微流控芯片是什么？

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微流控芯片是什么？这个行业的企业在做什么？

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清风寡欲

在微流控领域，加工PDMS材质的微流控芯片，需要使用软光刻倒模工艺，该治具可用于固定加工好的SU-8光刻胶硅片模具、纯硅刻蚀模具、树脂模具等芯片模具，确保PDMS浇筑过程中液态PDMS不渗漏，从而获得厚度均一的PDMS结构层，实现高效、便捷的可重复操作。
PDMS浇筑治具产品特点
(1) 兼容模具尺寸：4英寸圆形（如SU-8胶、纯硅刻蚀、树脂等模具）
(2) 可浇筑PDMS的最大尺寸为：直径97mm，厚度≤10mm
(3) 治具外形尺寸：长*宽*高=25*11*5cm
(4) 治具重量：800g
(5) 治具上板和下板通过四周的4个定位销配合，确保重复使用的装配精度
(6) 治具上板底面内嵌有O型密封圈，确保液态的PDMS不渗漏
(7) 采用水平式快速夹，安装方便，装卸便捷，夹紧力稳定
(8) 水平夹带可调节全螺牙压杆螺丝，可根据模具厚度，灵活调整锁紧压力



用于PDMS微流控芯片倒模工艺的PDMS浇筑治具



采用PDMS浇筑治具加工的PDMS微流控芯片

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微流控芯片目前被用于许多生物医学领域和化学应用中。它们的广泛用于检测诊断生物标志物和器官芯片方面，这些方法允许对癌症进行疾病建模，并用于神经、心血管、肝脏和肺部疾病。器官组织芯片（OoC）是一种实验平台，用于复制人类组织模型，以研究疾病的病理生理学和新的治疗方法。这些平台包含微流控通道和具有模拟器官特异性功能能力的工程组织。微尺度系统通过引入生物物理或生物化学信号在体外复制了更好的体内细胞微环境通信，而二维细胞培养模型则不能。因此，由于伦理问题和人类病理生理学研究不足，OoC平台可以替代二维细胞培养和动物模型。在最近的十年里，OoC系统已被广泛用于复制器官的生理微环境，如肠道、心脏、肝脏、骨骼、肾脏、肺和大脑。在本文章中，将讨论当前基于肠道、骨骼、肝脏、大脑、心脏、肾脏和肺部的OoC研究。1.微流控芯片——肠道芯片肠道系统的基本职责是消化营养，限制有害物质和病原体的传播，通过屏障功能保护身体。然而，肠道不仅对消化系统至关重要，而且对其他器官的理想功能也至关重要。因此，肠道功能异常会引发多种疾病。为了了解人类肠道系统的生理学，开发了动物模型和静态体外模型（图1）。然而，动物模型不足以模拟人类肠道的生理学，静态模型也不能有效地复制肠道的流体流动、蠕动和绒毛结构。因此，需要三维模型来动态模拟肠道微环境，并正确研究其生理学和病理学。肠道微流控芯片平台有利于通过持续灌注微通道和利用几种肠道细胞类型来模拟肠道的体内形态来研究肠道动力学。Maurer等人开发了一个芯片肠道平台，通过复制具有粘膜巨噬细胞和树突状细胞特征的肠腔免疫耐受，来了解肠道微生物群中的微生物相互作用。因此，免疫活性肠道微环境下微生物致病机制的有效研究，可用于探索致病性疾病。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图1：（a） 一个具有代表性的芯片平台的模型和组件。（b） JJeon等人提出了人类芯片上的gut-a-chip平台。通过对人类细胞和微生物细胞的共同培养来复制胃肠道结构。利用人Caco-2细胞形成肠腔，而HUVEC分别用于在右通道和左通道中建立血管腔。通过I型胶原凝胶分离通道，并通过渗透泵增强培养基的连续流动。（c） 免疫荧光染色结果表明，PECAM-1阳性的HUVECs和ZO-1阳性的Caco-2细胞位于左通道和右通道中。2.微流控芯片——骨芯片Conceição等人提出了一种完全人源化的骨芯片转移平台，以再现交感神经刺激对乳腺癌症细胞和骨细胞之间细胞相互作用的影响。三种不同细胞类型的破骨细胞、癌症细胞变体和交感神经元在单独的室中培养，这允许细胞之间的动态旁分泌信号。结果表明，乳腺癌症细胞的侵袭性随着破骨细胞和交感神经元分泌旁分泌信号的增加而增加。骨髓的基本作用是通过其内皮和血管周围的小生境建立造血系统。格拉泽和他的团队开发了一种新型的微流控平台，该平台由通过血管网络形成分离的两个骨髓小生境组成。将CD34+造血干细胞（HSPC）培养并分化为成熟的中性粒细胞。因此，该平台允许人们分析干细胞生态位，并可用于血液病的药物筛选和建模。多发性骨髓瘤（MM）是一种由单克隆异常浆细胞的积聚和溶骨性病变的生长引起的疾病。Nelson等人展示了一项基于芯片上人类骨髓的类似研究（图2）。然而，Sui等人提出了一种微流控装置，可以复制骨髓微环境的基质、正弦循环和内皮。随后，观察了CXCL12介导的MM细胞对内皮细胞屏障功能的影响，该装置可用于研究癌症细胞在骨髓正弦微环境中的时空关联。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图2：Nelson等人提出的人骨髓芯片（hBM-on-a-chip）示意图，用于研究造血干细胞和祖细胞的行为以及对病理刺激的反应。（a） 所开发的芯片可以模拟存在于长骨中的骨内膜骨小生境和血管周围中央骨小生境。OB：成骨细胞和矿化骨样组织层；MSC：间充质细胞或骨髓基质细胞，包括周细胞；基质细胞：骨髓基质的其他细胞，包括CXCL12丰富的网状细胞（CAR）、成熟的造血细胞和脂肪细胞；HSPC：造血干细胞和祖细胞；FN：纤连蛋白；LN：层粘连蛋白，col I和colIV：胶原I和胶原IV；OP：骨桥蛋白。（b） 利用软光刻技术制作了一个5通道PDMS微流控平台。随着MSCs分化21天，在中央通道中形成内皮层。之后，将HSPCs、HUVECs和MSCs装载并接种在内皮层的顶部用于血管生成。3.微流控芯片——肝脏芯片非酒精性脂肪肝（NAFLD）是最常见的肝脏疾病，其机制非常复杂。Du等人开发了一种基于微流控的肝小叶芯片（LC），该芯片为肝细胞的共培养提供了平台，并被用来研究NAFLD。通过肝动脉（HA）和肝门静脉（PV）的双重血液供应，在LC平台中获得体内肝微组织。在暴露于营养供应的情况下，对NAFLD进行建模，并改变NAFLD早期进展的脂质分带。肥胖是一种代谢性疾病，伴随着过量的脂质积累，再加上炎症升级，形成肥大的脂肪细胞。Liang领导的一个团队开发了一种新的芯片上脂肪（AOC）疾病模型，以在高浓度游离脂肪酸（FFA）下再现脂肪组织肥大和炎症。通过使用油酸（OA）和棕榈酸（PA）利用肥大的脂滴在脂肪细胞中引发炎症来复制疾病模型。所开发的模型为研究肥胖相关代谢疾病提供了一种新的方法。Lee等人进行的一项研究推进了肠肝芯片的开发，以重现肝脏脂肪变性（图3）。在另一项研究中，对OOC平台进行了测试，以研究药物发现中治疗剂及其代谢物的毒理学模式。Soltantabar等人设计了一种无泵心/肝芯片（HLC）微流控装置，以探索阿霉素（DOX）的心脏毒性评估。所提出的HLC平台解释了H9c2大鼠心肌细胞和HepG2肝癌细胞的高活力。与三维静态培养相比，该装置特别适合更有效地监测心脏细胞的损伤。因此，所开发的HLC平台可能是研究心脏毒性的一个很有前途的工具。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图3：Lee等人提出的肠肝芯片示意图，用于概括肝脏脂肪变性。（a） 肠肝芯片的代表图，肠层在膜的顶部，肝层在膜底部。（b） 肠肝芯片的横截面。（c） 组装好的肠肝芯片的图像（蓝色墨水表示肝脏部分，而红色墨水表示肠道部分）。（d） 该图显示了肠-肝平台中肠道细胞（肠细胞）和肝细胞对脂肪酸的吸收。（e） 这幅图展示了在微孔板中进行的脂质积累实验。将孔板中培养的肝细胞（HepG2）暴露于脂质积聚环境中，并进行脂质积聚的定量。微流控芯片——脑芯片
癫痫是一种复杂的神经系统疾病，由反复发作的癫痫发作引起。Pelkonen等人提出了一种用于癫痫建模的微流控平台，该平台由微电极阵列（MEA）组成，使人们能够区分癫痫活动。利用人多能干细胞（hPSCs）和分化的神经元形成功能性神经元网络，并通过红藻氨酸（KA）处理神经元网络来模拟癫痫活动。几项研究表明，大脑的神经认知会受到肠道环境的影响，外泌体也可以调节肠脑轴（GBA）的信号传导。Kim等人开发了一种GBA芯片，用于研究肠道和大脑的通信。该微芯片由血脑屏障（BBB）和肠道屏障组成，模拟脑内皮细胞和肠道内皮细胞的共培养。通过跨内皮/上皮电阻（TEER）测试屏障完整性，脂多糖（LPS）或丁酸盐治疗后屏障发生变化，最终分别在肠-脑轴诱导炎症反应并影响血脑屏障的通透性。此外，如图4所示，对人血脑屏障芯片的研究成功地揭示了血管和血管周围部分的基本结构和功能，以研究纳米颗粒的分布。

添加图片注释，不超过 140 字（可选）
图4：Ahn等人提出的人类血脑屏障芯片示意图。用于复制人类血脑脑屏障的基本结构和功能，并研究纳米颗粒在血管和血管周围部分的分布。（a） 该图显示了血脑屏障的结构，由内皮细胞（EC）、周细胞和表达水通道蛋白-4（AQP4）的星形胶质细胞组成。（b） 微工程人体血脑屏障平台示意图。（c） 已开发的血脑屏障平台的逐层示意图显示了上部血管层、多孔膜、下部血管周层和载玻片。微流控芯片——心脏芯片
人诱导多能干细胞（hiPSCs）分化的心肌细胞（CMs）是构建芯片上心脏平台的关键元件。然而，hiPSCs CMs的不成熟导致心脏生理学和疾病的精确复制困难。Zhang等人领导的团队开发了一种新型心脏芯片平台，以克服hiPSCs CMs的不成熟（图5）。该微流控平台提供了hiPSCs CMs的长期动态培养，而在施加的电刺激下对hiPSCs CMs的实时记录提供了CMs的成熟以复制天然心脏组织。所开发的心脏芯片在药物测试中显示出良好的结果，可以作为评估药物效率和毒性的平台。

添加图片注释，不超过 140 字（可选）
图5：Zhang等人提出的用于研究原位电刺激和观察心脏组织功能参数的芯片心脏装置示意图。（a） 所开发的心脏芯片平台的设计由四层组成：（i）顶层——包含4个入口/出口通道的PDMS覆盖层；（ii）PDMS信道层；（iii）插入有两个铂线电极的PDMS腔室层；以及（iv）底层——由四个金电极涂覆的玻璃层。（b） 芯片平台的三维示意图。（c） 示意图的侧视图显示了腔室中的心脏组织。（d） PDMS通道详细设计的放大草图，表示（a）中的通道层（ii）。（e） 介绍的芯片上的心脏平台的图片。微流控芯片——肾脏芯片肾小球是肾脏的基本组成部分，它利用毛细血管网络和称为足细胞的特定细胞对血液进行定期过滤。因此，模拟肾小球对于研究肾脏生理和疾病至关重要。Roye等人提出并发明了一种个性化的肾小球芯片，利用单个患者的hiPSCs分化的肾单位祖细胞和血管内皮细胞（EC）来复制肾小球屏障功能，以获得基因匹配的组织图谱。在另一个例子中，Lee等人引入了儿童类器官芯片平台。以研究对人类多能干细胞（hPSCs）衍生的人类肾脏类器官体外发育的生化影响（图6）。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图6：示意图显示了Lee等人引入的已开发的儿童类器官芯片平台。该平台用于研究对人类多能干细胞（hPSCs）衍生的人类肾脏类器官体外发育的生化影响。利用控制剪切力和优化ECM来探索生物化学效应。7.微流控芯片——肺芯片在芯片肺平台中复制空气-血液屏障是困难且复杂的，肺泡网络对于模拟体外肺的生理特性至关重要。Zamprogno等人在芯片平台上制造了一个肺，使其能够复制肺泡阵列。由于存在胶原、弹性蛋白和肺ECM的蛋白质，该系统在生物膜中具有生物降解性和弹性的优势。该平台展示了使用原代人类肺内皮细胞和肺泡上皮细胞延长空气-血液屏障功能的出色模型演示，并提出了一种复制器官生物屏障的新技术。此外，如图7所示，Zhu等人研究的芯片上肺平台显示了一种良好的具有微物理呼吸监测的仿生呼吸人类肺。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图7：Zhu等人提出的芯片肺平台示意图。用于开发具有微物理呼吸监测的有利仿生呼吸人类肺。（a） 呼吸时肺泡的形状。（b） 由肺泡状结构阵列组成的人工呼吸芯片装置的设计。循环气流模拟了呼吸过程中的节奏拉伸。增强了结构颜色的使用，使呼吸过程可视化。Fb：纤维蛋白原；NP：纳米粒子；AC：肺泡细胞。在过去的几十年里，微流控设备取得了重大进展，用于从诊断到疾病建模的各种应用。使用器官芯片方法近似模拟患者组织生理微环境的微通道系统是一种新途径，并在这些途径中取得了重大进展。开发具有生物医学应用的微流控设备的主要挑战之一是从实验室环境过渡到现实生活中的工业应用和商业化的大规模生产。要开发的微流控芯片必须是便携式、耐用和用户友好的。由于微流控的固有优势，我们预计微流控将在生物医学设备领域占据主导地位，并在很短的时间内提供卓越的诊断。利用纳米和微机电制造方法开发各种几何形状，再加上微流控容易集成的特点，可能会在未来广泛扩展微流控在生物医学科学和临床实践中的应用。未来图像和数据处理的进步肯定会进一步放大未来微流控设备的影响。
微流控芯片目前被用于许多生物医学领域和化学应用中。它们的广泛用于检测诊断生物标志物和器官芯片方面，这些方法允许对癌症进行疾病建模，并用于神经、心血管、肝脏和肺部疾病。
器官组织芯片（OoC）是一种实验平台，用于复制人类组织模型，以研究疾病的病理生理学和新的治疗方法。这些平台包含微流控通道和具有模拟器官特异性功能能力的工程组织。微尺度系统通过引入生物物理或生物化学信号在体外复制了更好的体内细胞微环境通信，而二维细胞培养模型则不能。因此，由于伦理问题和人类病理生理学研究不足，OoC平台可以替代二维细胞培养和动物模型。在最近的十年里，OoC系统已被广泛用于复制器官的生理微环境，如肠道、心脏、肝脏、骨骼、肾脏、肺和大脑。在本文章中，将讨论当前基于肠道、骨骼、肝脏、大脑、心脏、肾脏和肺部的OoC研究。
1.微流控芯片——肠道芯片
肠道系统的基本职责是消化营养，限制有害物质和病原体的传播，通过屏障功能保护身体。然而，肠道不仅对消化系统至关重要，而且对其他器官的理想功能也至关重要。因此，肠道功能异常会引发多种疾病。为了了解人类肠道系统的生理学，开发了动物模型和静态体外模型（图1）。然而，动物模型不足以模拟人类肠道的生理学，静态模型也不能有效地复制肠道的流体流动、蠕动和绒毛结构。因此，需要三维模型来动态模拟肠道微环境，并正确研究其生理学和病理学。肠道微流控芯片平台有利于通过持续灌注微通道和利用几种肠道细胞类型来模拟肠道的体内形态来研究肠道动力学。Maurer等人开发了一个芯片肠道平台，通过复制具有粘膜巨噬细胞和树突状细胞特征的肠腔免疫耐受，来了解肠道微生物群中的微生物相互作用。因此，免疫活性肠道微环境下微生物致病机制的有效研究，可用于探索致病性疾病。


图1：（a） 一个具有代表性的芯片平台的模型和组件。（b） JJeon等人提出了人类芯片上的gut-a-chip平台。通过对人类细胞和微生物细胞的共同培养来复制胃肠道结构。利用人Caco-2细胞形成肠腔，而HUVEC分别用于在右通道和左通道中建立血管腔。通过I型胶原凝胶分离通道，并通过渗透泵增强培养基的连续流动。（c） 免疫荧光染色结果表明，PECAM-1阳性的HUVECs和ZO-1阳性的Caco-2细胞位于左通道和右通道中。
2.微流控芯片——骨芯片
Conceição等人提出了一种完全人源化的骨芯片转移平台，以再现交感神经刺激对乳腺癌症细胞和骨细胞之间细胞相互作用的影响。三种不同细胞类型的破骨细胞、癌症细胞变体和交感神经元在单独的室中培养，这允许细胞之间的动态旁分泌信号。结果表明，乳腺癌症细胞的侵袭性随着破骨细胞和交感神经元分泌旁分泌信号的增加而增加。骨髓的基本作用是通过其内皮和血管周围的小生境建立造血系统。格拉泽和他的团队开发了一种新型的微流控平台，该平台由通过血管网络形成分离的两个骨髓小生境组成。将CD34+造血干细胞（HSPC）培养并分化为成熟的中性粒细胞。因此，该平台允许人们分析干细胞生态位，并可用于血液病的药物筛选和建模。多发性骨髓瘤（MM）是一种由单克隆异常浆细胞的积聚和溶骨性病变的生长引起的疾病。Nelson等人展示了一项基于芯片上人类骨髓的类似研究（图2）。然而，Sui等人提出了一种微流控装置，可以复制骨髓微环境的基质、正弦循环和内皮。随后，观察了CXCL12介导的MM细胞对内皮细胞屏障功能的影响，该装置可用于研究癌症细胞在骨髓正弦微环境中的时空关联。


图2：Nelson等人提出的人骨髓芯片（hBM-on-a-chip）示意图，用于研究造血干细胞和祖细胞的行为以及对病理刺激的反应。（a） 所开发的芯片可以模拟存在于长骨中的骨内膜骨小生境和血管周围中央骨小生境。OB：成骨细胞和矿化骨样组织层；MSC：间充质细胞或骨髓基质细胞，包括周细胞；基质细胞：骨髓基质的其他细胞，包括CXCL12丰富的网状细胞（CAR）、成熟的造血细胞和脂肪细胞；HSPC：造血干细胞和祖细胞；FN：纤连蛋白；LN：层粘连蛋白，col I和colIV：胶原I和胶原IV；OP：骨桥蛋白。（b） 利用软光刻技术制作了一个5通道PDMS微流控平台。随着MSCs分化21天，在中央通道中形成内皮层。之后，将HSPCs、HUVECs和MSCs装载并接种在内皮层的顶部用于血管生成。
3.微流控芯片——肝脏芯片
非酒精性脂肪肝（NAFLD）是最常见的肝脏疾病，其机制非常复杂。Du等人开发了一种基于微流控的肝小叶芯片（LC），该芯片为肝细胞的共培养提供了平台，并被用来研究NAFLD。通过肝动脉（HA）和肝门静脉（PV）的双重血液供应，在LC平台中获得体内肝微组织。在暴露于营养供应的情况下，对NAFLD进行建模，并改变NAFLD早期进展的脂质分带。肥胖是一种代谢性疾病，伴随着过量的脂质积累，再加上炎症升级，形成肥大的脂肪细胞。Liang领导的一个团队开发了一种新的芯片上脂肪（AOC）疾病模型，以在高浓度游离脂肪酸（FFA）下再现脂肪组织肥大和炎症。通过使用油酸（OA）和棕榈酸（PA）利用肥大的脂滴在脂肪细胞中引发炎症来复制疾病模型。所开发的模型为研究肥胖相关代谢疾病提供了一种新的方法。Lee等人进行的一项研究推进了肠肝芯片的开发，以重现肝脏脂肪变性（图3）。在另一项研究中，对OOC平台进行了测试，以研究药物发现中治疗剂及其代谢物的毒理学模式。Soltantabar等人设计了一种无泵心/肝芯片（HLC）微流控装置，以探索阿霉素（DOX）的心脏毒性评估。所提出的HLC平台解释了H9c2大鼠心肌细胞和HepG2肝癌细胞的高活力。与三维静态培养相比，该装置特别适合更有效地监测心脏细胞的损伤。因此，所开发的HLC平台可能是研究心脏毒性的一个很有前途的工具。


图3：Lee等人提出的肠肝芯片示意图，用于概括肝脏脂肪变性。（a） 肠肝芯片的代表图，肠层在膜的顶部，肝层在膜底部。（b） 肠肝芯片的横截面。（c） 组装好的肠肝芯片的图像（蓝色墨水表示肝脏部分，而红色墨水表示肠道部分）。（d） 该图显示了肠-肝平台中肠道细胞（肠细胞）和肝细胞对脂肪酸的吸收。（e） 这幅图展示了在微孔板中进行的脂质积累实验。将孔板中培养的肝细胞（HepG2）暴露于脂质积聚环境中，并进行脂质积聚的定量。

• 微流控芯片——脑芯片
  癫痫是一种复杂的神经系统疾病，由反复发作的癫痫发作引起。Pelkonen等人提出了一种用于癫痫建模的微流控平台，该平台由微电极阵列（MEA）组成，使人们能够区分癫痫活动。利用人多能干细胞（hPSCs）和分化的神经元形成功能性神经元网络，并通过红藻氨酸（KA）处理神经元网络来模拟癫痫活动。几项研究表明，大脑的神经认知会受到肠道环境的影响，外泌体也可以调节肠脑轴（GBA）的信号传导。Kim等人开发了一种GBA芯片，用于研究肠道和大脑的通信。该微芯片由血脑屏障（BBB）和肠道屏障组成，模拟脑内皮细胞和肠道内皮细胞的共培养。通过跨内皮/上皮电阻（TEER）测试屏障完整性，脂多糖（LPS）或丁酸盐治疗后屏障发生变化，最终分别在肠-脑轴诱导炎症反应并影响血脑屏障的通透性。此外，如图4所示，对人血脑屏障芯片的研究成功地揭示了血管和血管周围部分的基本结构和功能，以研究纳米颗粒的分布。
  

图4：Ahn等人提出的人类血脑屏障芯片示意图。用于复制人类血脑脑屏障的基本结构和功能，并研究纳米颗粒在血管和血管周围部分的分布。（a） 该图显示了血脑屏障的结构，由内皮细胞（EC）、周细胞和表达水通道蛋白-4（AQP4）的星形胶质细胞组成。（b） 微工程人体血脑屏障平台示意图。（c） 已开发的血脑屏障平台的逐层示意图显示了上部血管层、多孔膜、下部血管周层和载玻片。

• 微流控芯片——心脏芯片
  人诱导多能干细胞（hiPSCs）分化的心肌细胞（CMs）是构建芯片上心脏平台的关键元件。然而，hiPSCs CMs的不成熟导致心脏生理学和疾病的精确复制困难。Zhang等人领导的团队开发了一种新型心脏芯片平台，以克服hiPSCs CMs的不成熟（图5）。该微流控平台提供了hiPSCs CMs的长期动态培养，而在施加的电刺激下对hiPSCs CMs的实时记录提供了CMs的成熟以复制天然心脏组织。所开发的心脏芯片在药物测试中显示出良好的结果，可以作为评估药物效率和毒性的平台。
  

图5：Zhang等人提出的用于研究原位电刺激和观察心脏组织功能参数的芯片心脏装置示意图。（a） 所开发的心脏芯片平台的设计由四层组成：（i）顶层——包含4个入口/出口通道的PDMS覆盖层；（ii）PDMS信道层；（iii）插入有两个铂线电极的PDMS腔室层；以及（iv）底层——由四个金电极涂覆的玻璃层。（b） 芯片平台的三维示意图。（c） 示意图的侧视图显示了腔室中的心脏组织。（d） PDMS通道详细设计的放大草图，表示（a）中的通道层（ii）。（e） 介绍的芯片上的心脏平台的图片。

• 微流控芯片——肾脏芯片
  

肾小球是肾脏的基本组成部分，它利用毛细血管网络和称为足细胞的特定细胞对血液进行定期过滤。因此，模拟肾小球对于研究肾脏生理和疾病至关重要。Roye等人提出并发明了一种个性化的肾小球芯片，利用单个患者的hiPSCs分化的肾单位祖细胞和血管内皮细胞（EC）来复制肾小球屏障功能，以获得基因匹配的组织图谱。在另一个例子中，Lee等人引入了儿童类器官芯片平台。以研究对人类多能干细胞（hPSCs）衍生的人类肾脏类器官体外发育的生化影响（图6）。


图6：示意图显示了Lee等人引入的已开发的儿童类器官芯片平台。该平台用于研究对人类多能干细胞（hPSCs）衍生的人类肾脏类器官体外发育的生化影响。利用控制剪切力和优化ECM来探索生物化学效应。
7.微流控芯片——肺芯片
在芯片肺平台中复制空气-血液屏障是困难且复杂的，肺泡网络对于模拟体外肺的生理特性至关重要。Zamprogno等人在芯片平台上制造了一个肺，使其能够复制肺泡阵列。由于存在胶原、弹性蛋白和肺ECM的蛋白质，该系统在生物膜中具有生物降解性和弹性的优势。该平台展示了使用原代人类肺内皮细胞和肺泡上皮细胞延长空气-血液屏障功能的出色模型演示，并提出了一种复制器官生物屏障的新技术。此外，如图7所示，Zhu等人研究的芯片上肺平台显示了一种良好的具有微物理呼吸监测的仿生呼吸人类肺。


图7：Zhu等人提出的芯片肺平台示意图。用于开发具有微物理呼吸监测的有利仿生呼吸人类肺。（a） 呼吸时肺泡的形状。（b） 由肺泡状结构阵列组成的人工呼吸芯片装置的设计。循环气流模拟了呼吸过程中的节奏拉伸。增强了结构颜色的使用，使呼吸过程可视化。Fb：纤维蛋白原；NP：纳米粒子；AC：肺泡细胞。
在过去的几十年里，微流控设备取得了重大进展，用于从诊断到疾病建模的各种应用。使用器官芯片方法近似模拟患者组织生理微环境的微通道系统是一种新途径，并在这些途径中取得了重大进展。开发具有生物医学应用的微流控设备的主要挑战之一是从实验室环境过渡到现实生活中的工业应用和商业化的大规模生产。要开发的微流控芯片必须是便携式、耐用和用户友好的。由于微流控的固有优势，我们预计微流控将在生物医学设备领域占据主导地位，并在很短的时间内提供卓越的诊断。利用纳米和微机电制造方法开发各种几何形状，再加上微流控容易集成的特点，可能会在未来广泛扩展微流控在生物医学科学和临床实践中的应用。未来图像和数据处理的进步肯定会进一步放大未来微流控设备的影响。

继续前进

一、微流控芯片的基本定义

微流控芯片，又称芯片实验室（Lab-on-chip），是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术。

目前，主流形式的微流控芯片是指把化学和生物等领域中涉及的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米甚至更小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学、生物、材料、光学等不同实验室的各种功能的一种技术。

2017年，中国科技部将微流控芯片定位为一种“颠覆性技术”，而微流控芯片中的重要分支——器官芯片则被世界经济论坛评为2016年世界“十大新兴技术”之一。



点成微流控芯片实物示意图

二、微流控芯片的材料与制作

芯片的材质决定了芯片的性能，要制作微流控芯片，芯片材料需遵循以下原则：良好的生物相容性、良好的电绝缘性和散热性、良好的光学性能、表面具有良好的可修饰性、制作工艺简单且制作成本低。

目前，微流控芯片制作常用的材料有：单晶硅片、石英、玻璃、有机聚合物（PMMA、PDMS、PC、COP）等，其中以聚合物最为常见。高分子聚合物的制作技术主要包括热压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀法、LIGA法、软刻蚀法等。

三、微流控芯片的流体驱动与检测

在微流控芯片中，流体驱动方式一般可分为两类：机械驱动方式（包括气动微泵、压电微泵、往复式微泵、离心力驱动等）和非机械驱动方式（包括电渗驱动、重力驱动等）。

与传统的检测器相比，微流控芯片对检测器的要求更加严格，这主要体现在灵敏度高、响应速度快和体积小这三个方面。在目前的微流控芯片检测技术中，光学检测法和电化学检测法应用最为广泛。




四、微流控芯片的应用

微流控芯片在现阶段主要应用在以下三个方面：

1）分析诊断

微流控芯片作为一种耗样量低、分析速度快、灵敏度高的分析平台，在即时诊断（POCT）领域具有巨大的应用潜力。微流控芯片在实现POCT产业化的应用主要集中在以核酸分析为代表的分子诊断和以蛋白质分析为代表的免疫诊断，也包括一些以代谢物分析为代表的生化诊断。另外，由于细胞群体的异质性，液滴微流控芯片也被应用于单细胞分析技术中的以单个细胞为对象的研究。

2）筛选合成

对不同材料作高通量筛选是液滴微流控芯片的重要应用领域，例如工业酶或分选不同抗生素抗性的细菌等。另外，由于液滴操控灵活，形状可变，大小均一，可被应用于材料领域，特别是高附加值微颗粒材料的合成领域。




3）器官芯片

以微流控技术为基础，和生物学相结合，以活细胞为背景，用微工程装置形式重组的人体器官，可重现人体的生理和力学功能，并通过精确控制流体流动、机械信号与各组织界面的结合，来建立动态模型，进而实现比传统静态细胞培养更加仿真的效果。

2010年，哈佛大学Donald Ingber等在《Science》杂志上发表的肺器官芯片是一种具有代表性的器官芯片。器官芯片是当今对哺乳动物及其微环境进行操控的重要技术平台，微流控器官芯片未来有望替代小白鼠等动物模型，用于验证候选药物、开展药物毒理和药理作用研究，实现个体化治疗。



肺器官芯片装置

同花顺

一、微流控芯片的基本定义

微流控芯片，又称芯片实验室（Lab-on-chip），是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术。
目前，主流形式的微流控芯片是指把化学和生物等领域中涉及的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米甚至更小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学、生物、材料、光学等不同实验室的各种功能的一种技术。
2017年，中国科技部将微流控芯片定位为一种“颠覆性技术”，而微流控芯片中的重要分支——器官芯片则被世界经济论坛评为2016年世界“十大新兴技术”之一。



点成微流控芯片实物示意图

二、微流控芯片的材料与制作

芯片的材质决定了芯片的性能，要制作微流控芯片，芯片材料需遵循以下原则：良好的生物相容性、良好的电绝缘性和散热性、良好的光学性能、表面具有良好的可修饰性、制作工艺简单且制作成本低。

目前，微流控芯片制作常用的材料有：单晶硅片、石英、玻璃、有机聚合物（PMMA、PDMS、PC、COP）等，其中以聚合物最为常见。高分子聚合物的制作技术主要包括热压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀法、LIGA法、软刻蚀法等。
三、微流控芯片的流体驱动与检测

在微流控芯片中，流体驱动方式一般可分为两类：机械驱动方式（包括气动微泵、压电微泵、往复式微泵、离心力驱动等）和非机械驱动方式（包括电渗驱动、重力驱动等）。
与传统的检测器相比，微流控芯片对检测器的要求更加严格，这主要体现在灵敏度高、响应速度快和体积小这三个方面。在目前的微流控芯片检测技术中，光学检测法和电化学检测法应用最为广泛。


四、微流控芯片的应用

微流控芯片在现阶段主要应用在以下三个方面：
1）分析诊断
微流控芯片作为一种耗样量低、分析速度快、灵敏度高的分析平台，在即时诊断（POCT）领域具有巨大的应用潜力。微流控芯片在实现POCT产业化的应用主要集中在以核酸分析为代表的分子诊断和以蛋白质分析为代表的免疫诊断，也包括一些以代谢物分析为代表的生化诊断。另外，由于细胞群体的异质性，液滴微流控芯片也被应用于单细胞分析技术中的以单个细胞为对象的研究。
2）筛选合成
对不同材料作高通量筛选是微流控液滴芯片的重要应用领域，例如工业酶或分选不同抗生素抗性的细菌等。另外，由于液滴操控灵活，形状可变，大小均一，可被应用于材料领域，特别是高附加值微颗粒材料的合成领域。


3）器官芯片
以微流控技术为基础，和生物学相结合，以活细胞为背景，用微工程装置形式重组的人体器官，可重现人体的生理和力学功能，并通过精确的控制流体流动与机械信号和组织-组织界面相结合，建立动态模型，进而实现比传统静态细胞培养更加仿真的效果。
2010年，哈佛大学Donald Ingber等在《Science》杂志上发表的肺器官芯片是一种具有代表性的器官芯片，器官芯片是当今对哺乳动物及其微环境进行操控的重要技术平台。微流控器官芯片有望替代小白鼠等动物模型，用于验证候选药物、开展药物毒理和药理作用研究，实现个体化治疗。



肺器官芯片装置

参考文献：
[1] 林炳承.器官芯片[M].北京:科学出版社,2019.
[2] Huh D, Matthews BD, Mammoto A, Montoya-Zavala M, Hsin HY, Ingber DE. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science. 2010 Jun 25;328(5986):1662-8. doi: 10.1126/science.1188302.