微流控芯片內(nèi)單元構(gòu)件的尺度使它有可能同時容納分子、細胞、仿生的組織，甚至器官，而芯片特殊的操控體系又使它能同時測量物理量、化學(xué)量和生物量，因此，微流控芯片已被業(yè)界公認為當(dāng)今哺乳動物細胞及其微環(huán)境進行精準(zhǔn)操控的主流平臺，而細胞是生命存在的基礎(chǔ)。

21世紀(jì)第一個十年的后期，哈佛大學(xué)Ingber等開展了一系列芯片器官的研究工作，并于2010年發(fā)表了關(guān)于芯片肺的代表性的文章。2011年9月16日，美國總統(tǒng)奧巴馬親自宣布啟動由NIH，F(xiàn)DA和國防部牽頭，104億美金的基于芯片器官的“微生物系統(tǒng)研究項目”，“以確保美國未來20年在新藥發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位”，并認為，“仿生微流控芯片”能夠以令人難以想象的幅度降低新藥發(fā)現(xiàn)的成本和周期，給新藥開發(fā)帶來一次革命。項目自2012年啟動，經(jīng)費在此后的執(zhí)行過程中被不斷追加，哈佛、MIT、UC Berkley、Cornell等十余個名校團隊承擔(dān)了其中的主要工作。

差不多在同一個時間段，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的微流控芯片團隊先后在微流控芯片上完成了一系列的細胞培養(yǎng)，多種細胞的共培養(yǎng)和三維共培養(yǎng)，免軟骨組織培養(yǎng)，以及帶有肝微粒體的藥物代謝等工作，進而于2010年10月的香山會議上正式提出并啟動微流控芯片仿生組織——器官的研究。

組織—器官芯片是繼細胞芯片之后一種更接近仿生體系的模式。組織—器官芯片的基本思想是設(shè)計一種結(jié)構(gòu)，可包含人體細胞、組織、血液、脈管，組織—組織界面以及活器官的微環(huán)境，或者說，在一塊數(shù)平方厘米的芯片上模擬一個活體的行為，并研究活體中整體和局部的種種關(guān)系，驗證以至發(fā)現(xiàn)生物體中液體的種種流動狀態(tài)和行為。

微流控組織—器官芯片可被看成是一個由微流控芯片組建的仿生實驗室，它提供了一種在相對簡單的生物體體外對極其復(fù)雜的生物體體內(nèi)開展模擬研究的途徑。如果我們隊實際問題的把握足夠準(zhǔn)確，而物理抽象過程又盡可能合理的話，對于類似于藥物毒性，個性治療這樣的困惑現(xiàn)代制藥工業(yè)和現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)的瓶頸問題，芯片上的仿生實驗無異于一種天賜良機。“實際問題物理化，物理模型數(shù)學(xué)化”，以偏微分方程為代表的數(shù)學(xué)模擬曾經(jīng)在解決一系列重大科學(xué)技術(shù)問題上作出了不可磨滅的貢獻，類似于仿生模擬這樣的專一性芯片實驗室的出現(xiàn)，實際上可能催生另一種重要的研究模式，也即：“實際問題物理化，物理模型芯片化”。

從物理模型確定后，首先要做的是在芯片上構(gòu)建生理模型并對它進行表征。以Ingber等的以芯片肺為例，從人的氣孔中取出細胞，置于膜的前部培養(yǎng)，而將人肺血管內(nèi)皮細胞置于同一膜的背部培養(yǎng)，其間有介質(zhì)流過，由此構(gòu)建了一個組織—組織界面。此外，他們又設(shè)計了一個由彈性橡膠做成的側(cè)孔，施加了循環(huán)的負壓，是處于中間的膜及其兩側(cè)的細胞按人呼吸的頻率不斷舒張和收縮。這樣，他們就把兩種或兩種以上的組織放在一起，實際上是創(chuàng)造了一個生理環(huán)境，使這些細胞能顯示出其在人體內(nèi)相似的功能，因此具備了人體器官的基本特征。

當(dāng)然，所有的器官都不可能脫離身體的其他部位而孤立存在，因此最終我們必需考慮人體這個整體。大連微流控芯片團隊的另一極，大連理工大學(xué)藥學(xué)院羅勇等構(gòu)建一個有高集成度的三維組織—器官微流控芯片系統(tǒng)，用于藥物研發(fā)中的臨床前試驗。

      這一模型的初步實驗結(jié)果表明，多組織、器官集成的微流控芯片具有部分代替小白鼠功能的潛在可能，是開展微流控芯片藥學(xué)研究的重要平臺，特別是，對于諸如抗輻射試劑和抗病菌試劑這一類通常難以在生物實體上開展試驗的藥劑，芯片器官的出現(xiàn)更無疑是一個天賜良機。