器官芯片(organ-on-a-chip)是近几年被提出的一种可用于药物评价和疾病模型等生物医学研究的新方法。它可以模拟人或动物器官的微结构、微环境、功能等特性,有望用于药物筛选和临床诊疗。载人航天任务中,为了保障航天员的健康并圆满完成航天飞行任务,及时开展在轨疾患治疗,亟需建立安全、有效的药物干预和评价措施。因此,使用器官芯片开展空间在轨的药物代谢研究也具有重要的科研价值。肝脏是人体最重要的解毒器官,也是药物代谢的主要器官,构建模拟肝脏器官结构和功能的生理和病理芯片将为生物医学研究提供良好的平台。本论文的研究内容即以构建肝脏芯片为目标,开展肝脏的生理和病理模型的研究。具体工作如下:(1)设计并构建了基于细胞聚集体的肝脏芯片,模拟了肝脏的功能单位肝小叶的复杂生理微结构和生理微环境。芯片中含有反蛋白石多孔膜可模拟类血管内皮层的屏障特性,并将芯片分隔为上层的仿生微脉管区和下层的原代肝脏细胞聚集体三维培养区和多细胞分区共培养区。此肝脏芯片内部的微结构设计可以实现原代肝脏细胞聚集体的捕获和定位培养,保持肝脏细胞特异性的白蛋白分泌和尿素合成等功能活性,并可以进行模式药物(对乙酰氨基酚)肝脏毒性的在线评估和应用。(2)设计并构建了面向空间应用的抽屉式三维血管化组织培养芯片,开展了三维类血管化肝脏组织的培养和在线药物评估。通过同轴针头制备了类血管中空纤维,在芯片的手臂式三维组织固定支架上进行三维有序排布,并形成三维类血管化组织,促进原代肝脏细胞的功能和活性维持。抽屉式设计可以实现三维类血管化肝脏组织与芯片系统的顺利组装和固定,用于药物肝脏毒性的在线评估,满足空间复杂环境中减少和避免手动操作等特殊需求。(3)设计并构建了三维血管功能化的肝脏肿瘤侵袭模型芯片,在芯片内的三维血管化功能组织中形成球形或椭球形聚集体,并逐渐形成侵袭位点,最终穿透凝胶基质的束缚,形成循环肝癌细胞。实验中,首先通过3D打印支架并排布玻璃管作为牺牲模板制备富含中空通道的三维组织;或者通过微流控技术制备负载细胞的中空纤维,进行手写式三维支架和组织的构建。在三维血管化组织中形成球形或椭球形细胞聚集体并形成侵袭位点,肝癌细胞冲破基质束缚并脱离松散肿瘤组织,进入血管通道内部,形成循环肿瘤细胞。该芯片可以模拟三维组织中的肿瘤侵袭和转移行为,开展盐酸阿霉素的抗癌活性评价。(4)利用光子晶体编码微球液相悬浮芯片进行了多种循环肿瘤细胞的捕获与分离,并可以集成到器官芯片上的微载体检测池,从而开展多元的生物分析与检测。通过乳液微流控技术制备光子晶体编码微球,轻微腐蚀微球形成图案化的“球-棒”桥联表面形貌,并在微球表面接枝树枝状大分子级联放大密度的DNA适配体探针。在不同结构色的光子晶体编码微球表面修饰不同的DNA适配体探针,与不同的循环肿瘤细胞表面的特异性受体进行靶向性结合,从而实现了对循环肿瘤细胞的主动靶向性捕获、释放和分离。