肺的功能單位。肺泡由一層單層上皮細(xì)胞和肺毛細(xì)血管內(nèi)層的內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)成，具有復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)。 因此，傳統(tǒng)的體外培養(yǎng)模式難以對(duì)肺的生理模型進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，而微流控技術(shù)因其對(duì)流體流量及芯片尺寸的精確控制、持續(xù)的流體灌輸以及持續(xù)的氣體交換能力為建立體外肺模型與肺的病理學(xué)研究提供了一個(gè)強(qiáng)有力的平臺(tái)。 如下圖a是一個(gè)雙層芯片肺以模擬人的呼吸過程的結(jié)構(gòu)圖。

芯片肺：（a）有循環(huán)抽吸功能的微加工肺；（b）生理呼吸運(yùn)動(dòng)；（c）3個(gè)PDMS層的不可逆鍵合；（4）側(cè)邊腔室的化學(xué)刻蝕；（5）從上部觀察的完整芯片系統(tǒng)

從圖a中可以看出見，該芯片分為上下兩層，上層為氣體通道，下層為液體通道，中間由一個(gè)多孔彈性的 PDMS 膜將其分隔，膜的上側(cè)培養(yǎng)置于氣-液界面的人肺泡上皮細(xì)胞，下側(cè)則是浸潤在動(dòng)態(tài)流體環(huán)境中的血管內(nèi)皮細(xì)胞，從而模擬人肺泡-毛細(xì)血管屏障；同時(shí)在通道的左右兩側(cè)存在兩個(gè)與真空泵連接的側(cè)通道，通過有規(guī)律的真空條件變化，引起 PDMS膜發(fā)生形變以模擬人呼吸時(shí)肺泡壁的擴(kuò)張和收縮。

微流控器官培養(yǎng)套裝：一種致力于細(xì)胞培養(yǎng)的微流體系統(tǒng)，包括了進(jìn)入器官培養(yǎng)領(lǐng)域所需要的全部組件。

器官培養(yǎng)套裝的優(yōu)勢：
1、控制壓力和真空
     非常適合模仿生理?xiàng)l件
2、在介質(zhì)或藥物之間快速切換
     用于成像細(xì)胞對(duì)各種介質(zhì)或藥物的反應(yīng)
3、穩(wěn)定&無脈沖流量
     精確控制液體流量
4、流速范圍廣
     從0.01 μL/min到5 mL/min
5、設(shè)計(jì)流量注入序列
     創(chuàng)建復(fù)雜的模式，例如模擬生理?xiàng)l件的振蕩流。

器官培養(yǎng)套裝適用的領(lǐng)域：
●腸芯片
●肺芯片
●肝芯片
●皮膚芯片
●心臟芯片
●腎芯片
●血栓通芯片
●神經(jīng)或心血管網(wǎng)絡(luò)芯片

參考文獻(xiàn)

Alexandre Grassart, ValérieMalardé, Samy Gobaa, Anna Sartori-Rupp, Jordan Kerns, Katia Karalis, Benoit Marteyn, Philippe Sansonetti, Nathalie Sauvonnet, Bioengineered Human Organ-on-Chip Reveals Intestinal Microenvironment and Mechanical Forces Impacting Shigella Infection, Cell Host & Microbe, 2019, 26(3): 435 - 444. doi.org/10.1016/j.chom.2019.08.007

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