多器官芯片是什么?多器官芯片如何搭建?
发布时间：
2026-07-31 19:05
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多器官芯片的概念与背景
1.器官芯片的定义与研发目的
器官芯片，是一项极具前景的生物工程创新技术。它将人体器官的结构与功能进行微型化模拟，通过在芯片上构建微小的细胞培养环境，实现对特定器官生理和病理过程的重现。与芯片实验室将多种实验室操作集成于芯片不同，器官芯片更侧重于模拟器官本身的状态。
器官芯片的研发目的，旨在推动医学和生物技术的飞速发展。在医学领域，它能为疾病研究提供更精准的模型。传统的研究方式常受限于动物模型与人体差异较大，或是体外细胞培养无法全面反映器官复杂功能等问题。而器官芯片利用人体细胞构建，能更真实地模拟疾病发生、发展过程，帮助科学家深入探究疾病机理，为寻找新的治疗方法提供关键线索。
在生物技术领域，器官芯片的应用同样广泛。它可助力药物筛选，让新药的研发过程更高效、精准。通过在芯片上测试药物对器官模型的作用，能提前筛选出有潜力的药物，减少动物实验和人体临床试验的风险与成本。而且，器官芯片还能用于毒理学研究，快速评估化学物质或药物对器官的潜在毒性，保障人体健康和安全，为生物技术的发展提供坚实的技术支撑。
2.多器官芯片的原理与优势
多器官芯片是在一块或者多块微流控芯片上，同时集成多个"人体器官模型"（肝细胞、心肌细胞、肾细胞、肺细胞等），并用微通道把它们连成一个循环回路的装置。它通过集成多个器官芯片，模拟器官间的交互与协同作用，更全面地还原人体生理和病理状态。其原理在于，利用微流控技术，在芯片上构建复杂的微通道网络，将不同器官芯片连接起来，实现营养物质、代谢产物等物质在器官芯片间的传递与交换，模拟人体内的血液循环和物质运输过程。
人体是一个复杂的系统，器官之间存在着紧密的联系和影响。多器官芯片能够突破这一局限性，例如在模拟药物代谢过程中，肝脏芯片可处理药物，肾脏芯片负责排泄，通过连接两个器官芯片，可更真实地反映药物在人体内的代谢和排泄过程，提高药物研发的准确性和可靠性。
多器官芯片还能更真实地模拟人体疾病的发生和发展。在复杂疾病的研究中，往往涉及多个器官的相互作用，如糖尿病、心血管疾病等，多器官芯片能够同时模拟多个器官的病变情况，为研究疾病的发病机制和寻找新的治疗方法提供更强大的工具。而且，多器官芯片的应用还有助于减少对动物实验的依赖，符合伦理要求，具有巨大的应用潜力和市场前景。
多器官芯片的研发背景和意义
1.单一器官芯片的局限性
人体是一个由众多器官相互联系、相互作用的复杂系统，器官之间通过血液循环、神经系统等途径进行着物质交换、信号传递和功能协同。
例如，心脏芯片可以模拟心脏的收缩功能，肝脏芯片能模拟肝脏的代谢功能，但在单一器官芯片中，心脏和肝脏之间的物质交换、信息传递等相互作用无法得到真实反映。在实际人体中，心脏泵出的血液会将营养物质和氧气输送到肝脏，肝脏代谢产生的物质又会通过血液回到心脏，进而影响心脏的功能，这种复杂的交互在单一器官芯片中难以观察。这导致单一器官芯片在研究药物代谢、疾病发生发展等复杂生理病理过程时，存在较大的局限性，无法完全模拟人体真实的生理环境，使得研究结果的准确性和可靠性受到一定影响。
2.多器官芯片弥补局限性的方式
多器官芯片通过集成多个器官单元，以微流控技术为核心，搭建起复杂的微通道网络，实现了更全面的生理功能模拟。它将不同器官芯片通过微通道连接起来，模拟人体内的血液循环系统，使营养物质、代谢产物等物质在不同器官芯片间传递与交换，突破了单一器官芯片的局限。
以模拟药物代谢过程为例，多器官芯片可将肝脏芯片、肾脏芯片等连接在一起。肝脏芯片中的肝细胞可对药物进行代谢处理，生成的代谢产物通过微通道进入肾脏芯片，由肾脏芯片中的细胞模拟肾脏的排泄功能，将代谢产物排出。这种方式不仅模拟了单一器官的功能，更重要的是再现了药物在人体内的代谢和排泄途径，以及肝脏与肾脏在药物代谢过程中的相互作用。
多器官芯片还能模拟更复杂的生理过程，如在研究心血管疾病与代谢性疾病相互影响时，可同时集成心脏芯片、血管芯片、胰腺芯片等，构建起一个多器官相互作用的微环境，更真实地反映疾病的发生发展机制，为研究提供更全面、更准确的数据支持，使研究结果更接近人体真实情况。
3.对生物医学研究带来的新可能性
在药物研发方面，多器官芯片能为药物筛选和药效评估提供更高效、精准的平台。传统药物研发需经过大量动物实验和人体临床试验，周期长、成本高，且存在动物模型与人体差异大的问题。而多器官芯片利用人体细胞构建，能更真实地模拟人体对药物的反应。通过在多器官芯片上测试药物，可提前筛选出有潜力的药物，减少无效药物进入后续研发环节，提高研发效率，降低成本。
在疾病研究领域，多器官芯片可模拟复杂疾病的发病机制，为寻找新的治疗方法提供线索。许多疾病如糖尿病、心血管疾病等，涉及多个器官的相互作用，多器官芯片能够同时模拟多个器官的病变情况，帮助科学家深入研究疾病的发病机制，发现新的治疗靶点。例如，在研究糖尿病时，可利用多器官芯片模拟胰腺、肝脏、肾脏等器官在疾病状态下的相互作用，探讨疾病的发展过程和治疗策略，为疾病的预防、诊断和治疗提供新的思路和方法，推动生物医学研究向更深入、更精准的方向发展。
多器官芯片的搭建过程
1.关键技术一：微流控通道设计与制造
微流控通道是多器官芯片的核心组成部分，其设计与制造技术至关重要。在设计上，需综合考虑多个因素。要确保通道的尺寸和形状能满足不同器官细胞生长和功能模拟的需求，使细胞能在通道内形成与体内相似的组织结构。通道的布局要合理，以模拟人体内的血液循环路径，实现不同器官芯片间的物质交换与信息传递。例如，在模拟药物代谢的多器官芯片中，要设计出能让药物和营养物质从肝脏芯片顺利进入肾脏芯片的通道，且通道的宽度、深度要适宜，以保证物质传递的效率和细胞的正常功能。
制造技术方面，微加工技术是常用的方法之一。通过光刻、蚀刻等工艺，在基片上精确地加工出微米级别的通道结构。这种技术精度高，可实现复杂结构的制造，能满足多器官芯片对通道精细结构的要求。3D打印技术近年来也发展迅速，在多器官芯片制造中展现出巨大潜力。它能根据设计模型，快速、直接地制造出具有复杂三维结构的微流控通道，使得多器官芯片的结构设计更加灵活多样。例如，可利用3D打印技术一次性制造出包含多个器官芯片和复杂微通道网络的多器官芯片结构，简化了制造流程，提高了制造效率，为多器官芯片的研发和应用提供了有力的技术支持。
2.关键技术二：细胞培养与组织工程应用
细胞培养是多器官芯片搭建的基础环节。在多器官芯片中，细胞培养方法需特别注意。需选择与人体器官功能相近的细胞类型，如肝脏芯片选用肝细胞，心脏芯片选用心肌细胞等，以保证模拟的器官功能更接近真实情况。培养环境要严格模拟体内环境，包括温度、pH值、氧气浓度等条件的控制，以及提供合适的营养成分和生长因子，使细胞能在芯片上保持良好的生长状态和生理功能。
组织工程技术在构建多器官芯片器官单元中发挥着关键作用。通过组织工程技术，可将细胞与生物材料结合，构建出具有三维结构和特定功能的器官单元。生物材料的选择很关键，要具有良好的生物相容性、生物降解性和一定的机械强度。这些生物材料能为细胞提供支撑和生长环境，促进细胞间的相互作用和组织的形成。利用组织工程技术，可在多器官芯片上构建出类似人体器官结构的组织单元，如在心脏芯片中，通过将心肌细胞与生物材料复合，构建出具有收缩功能的心肌组织单元，提高多器官芯片模拟人体器官功能的真实性和准确性，为后续的生理病理研究和药物测试等提供更可靠的基础。
3.关键技术三：器官间连接与信号传递
多器官芯片中，器官间的连接方式多样。物理连接是常见方式，通过微流控通道将不同器官芯片直接连接起来，实现物质的直接传递。这种方式操作简单，能有效模拟人体内的血液循环路径，使营养物质、代谢产物等在器官间顺畅流通。间接连接则可通过培养液交换等方式实现，虽然不如物理连接直接，但也能在一定程度上模拟器官间的物质交换，适用于某些特定研究需求。
在信号传递机制方面，化学信号传递是重要途径之一。器官细胞会分泌各种细胞因子、激素等化学物质，这些物质通过微流控通道或培养液传递到其他器官细胞，对其功能产生影响。例如，肝脏细胞分泌的胰岛素样生长因子可通过通道传递到心肌细胞，调节心肌细胞的生长和代谢。物理信号传递也不容忽视，如心肌细胞的收缩产生的机械力可通过芯片结构传递到相邻器官细胞，影响其功能和状态。电信号传递在某些多器官芯片中也有应用，通过在芯片上集成电极，模拟神经系统信号传递，实现对器官功能的调控，保证器官间的交互和协同作用，更真实地模拟人体生理过程。
多器官芯片的实际应用案例
1.在药物研发中的应用
多器官芯片在药物研发领域的应用极具价值。在药物筛选环节，以艾玮得研发的多器官芯片为例，其能够同时模拟肝脏、心脏等多个器官的功能。当需要对一种具有潜在心脏和肝脏毒性风险的药物进行筛选时，可在多器官芯片上分别培养心肌细胞和肝细胞，并将药物加入芯片中。通过观察药物对心肌细胞收缩功能和肝细胞代谢功能的影响，快速判断药物是否会对心脏和肝脏造成不良影响，有效筛选出具有潜在风险的药物，减少后续无效药物研发的投入。
在药效评估方面，多器官芯片能更真实地反映药物在人体内的作用情况。比如在评估一种治疗糖尿病的药物时，利用包含胰腺、肝脏、肾脏等多器官的芯片，可全面观察药物对胰腺胰岛素分泌、肝脏糖代谢以及肾脏葡萄糖重吸收等功能的影响。通过检测不同器官在药物作用下的生理指标变化，如血糖浓度、胰岛素水平等，精准评估药物的疗效和可能产生的副作用，为药物的进一步研发和临床试验提供更可靠的依据。这种评估方式相比传统动物实验或体外细胞实验，更接近人体真实生理环境，能明显提高药物研发的成功率，降低研发成本，缩短研发周期。
2.在毒理学评估中的应用
在毒理学研究中，多器官芯片具有非常明显的优势。传统毒理学研究主要依赖动物实验和体外细胞实验，动物实验虽能模拟整体动物对毒物的反应，但存在动物与人体差异大、实验周期长、成本高等问题，且无法精确观察单一器官的毒性反应。体外细胞实验虽能观察细胞对毒物的反应，却无法反映器官间的相互作用和复杂生理过程。
多器官芯片则能很好地解决这些问题。它利用人体细胞构建的多器官模型，更接近人体真实情况。例如在评估某种化学物质的毒性时，可将肝脏、肾脏等器官芯片连接起来，观察化学物质在不同器官中的代谢、排泄过程以及对器官功能的影响。通过检测器官芯片中细胞的存活率、代谢功能变化等指标，准确判断化学物质的毒性大小和毒性作用机制。
艾玮得在多器官芯片领域的贡献
串联芯片应用案例
海南大学张家超教授团队在2型糖尿病临床用药与益生菌-药物协同研究中取得重要进展，相关成果正式发表于国际期刊《Science Bulletin》。在该项研究中，团队围绕临床常用降糖药物格列本脲的疗效提升与副作用改善展开系统探究，首次揭示动物双歧杆菌B960及其代谢产物金盏花苷E（Calenduloside E，CE）的协同降糖与器官保护机制，为2型糖尿病的精准营养干预与药物联合治疗提供了全新方向。其中，在机制验证的关键环节，研究团队采用艾玮得微流控器官芯片串联系统构建人源体外肠 肝轴模型，为阐明代谢产物调控糖代谢、改善炎症及减轻药物性肝损伤的作用通路提供了关键数据与技术支撑。
2.创新产品介绍
在器官芯片领域，构建了包含多种类型的芯片产品矩阵，以满足从基础科研到药物开发、精准医疗等不同应用场景的需求。其核心产品线包括单腔/双腔膜式芯片、高通量膜式屏障芯片、高通量无膜屏障芯片、高通量共培养芯片、高通量插件膜式屏障芯片等。其中，单腔/双腔膜式芯片通过多孔薄膜分隔上下独立流道，能够稳定构建经典的多层或屏障功能模型，例如用于模拟肺、肠、皮肤等组织-组织界面；而双腔版本更可在同一芯片上串联两个组织器官，为研究器官间相互作用（如肠-肝轴）提供了集成化工具。另一款创新的高通量无膜屏障芯片，凭借其独特的三通道结构和固体边缘效应技术，实现了无膜条件下的细胞共培养和物质交互，特别适用于构建血管、肾小管等管状组织模型，以及复杂的肿瘤微环境模型。此外，还推出了具备取放式插件的高通量插件膜式芯片，其构建的模型可随插件完整取出进行下游分析，兼顾了高通量操作与下游检测的便利性。这些产品设计均围绕如何更精准地在体外复现人体器官的特定功能与微环境，从单一屏障模型到多器官级联模型，再到血管化、免疫化的复杂模型构建，形成了系统化的创新解决方案。
3.技术精度与可靠性提升
在提升器官芯片技术的精度与可靠性方面取得了系统性成果。从产品设计层面看，芯片结构经过精密计算和工程优化，例如，膜式芯片通过精确控制上下腔室体积、流道尺寸和多孔膜孔径，实现了对流体剪切力、物质交换速率的精准调控，从而更真实地模拟体内器官的动态微环境。无膜屏障芯片则利用“固体边缘效应”实现了对细胞在三维空间中定位的精确控制，解决了常规共培养中细胞分布不均的难题。在配套装备方面，开发了器官芯片流控系统与摇摆灌注仪等设备。流控系统能以微升级别的精度控制培养基的灌注速度（0.25µl/min~180µl/min），模拟血液流动，提供稳定的物理刺激；而重力驱动的摇摆灌注仪则降低了实验操作的复杂性与设备成本，同时保证了高通量培养体系的均一性。此外，AI智能分析系统整合了高内涵成像与深度学习算法，能够实现对器官芯片模型生长状态、药物响应等指标的自动化、无创式监测与分析。例如，该系统可自动识别类器官形态、分析心肌球跳动频率与幅度，甚至通过明场图像直接预测药物性肝损伤风险，其模型准确率达到了82.34%。这些软硬件配合，明显降低了人为操作误差与批次间差异，使实验数据具有更高的可重复性和客观性。
4.产业化成功经验
在推动器官芯片产业化方面积累了大量成功经验，主要体现在技术验证、标准制定与产业合作三个维度。在技术验证上，心脏器官芯片模型的数据已成功支撑恒瑞医药的创新药HRS-1893片获批IND并完成近80亿元的海外授权，这是国内首个完全基于心脏器官芯片数据进入临床试验的案例，直接验证了该技术在药物研发链中的核心价值。另一个重要成果是，利用器官芯片技术在神舟十五号任务中完成了国际上首次血管组织芯片的长期在轨培养实验，证明该技术不仅能服务于地面产业，还能满足国家重大航天战略需求，其成果被评选为“太空人体研究七大进展”和“中国生命科学十大进展”。在标准制定上，作为主要起草单位之一，参与制定了中国首个器官芯片领域的国家标准《皮肤芯片通用技术要求》（GB/T 44831-2024），并正在参与《肝器官芯片通用技术要求》国家标准的制定工作。这些标准的确立为整个行业的规范化、规模化发展奠定了基石。在产业合作层面，已与以岭药业共建了基于类器官和器官芯片的中药临床前体外评价平台，解决了中药研发中“体内外相关性差”的痛点；同时，与中国医学科学院整形外科医院共建皮肤芯片模型自动构建及AI智能分析平台，推动医美与再生医学的技术创新。这些合作模式，从药企到临床机构，从新药研发到航天医学，构建了多元化的产业化落地路径，展现了从技术到产品、从产品到服务、从服务到标准的完整商业化转化能力。
多器官芯片产业化面临的挑战与解决方案
1.成本问题
多器官芯片的高成本对其产业化影响突出。从研发角度看，高精度的微流控通道设计与制造技术、复杂的细胞培养与组织工程技术等，都需要投入大量资金和人力进行技术研发与实验验证，这使得多器官芯片的研发成本居高不下。在生产环节，先进的制造设备、严格的质控流程以及高质量的生物材料等，都大幅增加了生产成本。高成本导致多器官芯片产品价格昂贵，限制了其在生物医学研究、药物研发等领域的应用范围，使得许多中小型科研机构和企业难以承受，进而影响了多器官芯片技术的推广和产业化进程。
为降低多器官芯片成本，一方面可从技术层面入手，改进制造工艺，如优化微加工技术，提高生产效率和良品率；探索新的低成本生物材料，替代现有的高成本材料。另一方面，加强产业链上下游合作，实现规模化生产，通过批量采购原材料、共享生产设备等方式，降低单位产品的成本。政府和相关机构也可出台政策，提供资金支持和税收优惠等，鼓励多器官芯片技术的研发和产业化，推动成本的进一步降低。
2.标准化和监管问题
标准化和监管问题是制约多器官芯片发展的重要因素。多器官芯片涉及微流控技术、细胞生物学、材料科学等多个学科领域，目前在芯片设计、制造工艺、细胞培养条件、检测结果评估等方面缺乏统一的标准。不同研发机构生产的多器官芯片在性能、可靠性等方面存在差异，导致实验数据难以进行比较和验证，影响了多器官芯片技术的可信度和应用效果。
在监管方面，多器官芯片作为一种新兴的生物技术产品，其安全性、有效性等方面的监管标准尚不完善。缺乏有效的监管机制，可能导致市场上出现质量参差不齐的产品，甚至存在安全隐患，对消费者和整个行业的发展造成不利影响。
为应对这些问题，行业内应加强合作，共同制定统一的技术标准和操作规范，包括芯片的尺寸、结构、材料选择，细胞培养的标准化流程等，确保不同机构生产的多器官芯片具有可比性和一致性。政府部门应加大对多器官芯片产业的监管力度，建立健全的监管体系，制定相关的法律法规和技术标准，对多器官芯片的研发、生产、销售等环节进行严格监管，保障产品质量和安全，推动多器官芯片产业的健康发展。
3.技术突破与产业合作
技术突破是多器官芯片产业化的关键驱动力。随着微流控技术、组织工程技术等不断进步，多器官芯片在模拟人体器官功能、器官间交互作用等方面更加精准可靠。例如，3D打印技术的应用使得多器官芯片能够构建出更复杂、更接近真实人体结构的器官单元，提高其模拟人体生理过程的真实性。新的生物材料发现和细胞培养技术的创新，为多器官芯片的性能提升提供了有力支持，使其在药物研发、毒理学评估等领域的应用效果更好。
产业合作在推动多器官芯片产业化方面也发挥着重要作用。生物医学研究机构、药物研发企业等多方合作，可以实现资源共享、优势互补。生物医学研究机构提供前沿的科研成果和技术支持，药物研发企业则具备丰富的市场经验和资金实力。艾玮得与多家研究机构和企业合作，共同开展多器官芯片技术的研发和应用，将最新的技术成果转化为实际产品推向市场，不仅加速了多器官芯片技术的产业化进程，也为各方带来了良好的经济效益和社会效益。
多器官芯片,器官芯片
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