当前,肝芯片迅速发展,其已成为药物筛选、药物安全测试、肝脏疾病研究等的重要工具。目前的肝芯片主要包括索状肝芯片、血管网络状肝芯片、腺泡状肝芯片、六边形状肝芯片等,这些肝芯片仍存在诸多不足,比如没有构建门静脉-肝动脉-中央静脉系统(简称三脉管系统),没有实现肝动脉与门静脉血管之间在血液流动、营养物供给等方面的差异,从而无法模拟肝小叶区血液微循环。据此,本文基于肝小叶生理结构,设计了一款高度仿生的肝芯片,主要工作内容如下:首先,基于门静脉血和肝动脉血在肝窦汇流进入中央静脉这一特征,设计了三脉管肝芯片,其主要包括门静脉、肝动脉、中央静脉微通道和细胞培养区域。针对该芯片,本文基于亚硫酸钠与氧反应的原理,还设计了氧芯片,定量控制肝芯片肝动脉、门静脉进口的溶解氧浓度,从而模拟了生理水平的肝动脉、门静脉血液氧浓度的差异性。其次,实验确认了氧芯片和肝芯片的性能。根据氧芯片输出的氧浓度,验证了供氧的稳定性,并建立了亚硫酸钠浓度与培养基氧浓度的对应关系。肝细胞在芯片中培养五天后,通过荧光染色,确认了肝细胞的高存活率;通过测量培养基尿素和白蛋白浓度,确认了肝细胞的代谢和蛋白合成功能。然后,理论分析了肝芯片氧输运性能。通过氧输运理论建模,本文展现了肝芯片中的血流和氧分布。更进一步地,本文基于肝小叶的生理结构和参数,建立了组织与血管耦合的肝小叶模型,模拟了生理状态下血流和氧分布,分析了病理状态下(癌细胞堵塞时)血流和氧分布的变化以及缺氧导致的组织损伤程度。本文构建的高度仿生的三脉管肝芯片不但有助于精准的药物筛选和测试,也有利于建立精准的肝脏疾病模型,更为肝芯片的发展提供了重要的参考。