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为解决传统单层微流控芯片局限，研究人员构建三层微流控芯片，成功培养微血管网络，意义重大。
一、研究背景
在人体中，微血管（Microvessels）就像一张密集的 “运输网”，连接着动脉和静脉，承担着为组织和器官输送氧气、营养物质以及代谢废物的重任，对维持生命活动的正常运转至关重要。大多数细胞都分布在距离微血管 200μm 的范围内，它们如同依赖 “运输线” 的小村落，从微血管获取生存和活动所需的一切。
然而，在体外研究中，模拟这样复杂的微血管环境困难重重。传统的二维培养方式就像把立体的世界 “压平”，无法真实呈现体内的复杂情况；动物模型虽然更接近真实生理环境，但面临着严峻的伦理问题，就像在科学探索的道路上设置了一道难以跨越的 “道德关卡”。
随着科技的发展，微流控技术（Microfluidics）逐渐崭露头角，它就像一个微观世界的 “魔法盒子”，能够高度模拟体内微环境，为体外构建微血管组织带来了新的希望。但传统的单层微流控芯片存在诸多局限，比如培养基通道和组织腔常常位于同一层，就像住在同一层的邻居，互相干扰，限制了对各种流体因素影响的研究；而且其空间布局有限，难以提供多样化的流体环境，就像一个功能单一的小房间，无法满足微血管生长的多种需求。为了突破这些困境，研究人员踏上了探索新型微流控芯片的征程。
二、研究概况
为了解决上述难题，研究人员开展了一项关于新型微流控芯片的研究。最终成功构建了一种新型三层微流控芯片，为微血管组织模型的体外构建和相关研究开辟了新的道路。该研究成果发表在《Cyborg and Bionic Systems》上。
研究人员在构建芯片的过程中，运用了多种关键技术方法。首先是芯片制作技术，通过常规软光刻和复制模塑法，精心打造出由培养基通道层、多孔膜层和组织腔层组成的三层结构。其次，利用有限元模拟技术，借助 COMSOL Multiphysics 软件，深入研究流体在芯片内的流动特性，包括压力分布、流速和剪切应力等情况。最后，采用 FITC - 葡聚糖（FITC-dextran）灌注实验，来验证微血管网络的灌注能力和屏障性能 。
三、研究结果
- 芯片设计原理：研究人员创新性地在上下两层聚二甲基硅氧烷（PDMS）之间引入聚碳酸酯（PC）多孔膜，形成 “培养基通道 - 多孔膜 - 组织腔” 的三明治结构。这种设计有效避免了注入含细胞水凝胶时堵塞培养基通道，同时确保培养基能通过多孔膜刺激内皮细胞。而且，通过设计三角形、矩形和倒三角形三种不同形状的组织腔，可以在同一芯片上产生多种流体特性，模拟人体从动脉到静脉的单向血液循环过程。
- 间质流的有限元模拟：通过模拟发现，不同形状组织腔内的间质流在压力分布、剪切应力和流速方面存在显著差异。例如，三角形组织腔中，间质流的剪切应力在左端达到最大值，中间区域降至最小值，右端又逐渐升高；矩形组织腔的剪切应力在两端较高，中间较低且分布最为均匀；倒三角形组织腔则与之相反。这些差异为后续解释不同组织腔中微血管网络的生长特性提供了理论依据。
- 多种形状微血管网络的生成：在芯片的三种组织腔中，微血管均呈现出从第 6 天到第 10 天逐渐生长的趋势，从最初的微血管片段逐渐连接成网络，血管腔也不断增厚。其中，矩形组织腔产生的微血管网络最为密集，这与该组织腔中较低且均匀的剪切应力密切相关，验证了低剪切应力促进微血管生成的理论。
- 间质流引导内皮细胞迁移和生长：在多层微流控芯片中，内皮细胞会在培养基的连续流动刺激下，垂直迁移穿过多孔膜向培养基通道方向生长。而且，在倒三角形组织腔中，微血管的生长方向与模拟的边界流线方向一致，这表明流体对微血管生长具有引导作用，推动微血管沿流体方向生长。
- 间质流方向和剪切应力对血管生成的影响：对不同形状组织腔左右半部分的微血管网络特征进行分析后发现，低剪切应力区域的微血管生长和分支情况更好，而高剪切应力区域的微血管网络可能会发生降解。例如，三角形组织腔中，低剪切应力的右侧区域微血管参数优于高剪切应力的左侧区域；倒三角形组织腔中，低剪切应力的左侧区域微血管网络更密集，而高剪切应力的右侧区域仅有血管片段。综合来看，矩形组织腔的微血管生成情况最佳，这与较低的平均剪切应力有关。
- 微血管网络的灌注能力：对培养 12 天的微血管网络进行 70kDa FITC - 葡聚糖灌注实验，结果显示葡聚糖溶液能在微血管中持续流动，表明生成的微血管网络具有良好的连通性和封闭的管腔结构。同时，对微血管内的流速和剪切应力进行模拟，得到的数值与人体某些毛细血管的生理特征相符，进一步证明了该芯片能够高度模拟人体器官的结构和功能。
四、研究结论与意义
这项研究成功构建的新型三层微流控芯片，利用 PC 多孔膜有效分离了培养基通道和组织腔，通过调节培养基的单向流动和组织腔的形状，在三种不同组织腔中成功构建了多种微血管网络模型，并初步验证了间质流方向和剪切应力对微血管生长的重要影响。培养 12 天的微血管网络能成功灌注 70kDa FITC - 葡聚糖，表明其具有良好的屏障性能。该芯片具有高通量和高度模拟人体模型的特点，有望成为研究流体因素对微血管生长影响的重要平台，为生物医学工程领域的进一步发展提供了有力的技术支持和理论依据。同时，研究人员也指出，目前的研究尚未确定最佳的几何和流体参数，未来将聚焦于提高微环境模拟的精度和流体控制的复杂性，探索合适的流体参数，以深入了解血管微环境对细胞活动的调节作用，推动微流控芯片技术在多器官系统研究中的应用。
