这是Microblox的第57篇微流控推文。

引言

本文简要介绍了基于 Be-Gradient 无物理隔栏芯片成功构建了一个血脑屏障（BBB）芯片模型，并验证了该模型的可靠性和应用前景。验证结果表明此芯片在器官芯片与屏障模型研究中的重要价值。

研究背景与技术挑战

在机体内，化学梯度在调节细胞行为和组织功能中扮演着至关重要的角色。器官芯片（Organ-on-a-Chip）技术通过精密的结构设计，能够构建高度可控的微环境和稳定的梯度，从而模拟体内复杂的组织微环境。这为研究细胞迁移、分化、信号传导等提供了强有力的工具。

但目前市面上大多数梯度芯片仍依赖于物理隔栏（如微柱）来固定水凝胶的位置，这不仅容易扰乱梯度稳定性，还可能阻碍细胞之间的直接接触，从而影响细胞间紧密连接的形成，降低屏障模型的生理相关性。

Be-Gradient 无物理隔栏芯片

本文介绍的Be-Gradient无物理隔栏芯片，取消了中央腔室与两侧通道之间的柱状结构，通过特殊表面处理实现对水凝胶的精准定位，从而实现了在中央腔室内稳定包埋水凝胶，同时在三部分空间中分别培养不同类型的细胞。

该设计显著提升了操作简便性和实验稳定性，使构建梯度和多细胞共培养成为可能，特别适用于构建血脑屏障等复杂屏障模型。

从结构优化到功能验证

在芯片基本思路确立之后，研究人员进一步从结构设计和功能验证两个方面开展了测试。研究人员设计并测试了多种中央腔室几何结构（如“吉他”、“波浪”、“钻石”、“锤子”形状），在静态和流动条件下均能有效保持水凝胶的稳定性，水凝胶与两侧通道之间的界面清晰可见，验证了芯片设计的可靠性。

图1：水凝胶在 Be-Gradient 无物理隔栏芯片中央腔室内的稳定性。

进一步的有限元仿真分析显示，相比原始含柱结构的版本，升级后的无物理隔栏芯片在腔室与通道接口处能够产生更高的剪切力，并改善氧浓度分布，更接近生理条件。

构建血脑屏障（BBB）模型

血脑屏障是目前最具挑战性的体外模拟屏障之一，它涉及多种类型细胞的紧密协作，包括内皮细胞、星形胶质细胞与周细胞。为了模拟这一高度复杂的结构，研究人员采用 Be-Gradient 无物理隔栏芯片，在中央腔室的纤维蛋白水凝胶中共培养人源星形胶质细胞与周细胞，同时在一侧通道中培养人脑微血管内皮细胞。

7天培养后，通过活细胞染色（Calcein AM）显示，三种细胞类型均表现出良好的存活率，表明该系统具备良好的生物相容性，适合长期共培养。

图2：使用 Be-Gradient 无物理隔栏芯片构建的BBB芯片模型

功能验证：紧密连接与通透性测试

紧密连接是血脑屏障完整性的重要标志。研究中对内皮细胞进行了 ZO-1 和 VE-Cadherin 的免疫荧光标记，观察到清晰的紧密连接信号，证明该模型成功模拟了真实的细胞连接状态。

随后，研究人员使用不同分子量的荧光示踪分子进行通透性实验。结果显示，小分子（NaFl, 376 Da）可以较快穿过模型，而大分子（Dextran 70 kDa）则明显受限。观察到的通透性值与已有三维血脑屏障模型文献数据高度一致，进一步验证了该模型的可靠性和应用前景，也为其在未来中枢神经系统疾病模型与新药筛选中展现潜在价值奠定了基础。

总结与展望

本研究验证了 Be-Gradient 无物理隔栏不仅能有效稳定地限制水凝胶位置，同时也能在不同几何结构下形成可控的剪切力与梯度环境，为构建高保真度的组织模型提供了技术基础。

在构建血脑屏障方面，该芯片不仅支持细胞共培养、促进紧密连接形成，还实现了生理相关的分子筛选特性，展现出极佳的模拟能力。该平台为中枢神经系统疾病模型建立、新药筛选、神经科学研究等应用提供了全新思路。

随着器官芯片技术的发展，Be-Gradient 无物理隔栏有望在更多复杂组织模型中发挥重要作用，成为推动精准医学与体外仿生研究的重要工具。

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