摘要：器官芯片（Organ-on-a-chip，OoC）是生物医学领域的一项突破性技术，作为体外构建的微生理系统，OoC可以模拟人体器官的主要结构和功能，为药物筛选和疾病模型构建提供了有力的工具。

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器官芯片（Organ-on-a-chip，OoC）是生物医学领域的一项突破性技术，作为体外构建的微生理系统，OoC可以模拟人体器官的主要结构和功能，为药物筛选和疾病模型构建提供了有力的工具。

在本篇综述中，来自天津中医药大学李正/刘睿/Boshi Liu等人全面地概述了OoC的设计思路，总结了OoC的常用材料及其优缺点，提供了制药和医疗领域中OoC与传感器结合的最新实际案例（图1），并提出了该技术未来发展的观点、挑战和解决方案。本文旨在启发从业者从设计类器官和适当设置传感器的各个过程入手，随后开发出更可靠、更实用的OoC。

相关研究成果以“Sensors-combined organ-on-a-chip for pharmaceutical and medical sciences: from design, material to typical biomedical application”为题于2024年12月24日发表在《Materials Horizons》上。

图1 与传感器结合的OoC的设计思路

1.设计、材料和传感器集成

集成传感的器官芯片设计需要综合考虑多个因素和方面，包括生物、医学、工程等多个领域的知识和技术。在设计过程中，需要明确设计目标、研究生物结构与功能、选择合适的材料和制备工艺、设计微流控通道和细胞培养区域、优化传感器、电极等部件、进行模型验证与优化。选择单器官还是多器官系统取决于系统成为生理模型后能否实现研究中所需的功能。同时，器官芯片的设计还需要考虑技术可行性、可控成本、相关设备的适配性等因素。只有通过精心的设计和严格的质量控制流程，才能制造出高质量、高性能的器官芯片（图1）。

接着，作者从面向OoC的设计出发，详细的从以下几点进行了叙述：明确设计目标-图2、有机生物结构与功能的模拟-图3、材料选择和制造工艺-图4、微流体通道和细胞培养区域的设计-图5、传感器和其他组件的优化-图6、模型验证与优化-图6。

图2 为特定目的而专门设计的芯片设备

图3 模拟生物特殊器官的结构和功能

图4 为不同的OoC选择材料和制造工艺

图5 使用器官芯片微流体装置模拟人类肾小球毛细血管壁

图6 与传感器耦合的OoC的设计和优化

细胞外结构是模拟人体器官结构和功能的微型装置，材料对其制造和功能至关重要。选择合适的细胞外结构制备材料需要考虑几个因素，包括但不限于材料的物理化学性质、生物相容性、制造工艺和成本。作者简要介绍并比较了几种制备细胞外结构的材料及其特性（表1）。

表1 OoC的常用材料（部分）

在将传感器集成到OoC的过程中，应注意传感器的兼容性和准确性。需要确保传感器与OoC的微流体系统兼容，可以精确监测微环境内的参数变化，并且不会干扰OoC的功能（图7）。

图7 OoC设备的制造和封装

2.OoC传感器组合

细胞仿生系统与传感器的耦合旨在将仿生器官的模拟与生理参数的实时监测结合起来。传感器可以嵌入或连接到细胞仿生系统，实现对细胞仿生系统内部微环境的实时监测，从而提供更全面、更精确的数据，帮助科学家和医生更好地了解生理过程，以便进行药物筛选和疾病治疗。因此，细胞仿生系统与传感器的结合肯定可以使它们在各种应用场景中发挥更大的作用。

传感器可以测量各种生理和环境参数，如温度、压力、pH值等，并将这些数据传输到相关的OoC。OoC通过模拟人体器官的微环境生成仿生数据，包括细胞排列、血流模拟等。传感器收集的实时数据与OoC生成的仿生数据相结合，为科学家提供了更全面、更真实的生物信息，有助于更好地理解制药和医学科学（表2）。

表2 OoC与传感器结合在制药和医学科学中的应用

在此部分，作者以细胞活力测定（图8）、细胞收集（图9）、生物标志物检测（图10A）、程序性药物输送（图10B）、体外药物评价（图10C）为例说明了细胞仿生系统与传感器之间的应用场景。

图8 细胞外结构与传感器结合在细胞活力测定中的应用

图9 OoC与传感器结合在细胞收集中的应用

图10 传感器耦合OoC应用的场景

3.观点、技术挑战和解决方案

OoC作为仿生生物学与微加工技术的结合，利用微流控技术控制流体流动，结合细胞间相互作用、基质特性以及生化和生物力学特性，在芯片上构建人体器官的三维生理微系统。通过引入更先进的微纳加工技术和生物工程技术，设计人员将能够构建更精细、更接近真实人体器官的芯片模型。细胞外基质与传感器的结合在未来有着广阔的应用前景。随着技术的不断进步，细胞外基质与传感器的结合将能够实现更高程度的仿生和仿真功能，为药物筛选、疾病模拟、个性化医疗等领域提供更加准确可靠的实验平台。

但与此同时，器官芯片与传感器的结合也面临诸多挑战。器官芯片与传感器的制造需要高精度的微纳加工技术，两者之间的集成需要保证信号传输的稳定性和准确性。芯片上的细胞培养和环境模拟也需要高度的技术支持。传感器与生物组织的长期接触，可能产生生物排斥或细胞毒性，影响实验结果。此外，传感器与器官芯片在长期运行中的稳定性也是一大挑战；应加强生物、医学、物理学、化学和工程学之间的跨学科合作与交流，共同解决技术难题。

来源：EngineeringForLife