器官芯片
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
器官芯片的實例教程
除了實現對人類的個性化醫療，器官芯片還有一個明顯的好處，便是藥物測試。這一點，對動物試驗的改變將是革命性的。
一直以來，人們都是通過動物來試藥，暫且不論用動物做藥物測試是否人道。從實驗準確性的角度來講，盡管動物與人類共享的基因比例高達99%，但剩下的1%，仍然會造成極大的變量，從而導致兩個物種之間產生巨大的生理差異。同一種藥物，在動物體內和人體內的反應可能是截然不同的。即便是極小的表達差異，也會隨著藥物研發進程的推進而被不斷放大，最終導致整個項目的失敗。
“器官芯片”因為更接近人體，能夠更加有效地用于藥物測試，10月11日，《科學進展》上就報告了一種在微流控芯片上制作神經元和肌肉組織的3D方法，借助這種芯片，科學家可以替“漸凍人”試新藥。
仿真性、成本、連接……器官芯片要面臨的問題
器官芯片的概念提出已久，產業化的進程卻十分緩慢，探究其中原因，大致可以分為三點。
首先，即使是最先進的器官芯片，也無法完全代表活體器官的功能。畢竟，所有的器官都不可能脫離機體單獨存在。雖然化整為零具有建設性的意義，但整體大于部分，僅依靠器官芯片是無法復制疾病機體的，尤其是內分泌環境所導致一系列功能變化。
因此，我們必須考慮人體這個整體的關聯性，在這方面，我們可以利用單個芯片組成一個高集成度的3D組織器官微流控芯片系統。大連理工大學的研究團隊就研發出了這樣的芯片系統，該芯片系統由多種模塊自上而下依次疊加構成，集成了腸、血管、肝、腫瘤、心、肺、肌肉和腎等細胞或組織，并有“消化液”,“血液”和“尿液”貫穿其中。
如此，器官芯片就像一個積木，將所有的積木堆積起來，就能最大程度地打造一個“人體建筑”，還原人體內功能環境，并實現藥物測試等作用。
其次，器官芯片仍是一個成長中的技術，產業鏈的不成熟將導致成本增加。
展開 據麥姆斯咨詢報道，一款新型生物傳感器允許研究人員實時跟蹤“器官芯片”系統中的含氧量，從而可以確保這些系統更真實地模仿器官功能。如果希望實現器官芯片在藥物和毒性測試等應用，這一點至關重要。該款生物傳感器由北卡羅來納州立大學和北卡羅來納大學教堂山分校的研究人員開發。
十多年來，器官芯片的概念一直受到研究人員的關注。這個想法是創造模仿特定器官功能的小型生物結構，例如像肺一樣將氧氣從空氣中轉移到血液中。目標是使用這些器官芯片，也稱為微生理模型，加速對毒性或新藥有效性的高通量測試。
但是，雖然近年來芯片器官研究取得了重大進展，但使用這種方式的主要障礙是缺乏用于從系統中實際檢索數據的工具。
“在大多數情況下，收集芯片器官數據現有的唯一方法是利用生物測定、組織學，或使用其他涉及破壞組織的技術，”這款新型生物傳感器的論文作者Michael Daniele談道。Daniele是北卡羅來納州立大學電氣工程系助理教授，同時在北卡羅來納大學教堂山分校生物醫學工程聯合系任職。
“我們真正需要的是能夠實時收集數據而不影響系統運行的工具”Daniele說，“這能確保我們能夠持續收集和分析數據，并對正在發生的情況提供更豐富的洞察。我們研發的新型生物傳感器就是為上述要求而誕生，至少對含氧量而言是這樣的。”
人體各處的含氧量差異很大。例如，在健康成年人的肺組織中氧含量約為15%，而腸道內壁幾乎為0%。氧氣含量直接影響組織功能，這很重要。如果您想知道器官如何正常運作，您需要在實驗時保持芯片器官的“正常”水平的氧含量。
“實際上，我們需要一種方法來實時監測氧含量，不僅在器官芯片的現場環境中，還包括器官芯片所在的組織本身。現在我們有辦法做到了。”Daniele說。
這款生物傳感器的秘訣在于磷光凝膠，暴露于紅外光后能發射出紅外光，可以把它想象成一種回聲閃光。
展開 但是直接通過人體進行研究，無疑是充滿困難的，微流控芯片/器官芯片（Organ-On-Chip）為這類醫學研究提供了一種有效方式。這種在芯片上制造人體微型器官的方法，在疾病研究、開發患者特異性治療方法以及替代動物實驗方面具有應用潛力。
奧地利維也納理工大學（Technische Universit?t Wien，TU Wien）材料科學與技術研究所的科研團隊，對人體胎盤機制進行了研究，采用的正是器官芯片的方法。在制造芯片時，TU Wien團隊使用了雙光子聚合微納米3D打印技術。
3D打印制造芯片中的人工胎盤微結構
許多研究表明，母親的糖尿病、高血壓可能對未出生的胎兒產生影響，這種現象是在多參數相互作用下發生的，但如何研究這其中的復雜原因是目前的難點。TU Wien的研究人員在器官芯片復制出體外的微型“人工胎盤”，并對胎盤的機制進行研究。
研究和分析胎盤用的器官芯片，圖片來源：TU Wien
TU Wien 研究團隊設計的器官芯片由兩個區域組成 - 一個代表胎兒，另一個代表母親。研究人員使用高分辨率的雙光子聚合3D打印技術在它們之間制造出分區，即人造胎盤膜。通過增材制造的方式，材料逐漸形成3D結構，分辨率在微米范圍內。
生物相容性水凝膠材料制造的3D打印微結構，圖片來源：TU Wien
在人工胎盤的研究中，科研人員使用打印材料是一種具有良好生物相容性的水凝膠，模仿天然胎盤制造出小而彎曲的絨毛表面，然后將胎盤細胞植入到這些結構中，形成一個非常類似于人體天然胎盤的屏障。
TU Wien團隊多年來一直在科研中應用這種高分辨率3D打印技術，已取得了一系列的成果。
展開 器官芯片已經成為實現藥物篩選和個性化醫療的可行平臺。雖然多種人體器官芯片模型已經被開發，但很少有關于傳感器集成的報道，而這些傳感器對于持續測量微環境參數以及微組織對于藥物的長期動態響應至關重要。為了克服這一主要障礙，他們詳細介紹了基于電化學的生物傳感器的制備及其與微流控芯片的集成，以實現在線微電極功能化、生物標志物檢測和傳感器再生，從而允許連續、原位和非侵入性對于器官芯片平臺上的可溶生物標志物的自動化定量分析。該平臺具有很高的通用性，可以應用于大多數可溶生物標志物的在線檢測，可以與眾多現有的器官芯片裝置連接，并且可以多路復用以同時測量多個生物標記物。
圖1. 擁有電化學傳感器集成的多器官芯片用于對于可溶生物標志物連續、原位和非侵入性的定量分析。
該文章以“Microfluidic Integration of Regeneratable Electrochemical Affinity-Based Biosensors for Continual Monitoring of Organ-on-a-Chip Devices”為題發表在Nature Protocols上。哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授和Su-Ryon Shin教授為本文的共同通訊作者。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41596-021-00511-7
作者簡介：
Y.
展開 為了攻克各種疾病，科學家們不僅使用動物模型，還試圖復制和重建人體器官。近年來，類器官材料逐漸進入人們的視野，成為研究的熱點之一。基于人的活細胞和生理相關微環境的集成，類器官芯片可以模擬器官水平的功能，這些功能對于生理穩態和復雜疾病過程至關重要，有望補充和減少藥物相關的動物實驗工作。同時，類器官芯片也為體外檢測化學品、環境材料和消耗品的副作用提供了良好的平臺。因此，處理好細胞水平與芯片材料之間的關系，對于提高芯片的工作效率就顯得尤為重要。例如，用于單細胞分析的工程微流控芯片，用于分析脂質抑制活性的脂肪細胞微細胞模式芯片，以及用于灌注細胞培養的重力誘導單向流動微流控芯片。其中，從復雜的組織環境或混合細胞群中篩選并獲得所需的靶細胞（包括稀有細胞），對于細胞分子生物學基礎研究、干細胞在臨床治療中的應用以及包括癌癥在內的多種疾病的診斷具有重要意義。由于傳統物理方法對細胞的損傷較大，且目前商用的分選儀器和磁性活細胞分選技術耗時長、成本高、步驟繁瑣且需要專業技術人員操作，也會對細胞造成一定的損害。因此，設計便于細胞分選和捕獲且保持細胞高活力的生物材料一直是生物醫學“智能”細胞培養應用領域（如細胞治療和組織工程）的迫切需求。
近日，東南大學生物科學與醫學工程學院葛麗芹教授課題組和具有多年微流控芯片制造經驗的陳早早副教授合作，基于生物粘附/抗粘附原理，通過層層自組裝方法研制出了一種集自修復和抗氧化功能于一身的類器官生物涂層芯片，用于細胞分選、捕獲和按需釋放。這種微流控輔助的涂層芯片能維持高細胞活性。
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器官芯片的最新內容
圖1 器官芯片設計的不可逆和可逆密封策略
微生理器官芯片(OOC)已成為解決現有臨床前模型缺點的替代體外平臺。目前的OOC設備通常由PDMS板粘合在一起或靠在基板上制成，以形成培養基可以流動的密封通道（圖1a）。因此，密封是決定OOC技術的可重復性和穩健性的主要因素之一。密封微流體裝置的策略可分為兩類：不可逆鍵合和可逆密封。
該生物制造方法可以為微組織模型快速集成到器官芯片和高通量藥物篩選平臺提供極大幫助。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1088/1758-5090/ac2d78
2.
該技術有望用于修復活動的軟組織損傷，且對組織工程、生物制造、器官芯片、藥物遞送、疾病模型等生物應用提供新思路。
：器官芯片的電化學生物傳感器集成
哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授課題組：3D生物打印組織內的共生光合給氧及血管化
南林黃超伯教授和哈佛醫學院 Y. Shrike Zhang教授：一種利用氣體輔助策略制備的具有復雜運動能力的雙驅動微球馬達
南京林業大學黃超伯教授和哈佛醫學院Y.
：微流控3D打印技術制備立體超順滑織物用于創面引流
南京大學鼓樓醫院趙遠錦教授課題組：仿生黏附抗菌微針新進展
南京大學鼓樓醫院趙遠錦教授CSR：生物活體材料構建器官芯片
南京大學鼓樓醫院趙遠錦教授團隊《PNAS》：在微流控芯片液滴操控方面取得最新進展
東南大學趙遠錦教授：能屈能伸的肝癌器官芯片
東南大學趙遠錦教授課題組
：器官芯片的電化學生物傳感器集成
南京大學鼓樓醫院趙遠錦教授CSR：生物活體材料構建器官芯片
北航常凌乾教授、樊瑜波教授團隊發表綜述：可穿戴生物芯片在單細胞傳感和基因轉染中的應用
中科院大連化物所秦建華研究員團隊《Adv. Mater.》: 水凝膠介導的類器官和器官芯片研究
高分子科技原創文章。
雖然當前肺器官芯片模型已經較為完善，但是大多數都集中在模擬上呼吸道，而現有的肺泡模型（包括肺泡芯片）和機體的肺泡在結構、功能上都存在著本質差異。哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授課題組利用反蛋白石原理，構建了類生理結構、會“呼吸”的三維肺泡結構。
器官芯片已經成為實現藥物篩選和個性化醫療的可行平臺。雖然多種人體器官芯片模型已經被開發，但很少有關于傳感器集成的報道，而這些傳感器對于持續測量微環境參數以及微組織對于藥物的長期動態響應至關重要。
顧忠澤教授課題組主要從事人體器官芯片、生物醫學大數據、光子晶體、仿生可控微結構等領域的研究，前期在微觀3D打印方面有著比較好的研究積累（Adv. Mater. 2018. 30, 1800103; Nat. Commun. 2020, 11, 5732; Adv. Sci. 2020, 2, 202000878; Adv. Funct.
在動物和人體上測試藥物是昂貴的，耗時的并且通常是不道德的，因此產生準確模仿人體器官的芯片上器官是推進藥物的必要步驟。 “我們的新模型可用于研究這些相互作用，并更好地了解它們在人類呼吸系統疾病中的作用，”Park說。 “因此，3D細胞印刷的氣道芯片可用作動物模型的有力補充，用于分析病理生理學和測試臨床前階段藥物的效率。”
來源：中國3D打印網
