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器官芯片（ORGAN ON CHIP）是復制生物器官關鍵功能的微型工程仿生系統。這些微器件提供了比傳統細胞培養更精確的模型，用于模擬復雜的細胞 - 細胞和細胞 - 基質相互作用。因此，它們可能代表了制藥和化學應用非常有趣的工具。它們還允許研究特定器官的人體生理學，從而能夠開發新的體外疾病模型。

從3D細胞培養到芯片上的器官

在3D細胞培養中，細胞在人工創造的微環境中培養，使它們能夠在所有三個維度上生長并與周圍環境相互作用。它們是可提供三維細胞培養的優勢幾種培養工具，，如細胞外基質或支架，旋轉式生物反應器，微載體或懸滴板。

3D細胞培養為細胞提供了比常規2D細胞培養物更加類似于體內微環境的微環境，增強了分化功能的表達并改善了組織結構。因此3D球體是細胞遷移，分化和生長的改進模型。此外，在三維中培養的細胞具有較好的極化程度，并表現出與二維培養細胞不同的基因表達水平。

例如，三維細胞培養可用于模擬健康和癌性乳房組織模型中的腺泡結構（類似多葉狀漿果的細胞群，例如a raspberry, acinus is Latin for “berry）。這些球體比傳統細胞培養更適合長期藥物篩選。

然而，3D細胞培養不能再現對其功能至關重要的活體器官的特征，例如組織 - 組織界面（例如上皮細胞和血管上皮細胞之間），化學物質或氧梯度或微環境的機械作用。

器官芯片（ORGAN ON CHIP）利用微流體和微制造的優勢來克服這些限制，以便更好地模擬活體器官的微觀結構，動態力學性質和生化功能。

細胞生物學微細加工技術

器官芯片依靠兩種核心技術。第一個是微流控技術，它可以處理少量的液體，并可以精確控制流體流量或創建濃度梯度。利用微流體技術，營養物質和其他化學信號可以以非常可控的方式傳遞。

第二個是微制造（光刻，復制模制，微接觸印刷），非常適合于制造微結構，從而控制細胞的形狀和功能。

早期的微系統使用硅微制造，導致復雜和昂貴的微制造過程。為了克服這個限制，研究人員開發了由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的微流體系統。PDMS具有多種特性，使其特別適用于制造細胞或組織培養用微器件。首先，PDMS具有豐富的氣體滲透性，確保向微通道內的細胞供氧。這消除了對于硅，玻璃或塑料器件中的細胞培養通常需要的外部充氧器的需要。然后，由于其光學透明度，PDMS實現了活細胞成像。最后，PDMS非常靈活，可以使用芯片閥門或通過PDMS局部變形對細胞施加機械作用。

但是，PDMS也有缺點。PDMS用于細胞培養的主要缺點是PDMS傾向于吸附其表面上的小分子。

器官芯片模型

許多組織模型都是由工業或學術實驗室開發的。這里我們提供一些關于器官芯片模型的簡短概述。

腸道芯片

腸道器官芯片是一個非常重要的藥物篩選模型。當口服給藥時，藥物主要被小腸吸收，然后通過兩個屏障擴散：粘膜層和腸壁的上皮細胞層。腸道芯片是一個復雜的模型，應該考慮幾個特征：細胞組成（主要是腸細胞和杯狀細胞），結構特征（絨毛和粘液）和動態特征（腸道運動，稱為蠕動）。

Kimura等建立了一個腸道模型，其中有兩個獨立的通道，由半透膜隔開，細胞接種和培養。

哈佛大學的Wyss研究所也以相同的原理實現了“gut-on-a-chip”，它也定期延伸以模仿腸道的蠕動運動。另外，研究人員能夠在器官芯片上生長常見的腸道微生物。

肝臟芯片

肝臟芯片是評估藥物毒性的關鍵因素。實際上，有一半的藥物提取是由于急性肝毒性。

Midwoud等人開發了一種芯片上的微流體肝臟，將肝臟和腸道切片整合到隔室之間，在隔室之間連續灌注以研究機體間的相互作用。

肺芯片

肺上皮受到各種環境攻擊，如病原體或污染。因此肺芯片將成為環境應用的優秀模型。

Huh等人在柔性膜上培養上皮細胞，肺泡上皮細胞和免疫細胞。將培養基泵入下部通道以模擬通過肺微血管的血流。兩側中空通道周期性地充氣和放氣以模擬生理呼吸運動。

腫瘤芯片

癌癥研究面臨的最大挑戰之一是開發出針對癌細胞的藥物，但要保留完好的健康細胞。

為建立腫瘤相關模型，包括多細胞球體、中空纖維和多細胞層模型，已開發出不同的策略。灌注系統用于向這些3D模型提供治療藥物，模擬血液供應給腫瘤細胞。

肌肉芯片

骨骼肌在糖尿病患者中起著重要的作用，因為它們對葡萄糖穩態的貢獻。在芯片骨骼肌模型中，需要有結構特征(肌管對齊和裝配到肉瘤)，以及植入電極來刺激肌肉收縮。

芯片上的肌管排列是通過襯底模式或剛度實現的。Kaji等通過微電極陣列對肌管的收縮性與葡萄糖攝取的正相關關系進行了研究。

多器官芯片

所有這些器官芯片都可以用來預測藥物對整個身體的毒性。在這些動物芯片或人類芯片系統中，代表不同器官的多個芯片與通道相連。

然而，盡管這一領域取得了重大突破，但仍存在一些挑戰，如使用人類的原始細胞代替癌細胞，監測細胞對刺激的反應，或控制微環境的質量(代謝物，氧飽和度，pH)的質量。