器官芯片（Organ-on-a-Chip）细胞培养设备是一种微流控仿生系统，通过在芯片上构建3D细胞培养微环境，模拟人体器官（如心脏、肝脏、肺）的生理/病理功能。该系统整合流体控制、机械刺激和实时监测，用于药物筛选、毒性测试和疾病建模，替代传统动物实验，提升研究精准度。
一、设备组成
1. 芯片核心单元：
- PDMS/玻璃微流控芯片：含微通道（宽100-500 μm）和多孔膜（模拟血管屏障）
- 3D细胞支架：胶原/Matrigel基质或可打印生物墨水（如GelMA）
2. 微流体控制系统：蠕动泵/气压泵（流速0.1-100 μL/min） 、循环灌注模块（模拟血液流动）
3. 机械刺激模块：拉伸装置（10%应变，1 Hz模拟呼吸）、剪切力发生器（1-20 dyn/cm²模拟血管剪切）
4. 实时监测系统：微型电极（TEER值测量屏障完整性）、光学传感器（pH/DO/葡萄糖检测）、高内涵成像接口
二、工作原理
1. 细胞加载：血管内皮细胞接种于通道一侧，器官细胞（如肝细胞）接种于另一侧，形成界面共培养
2. 动态培养：灌注培养基（流速5 μL/min）提供营养，机械拉伸模拟肺呼吸或肠蠕动
3. 功能模拟：药物经“血管侧”渗透至“器官侧”，检测代谢产物（如白蛋白分泌）或细胞毒性（LDH释放）
三、设计方法
1. 仿生结构设计：双通道芯片中间设多孔膜（孔径0.4-8 μm），厚度匹配天然基底膜（如肾小球膜~300 nm）
2. 流体动力学优化：CFD模拟确定剪切力分布，避免通道内死体积
3. 多器官耦合：通过微管路连接肝芯片-心脏芯片，研究全身药物代谢（ADME）
四、操作流程
1. 芯片预处理：UV灭菌，胶原包被（50 μg/mL，37℃ 1小时）
2. 细胞接种：分别注入血管细胞（2×10⁶ cells/mL）和器官细胞，静置贴附4小时
3. 动态培养：启动灌注（初期0.5 μL/min，24小时后升至5 μL/min）
4. 实验检测：荧光标记药物追踪渗透率，qPCR分析基因表达变化
五、维护保养
1. 芯片清洁：实验后立即用PBS冲洗，胰酶消化去除细胞残留
2. 泵管更换：硅胶管每使用50小时更换，防止弹性疲劳
3. 传感器校准：微型pH电极每月用标准液校准（pH 4/7/10）
