器官芯片技术有哪些? 器官芯片技术实现方法
发布时间：
2026-07-29 15:09
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器官芯片技术概述
1.器官芯片技术定义
器官芯片技术将微流控、细胞生物学、材料科学等多领域知识深度融合。这一技术是在芯片上构建微型生物装置，通过微流控技术精确调控细胞生长环境，模拟出人体器官特有的生理结构和微环境。在器官芯片上，不同类型的细胞可按器官实际结构进行有序排列与相互作用，同时借助微流控技术对细胞所需的营养物质、生长因子等进行精准供给与循环，使细胞能在近似体内的条件下生长与功能表达。器官芯片能高度还原器官的生理特性，如心脏芯片可模拟心肌收缩功能，肝脏芯片能实现药物代谢功能等，为药物研发、毒性测试、疾病模型构建等提供了更真实、高效的研究平台，是生物医学领域极具前景的技术方向。
2.器官芯片技术发展历程
器官芯片技术的发展历程充满创新与突破。2007年，哈佛大学Wyss研究所的Donald Ingber团队开发出第一种器官芯片——肺芯片。2010年，美国国防部高级研究计划局启动“器官芯片计划”，投入巨资推动器官芯片技术发展。2011年，Wyss研究所又开发出肠道芯片，进一步拓展了器官芯片的应用范围。2012年，荷兰Twente大学开发出可模拟人体免疫反应的芯片。2013年，器官芯片技术推向商业化。此后，器官芯片技术不断发展，从单一器官芯片向多器官芯片系统迈进，开发出包含心脏、肝脏、肾脏等6种器官的芯片系统，可模拟药物在人体内的代谢过程。我国在器官芯片领域也取得诸多成果，东南大学顾忠泽教授团队在器官芯片技术研发上不断突破，推动了我国器官芯片技术的发展。
常见器官芯片技术类型
1.肺芯片
肺芯片在模拟肺部生理过程与结构上独具特色。它通常由肺细胞、渗透膜以及毛细血管等核心要素构成，能精准再现肺泡的功能。在气体交换方面，肺细胞如同肺泡上皮细胞一般，在渗透膜两侧有序排列。当富含氧气的气体流经一侧时，肺细胞会模拟肺泡上皮细胞的气体交换功能，将氧气吸收并扩散至毛细血管中，供毛细血管内的血液携带。而血液中的二氧化碳则通过相反的路径，从毛细血管扩散至肺细胞侧，再随气体排出，以此高效模拟肺部气体交换过程。
在炎症反应模拟上，当外界刺激物如细菌、病毒等进入肺芯片模拟的肺部环境时，肺细胞会启动免疫反应，释放炎症因子等物质，模拟肺部在感染等情况下发生的炎症反应。肺芯片的渗透膜具有良好的通透性，可允许细胞与血液进行物质交换，其结构也类似肺泡-毛细血管界面的天然结构。这种结构特点加上微流控技术对流体环境的精准调控，使肺芯片能高度还原肺部生理特性，为研究肺部疾病、药物测试等提供了极具价值的平台。
2.心脏芯片
心脏芯片在模拟心脏跳动与电生理活动方面有着精妙的原理与应用。从结构上看，心脏芯片上会按照心脏实际组织结构，有序排列心肌细胞等不同类型的细胞。心肌细胞具有自动节律性收缩的特性，在心脏芯片上，这些细胞在适宜的培养环境下，能自发地产生电活动，并引发收缩，模拟心脏的跳动。
在电生理活动模拟上，心脏芯片利用微电极等技术来监测和记录心肌细胞的电活动。当心肌细胞受到电刺激时，会产生动作电位，这种电位变化可通过微电极传递到检测设备上，研究人员便能据此分析心脏的电生理特性，如心率、节律等。心脏芯片还能通过改变培养环境中的离子浓度、药物等因素，观察心肌细胞电生理活动的改变，评估药物对心脏电活动的影响。
心脏芯片的这一系列模拟功能，使其在药物筛选、心脏疾病研究等领域应用广泛。药物研发中，可利用心脏芯片快速筛选出对心脏电活动有潜在影响的药物，减少动物实验和临床试验的风险与成本。对于心脏疾病研究，如心律失常等，能通过构建疾病模型的心脏芯片，深入探究疾病发生机制，为开发新的治疗方法提供重要依据。
3.肝芯片
肝芯片在模拟肝脏代谢、解毒等功能上成果突出。肝脏是人体重要的代谢和解毒器官，肝芯片通过构建与肝脏类似的微环境，实现对这些关键功能的模拟。
在代谢功能模拟方面，肝芯片上的肝细胞能像体内肝细胞一样，对多种物质进行代谢转化。例如对于药物，肝细胞会通过细胞色素P450酶系统等，发挥药物代谢作用，将药物转化为活性成分或代谢产物。肝芯片可精准监测这一过程中药物的代谢速率、代谢产物种类等，为预测药物在人体内的代谢情况提供重要数据。
在解毒功能上，肝芯片的肝细胞同样能模拟体内肝脏的解毒机制。当有毒物质进入肝芯片时，肝细胞会启动解毒过程，通过结合、还原、水解等反应，将有毒物质转化为低毒或无毒的物质排出。这一过程不仅有助于研究肝脏的解毒机制，还能用于评估化学物质、药物等的毒性，为药物安全性评价和环境保护等提供支持。相关研究显示，肝芯片在预测药物肝毒性等方面，与动物实验和临床数据有较好的一致性，展现出其在肝脏功能模拟上的巨大优势。
4.肠芯片
肠芯片在模拟肠道蠕动、吸收等生理功能上特点鲜明、优势突出。在模拟肠道蠕动方面，肠芯片通过弹性膜层等技术实现。当气动层中的气体腔室受到气动控制管道传来的气压变化时，会驱使弹性膜产生形变和位移，这种形变会传递到培养腔室，使内壁产生波动，模拟肠道的蠕动运动。蠕动过程中，肠道内的物质得以有序移动，为营养物质的吸收和废物的排出创造条件。
在吸收功能模拟上，肠芯片的培养腔室内壁上设置有绒毛结构，这些绒毛结构增加了肠道的表面积，模拟肠道内壁的微绒毛，提高了营养物质的吸收效率。营养物质在流体环境中，随着肠道的蠕动与绒毛结构充分接触，被肠细胞吸收进入体内。肠芯片还能通过调节流体的成分、流速等参数，研究不同营养物质在肠道内的吸收情况，以及药物等物质对肠道吸收功能的影响。
肠芯片的这一系列特点，使其在研究肠道疾病、营养吸收、药物作用机制等方面具有明显优势。它能为研究人员提供更真实、准确的肠道生理模型，帮助深入探究肠道相关科学问题，推动肠道健康相关领域的发展。
器官芯片技术实现方法
1.芯片设计与制备
器官芯片的设计以高度模拟人体器官生理结构和微环境为理念，力求在微小空间内还原器官功能。材料选择上，需具备良好的生物相容性、化学稳定性和透光性，常用材料有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、玻璃和聚合物等。PDMS因其柔软、易于加工和密封性好，在器官芯片制备中应用广泛。
制备工艺首先是通过光刻技术在硅片上制作出微流控通道的模具，然后利用软刻蚀技术将模具上的图案转移到PDMS上，得到具有微流控通道的PDMS层。接着根据不同器官芯片的需求，在PDMS层上加工出细胞培养腔室等结构。对于需要多层结构的器官芯片，如肺芯片中的肺泡-毛细血管界面结构，还需将不同功能的PDMS层进行精确对准和键合，形成完整的芯片结构。整个制备过程对工艺精度要求极高，任何微小的偏差都可能影响器官芯片的性能。
2.细胞培养与接种
不同器官芯片所需的细胞类型各异。肺芯片主要使用肺上皮细胞与血管内皮细胞，心脏芯片需心肌细胞与成纤维细胞，肝脏芯片则以肝细胞为主，肠芯片常用肠上皮细胞与免疫细胞等。
培养条件方面，温度多控制在37℃左右，以模拟人体温度；pH值需维持在7.2-7.4之间，为细胞提供适宜的酸碱环境；气体环境一般为95%空气和5%二氧化碳，以保证细胞正常的代谢活动。细胞培养基需根据细胞类型选择，如DMEM、RPMI 1640等，并添加血清、生长因子等成分以促进细胞生长。
接种方法上，通常先将细胞悬液制备好，然后利用微流控技术将细胞精准地接种到芯片的指定位置。接种密度需根据细胞类型和实验需求进行调整，以确保细胞能在芯片上良好生长与功能表达。接种后，还需对细胞进行适当的培养和诱导，使其形成与器官类似的组织结构，如在心脏芯片上诱导心肌细胞形成肌束结构，从而更好地模拟器官功能。
3.微流控系统设计
微流控系统在器官芯片中起着至关重要的作用，它能精准调控芯片内的流体环境，为细胞提供所需的营养物质、生长因子等，并模拟人体器官内的物质传输过程。
其设计原理是利用微尺度下流体的特殊性质，如高表面积/体积比、层流特性等，通过微通道、微泵、微阀等结构，实现对流体流速、流向、压力等参数的精确控制。实现方式上，可利用外部压力驱动、电渗流驱动等方式使流体在微通道中流动。通过设计复杂的微流控网络，能将不同种类的细胞按特定方式排列，并实现细胞间的物质交换与信息传递。例如在多器官芯片系统中，微流控系统可将肝脏芯片代谢产生的物质输送到肾脏芯片，模拟药物在人体内的代谢和排泄过程。
微流控系统还能通过实时监测和反馈，对流体环境进行动态调节，使器官芯片始终处于工作状态，为研究器官生理病理、药物作用机制等提供有力支持。
4.生理环境模拟
器官芯片通过多种技术手段模拟人体器官的温度、压力、力学等生理环境。在温度模拟方面，通常将器官芯片置于恒温培养箱或温控平台中，通过精确的温度控制系统，使芯片内部的温度保持在37℃左右，与人体温度一致，为细胞提供适宜的生长温度。
压力模拟上，如肺芯片模拟呼吸运动产生的压力变化，可通过在芯片的气体通道中施加周期性的气压变化，使肺泡-毛细血管界面受到相应的压力刺激，模拟肺部在呼吸过程中的压力变化。
力学环境模拟则更为复杂，对于心肌细胞的收缩刺激，可利用微机电系统（MEMS）技术，在芯片上制作出可产生机械振动的结构，对心肌细胞施加周期性的机械拉伸，刺激心肌细胞收缩。肠道芯片模拟肠道蠕动时，可通过气动控制使弹性膜产生形变，驱动培养腔室内的物质移动，模拟肠道的蠕动运动。器官芯片还可通过在微流控通道中调节流体的流速和流向，产生流体剪切应力，模拟血管内血液流动对血管内皮细胞的剪切力作用。通过这些方法，器官芯片能高度还原人体器官的生理环境，使细胞能在更接近体内的条件下生长和功能表达。
艾玮得在器官芯片技术领域的贡献
1.艾玮得器官芯片产品介绍
艾玮得生物推出的器官芯片产品线覆盖了从基础研究到应用开发的多元需求。核心产品包括单腔/双腔膜式芯片，这类芯片通过生物相容性多孔薄膜分隔上下独立流道，可稳定构建肝、肠、肺、皮肤、肾等经典屏障功能模型，支持气液、液液等多种连续灌注培养方式，尤其适合药物筛选、毒性评估以及化妆品安全性与功效检测。为满足高通量筛选需求，公司开发了高通量膜式屏障芯片与高通量无膜屏障芯片。前者采用重力驱动方式，能在无需复杂流体控制系统的情况下实现连续动态培养，大幅降低了实验复杂度与成本，适合大规模药物筛选；后者则通过三通道结构构建无膜屏障，特别适用于血管、肠道、肾小管等管状组织模型以及血管化、免疫化复杂模型的构建。此外，艾玮得还推出了高通量共培养芯片，每片芯片拥有128个实验单元，通过重力驱动实现高标准的动态流体培养，为肿瘤类器官血管化模型、免疫共培养模型等复杂微环境研究提供了可靠的工具。除了标准化产品，公司还提供全链条的器官芯片定制服务，从免费咨询、图纸设计、芯片测试到生产加工与售后技术支持，旨在满足不同科研机构与企业的个性化需求。值得关注的是，其开发的太空血管芯片，具有气泡去除单元和人工血管培养单元，能够提供单向流体剪切力，使内皮细胞产生类似人体的方向性排列，曾随中国空间站任务在轨完成了国际上首次的血管组织芯片长期微重力培养实验。
2.艾玮得技术研发创新
艾玮得生物的技术研发创新体现在构建了从底层芯片设计到上层AI数据分析的完整技术体系。在芯片设计层面，公司掌握了细胞外支架材料、微流控芯片设计加工等核心技术，能够实现从单一器官模型到多器官级联模型的构建。例如，其单腔/双腔膜式芯片可通过串联组合构建如肺泡-支气管、脑-肠轴等多器官级联互作模型，从而在体外更深入地研究组织间的相互作用。在技术应用层面，公司成功构建了心肌、肝脏、肺、肠、肾、皮肤和肿瘤等多种生理及病理器官芯片模型。其中，心脏器官芯片不仅能够模拟人体心脏的生理跳动，满足收缩、钙瞬变、电生理等测试需求，还成功构建了心衰、心律失常、心肌肥大等疾病模型。肝脏器官芯片则包含了多种肝细胞，具备重要的代谢酶和转运蛋白活性，能够用于药物代谢和肝毒性评价，并在非酒精性脂肪肝、肝损伤等疾病模型中取得应用。值得一提的是，艾玮得将人工智能技术与器官芯片数据深度融合，与华为云合作推出了中国首个人体器官芯片医药大模型。该模型利用器官芯片自动化、高通量的数据生产优势，结合盘古药物分子大模型的人工智能技术，旨在更准确地复刻人体生理病理系统，评估药物反应。在AI应用方面，公司还开发了如DILITracer这样的深度学习模型，能基于肝脏类器官的明场图像预测药物诱导肝损伤等级，准确率达到82.34%，这为药物的早期肝毒性筛选提供了高效的无创工具。这些技术成果共同构成了公司强大的研发创新壁垒。
器官芯片技术
