屏障芯片如何构建?一文讲透屏障芯片组成
发布时间：
2026-08-11 11:50
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屏障芯片概述
1.屏障芯片的定义与概念
屏障芯片，这一融合了多学科智慧的创新产物，是微流控芯片领域的重要分支。它借助微流控技术，在微小芯片上精准模拟人体生理屏障的复杂结构与功能。从肠道那层层守护机体、阻止有害物质入侵的坚固防线，到皮肤对外界刺激的第一道防御，人体生理屏障无处不在，而屏障芯片便是以这些天然屏障为蓝本。
在微观的芯片世界里，通过精心设计的微通道和微结构，屏障芯片能够营造出与体内生理屏障极为相似的微环境。它不仅可构建出如肠道上皮细胞层、血管内皮细胞层等复杂结构，还能模拟屏障的物质交换、信号传导等关键功能。无论是细胞间的紧密连接，还是屏障对物质的筛选与通透性，屏障芯片都能以高度仿真的方式呈现，为科研人员提供了一个前所未有的体外研究平台，让他们能在更接近真实人体环境的条件下，开展各种深入的生物学与医学研究。
2.屏障芯片的重要性与应用领域
在药物研发领域，屏障芯片的重要性不言而喻。传统的药物研发模式，往往需借助动物实验进行初步筛选与评估，但这不仅耗时耗力，成本高昂，且动物与人体在生理结构和代谢等方面存在差异，导致实验结果的外推性受限。而屏障芯片的出现，宛如一道曙光。它能够在体外模拟人体器官的屏障功能，让药物测试更精准、高效。科研人员可直接观察药物对特定屏障的影响，评估其药效和毒性，提高了药物研发的成功率，缩短了研发周期，降低了研发成本。
在生物医学研究中，屏障芯片同样优势明显。它为疾病机制研究提供了新的手段，能帮助研究人员更清晰地揭示疾病发生时，生理屏障的变化与疾病进展之间的关联。以新冠病毒研究为例，通过构建呼吸道屏障芯片，可模拟病毒入侵呼吸系统的过程，研究病毒如何突破屏障、感染细胞，以及细胞如何响应，这为开发抗病毒药物和疫苗提供了关键依据。在个性化医疗领域，屏障芯片可根据患者的个体差异，定制化地研究药物对患者特定生理屏障的作用，为精准医疗的实现奠定基础，推动生物医学研究向更深入、更精准的方向发展。
屏障芯片的基本组成
1.微流控通道
微流控通道在屏障芯片中起着至关重要的作用，它是整个芯片的“血液循环系统”。通过这些微小通道，可以精确控制细胞培养液、药物、刺激物等的流动，实现对细胞微环境的精准调控，从而模拟体内复杂的生理过程。
从设计原理上看，微流控通道需依据所要模拟的生理屏障特性进行精心规划。其尺寸、形状、表面性质等都会对流体流动和细胞行为产生重要影响。
2.芯片材料
屏障芯片的材料选择对其性能有着决定性的影响。具备生物相容性的材料便于观察细胞生长状态，且表面易于进行化学改性以促进细胞贴附。
3.生物屏障构建
构建特定生物屏障，细胞类型的选择至关重要。以构建血脑屏障芯片为例，需选择脑微血管内皮细胞等。这些细胞在血脑屏障中扮演着不同角色，共同维持血脑屏障的结构与功能。
维持生物屏障的稳定需注意多方面因素。要提供适宜的细胞培养环境，包括合适的温度、湿度、pH值以及充足的营养物质。定期更换培养液，防止代谢废物积累对细胞造成损害。还要避免机械刺激和化学污染，确保屏障芯片能在稳定的条件下长期运行，以便进行更深入的研究。
影响屏障芯片性能的关键因素
1.细胞类型的选择
在屏障芯片的构建中，不同细胞类型对芯片功能的影响极为关键。以构建肠道屏障芯片为例，选择小肠上皮细胞可模拟肠道吸收功能，而加入免疫细胞则能更真实地反映肠道的免疫屏障作用。
选择细胞类型的依据主要有两方面。一方面是基于目标生理屏障的构成，研究需明确生理屏障中包含哪些细胞类型及其功能，如构建皮肤屏障芯片，就要选择角质形成细胞等。另一方面是要考虑实验目的，若是为了研究药物对屏障通透性的影响，就需选择对药物敏感的特定细胞类型；若是为了模拟疾病状态下的屏障变化，则要选择与疾病相关的特定细胞亚型。只有精准选择细胞类型，才能构建出功能完善、符合研究需求的屏障芯片，为后续的生物学与医学研究提供可靠基础。
2.芯片材料的生物相容性
芯片材料的生物相容性对屏障芯片的性能至关重要。生物相容性好的材料，能让细胞更好地贴附、生长和发挥功能，提高屏障芯片的稳定性和可靠性。反之，若材料生物相容性差，会导致细胞生长不良、功能异常，甚至出现细胞死亡，严重影响实验结果的准确性。
3.微流控系统的稳定性
微流控系统的稳定性是保障屏障芯片正常运行的关键因素。影响其稳定性的因素有很多，流体控制精度便是其中之一。若流体控制不准确，会导致细胞培养环境不稳定，影响细胞生长和屏障功能。材料的老化与降解也会影响稳定性，使微流控系统性能下降。
艾玮得在屏障芯片领域的研究成果与应用案例
1.艾玮得屏障芯片平台的独特之处
艾玮得生物在屏障芯片领域构建的平台，其独特之处在于能够通过多种芯片设计，高度仿真地再现人体内的各类组织屏障结构与动态微环境。平台的核心在于其系列化的器官芯片产品，尤其是针对屏障功能设计的膜式芯片和无膜屏障芯片。其中，高通量膜式屏障芯片与单腔/双腔膜式芯片，通过具有生物相容性的多孔薄膜将上下独立流道分隔开。这种设计使得在膜的两侧可以分别培养不同类型的细胞，例如上皮细胞与内皮细胞，从而构建出类似人体中肺泡-血管、肠道-血管、皮肤表皮-真皮等组织-组织屏障界面结构。这种结构能够实现细胞间的物质和信号交互，模拟真实的生理或病理环境。
更为突出的是，平台还包含了高通量无膜屏障芯片，它采用三通道设计，通过固体边缘效应构建无膜式屏障。这种技术路径使得三通道中的细胞能够进行更灵活的空间分布和共培养，尤其适用于构建血管、肠道、肾小管等管状组织模型，以及更为复杂的血管化和免疫化模型。这种设计弥补了传统膜式芯片在模拟三维管腔结构上的不足。此外，所有芯片均可配合摇摆灌注仪实现重力驱动的连续动态培养，摒弃了传统静态培养的局限，为细胞提供持续的流体剪切力和养分交换，这对于维持屏障功能的完整性和模拟体内生理状态至关重要。平台还配套了自主知识产权的VGA接口、气泡收集单元等细节设计，提升了实验操作的便捷性和稳定性。这些硬件创新与自动化、智能化的分析系统（如器官芯片智能成像分析系统）相结合，构成了一个从模型构建到数据采集分析的全链条技术平台，从而实现了对复杂人体屏障功能的高通量、可重复、标准化模拟。
2.艾玮得利用屏障芯片进行药物筛选和疾病研究
艾玮得生物充分利用其屏障芯片平台，构建了多种用于药物筛选和疾病研究的生理与病理模型。在药物研发领域，这些模型被广泛应用于评估候选化合物的吸收、分布、代谢、排泄（ADME）特性以及毒性。例如，利用肠道屏障芯片，可模拟口服药物的跨肠上皮运输过程。通过在芯片上通道（模拟肠道侧）加入药物，并收集下通道（模拟血管侧）的培养基，结合超高效液相色谱等技术，可以精确测定药物的渗透率和吸收速率。同时，通过检测跨膜电阻值和细胞活力，能够同步评估药物对肠屏障完整性的潜在毒性影响。同样，利用皮肤芯片模型，可以评估化妆品成分或外用药物经皮吸收的能力及其对皮肤屏障的刺激性。这类应用已在发表的案例中得到验证，例如利用高通量膜式屏障芯片构建肠道上皮模型，成功完成了一种多肽的渗透性检测，验证了其穿过肠上皮单层细胞的能力，且未对细胞活力和紧密连接造成损害。
在疾病研究方面，屏障芯片平台被应用于构建多种与屏障功能障碍相关的疾病模型。例如，通过构建肺器官芯片模型，可以在气液界面培养肺上皮细胞与内皮细胞，再现肺泡-毛细血管屏障。该模型可用于研究肺炎、肺纤维化（如特发性肺纤维化IPF）等疾病的发病机制，并评估潜在治疗药物对修复屏障功能、抑制纤维化的效果。此外，利用肿瘤器官芯片模型，可以构建出包含血管屏障和免疫微环境的复杂体系，用于研究肿瘤细胞的跨内皮迁移、免疫细胞的招募与浸润，以及评估新型免疫疗法（如CAR-T细胞）对实体瘤的杀伤效果。一个具体的应用案例显示，通过将卵巢癌类器官与癌相关成纤维细胞、血管内皮细胞在芯片上共培养，成功构建了卵巢癌血管化微环境模型，并用于评估小分子化疗药物和CAR-MSLN-T细胞疗法的药效。该研究证实，在动态培养的血管化微环境中，药物反应与静态条件存在差异，且CAR-T细胞能够成功穿过内皮屏障对肿瘤细胞进行特异性杀伤。这些研究展示了屏障芯片在模拟真实、动态的疾病微环境方面所具有的独特价值。
3.艾玮得屏障芯片技术的行业进展
艾玮得生物在屏障芯片及相关器官芯片技术领域的进展，体现为多项在行业内具有创新性的成果落地。其技术成果已在高标准的验证环境中得到确认，例如参与国家药品监督管理局药品审评中心组织的盲样药物测试，其构建的肝、肠、肾、心脏等器官芯片模型在毒性预测方面展现出了较高的准确率，其中肝器官芯片的准确率达到90%，肠器官芯片达到100%。这证明了其屏障芯片模型在药物毒性预测方面的可靠性，能够为药物研发提供有力的体外实验证据。
在商业化应用与行业标准方面，艾玮得生物也扮演了重要角色。由其参与起草的我国首个器官芯片领域的国家标准《皮肤芯片通用技术要求》已于2024年正式发布，该标准规定了以微流控芯片为载体的皮肤芯片产品的技术要求，为行业提供了统一的规范和准绳。此外，艾玮得生物利用其心脏器官芯片模型产出的数据，成功支持了恒瑞医药的创新药HRS-1893片获批进入临床试验（国内首例），并助力该药物完成了价值近80亿元的海外授权。这一案例不仅打通了从器官芯片技术到新药研发价值转化的完整闭环，也向行业展示了器官芯片数据在支持新药IND申请方面的实际价值和可行性。不仅如此，该企业还建设了中国第一个器官芯片公共服务平台，并与中国医学科学院整形外科医院、以岭药业等多家机构建立了深入合作，推动器官芯片技术（包括屏障芯片）在皮肤模型构建、中药评价、精准医疗等多个场景的产业化应用。这些成果共同表明，艾玮得生物的屏障芯片技术不止停留在实验室研究层面，更已深度嵌入到行业标准制定、新药研发流程和国家重大科技项目中，正在推动整个器官芯片产业的技术验证与生态建设。
屏障芯片
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