微流控软骨芯片

由于人口老龄化，骨关节炎（osteoarthritis，OA）这一常见疾病所造成的社会影响预计将急剧增加，其常见的ZL方式为缓解疼痛或手术ZL。OAZL药物匮乏，主要源于缺乏准确的临床前OA模型，在传统2D培养和3D培养中，二者均不能准确的模拟软骨细胞的动态培养微环境，以及在关节活动时，软骨细胞所受到的特异性刺激，如持续的营养供给和特定的机械刺激。而微流控技术的引入，通过微流体控制和带有“分层”结构的软骨微流控芯片，为这一系列难题带来了新的创新型解决方案。

本文介绍了一种微流控软骨芯片及其细胞培养微流控系统，简述使用微流控手段进行软骨细胞培养的实验机理。

微流控软骨芯片

关节软骨（Articular cartilage）覆盖了关节的骨摩擦面，光滑且富有弹性，其主要功能是促进骨骼间的负荷传递，为关节活动提供缓冲与保护。关节软骨由细胞间质和软骨细胞组成，无血管和神经结构，营养物质由细胞间质输送至软骨细胞，关节活动时，外界机械刺激会促进营养物质的输送。

一种能在一定程度上模拟以上条件的微流控软骨芯片，其结构见下图。

上图中，a图为芯片俯视图，顶部为3个驱动腔，与正压FlowEZ压力泵或负压Flow EZ压力泵相连；中间黄色部分为细胞培养腔，为软骨细胞培养场所，培养基质为水凝胶；下方红色部分为灌流通道，模拟血管，为软骨细胞输送营养物质。结合芯片的横截面图b，可以发现，细胞培养腔一侧是带有弹性的PDMS膜，PDMS弹性膜与3个驱动相连，另一侧为很多的微柱阵列，与灌流通道相连。

芯片工作时，通过对3个驱动腔施加正压或负压，从而对PDMS弹性膜进行不同的机械刺激，促使PDMS弹性膜发生不同程度的形变，从而模拟软骨细胞在关节活动时候的挤压以及“反弹”。

软骨模拟微流控系统

此系统示意图见下图。

系统采用正压FlowEZ压力泵或负压Flow EZ压力泵作为驱动源，以对芯片上的3个驱动腔施加正压和负压，并采用3个2向开关阀来实现正负压的切换，其操作流程由PC端软件进行自动化编程控制。在芯片端，采用显微镜观察并分析芯片上PDMS弹性膜的形变，以及软骨细胞培养形态。

部分实验结果

下图为所拍摄的部分PDMS弹性膜显微镜图像，分别展示了PDMS弹性膜在4种不同压力情形下所发生的形变。

上图中，施加正压时，压力为800mbar，施加负压时，压力为-350mbar。

在过去的几年里，传统2D培养向3D培养的转变，是体外培养体系的一大进步。3D培养可以诱导表型、基因表达以及分化增殖率，具有更高的生理学相关性，但与体内的活器官相比，大多数细胞不断受到化学与机械刺激，3D培养模型仍显得很简单。而微流控技术，是再现活器官复杂性的有力手段。本文中例子具有一定的通用性，可应用于肠道芯片、食道芯片等类似研究。