在當今前沿的生物醫學研究領域，類器官芯片正逐漸嶄露頭角，成為備受矚目的焦點技術。它融合了微流控芯片技術、組織工程學以及干細胞生物學等多學科知識，為人類健康研究與疾病攻克開辟了全新的道路。
類器官芯片，是一種構建于微小芯片之上的人體器官模型。它和傳統模型相比有了質的飛躍，能夠高度仿真地模擬人體器官的生理結構與功能。此類芯片通常采用透明、可塑的聚合物材料制成，這種材料既便于研究人員從外部直接觀察芯片內部細胞的生長狀態，又能滿足制作復雜內部結構的需求。芯片內部有著精細設計的微小通道和腔室系統，這些結構有著明確的功能分工。微小通道負責運輸細胞生長必需的營養物質，它們依據細胞的分布與代謝需求，將各類養分精準送達，確保細胞能夠持續正常生長；同時也能精準調控氧氣的傳輸，使細胞所處環境的氧含量與人體內實際情況相符。腔室則為細胞提供了穩定的生長空間，并且整個芯片系統能模擬體內的流體力學環境，讓細胞所處的微環境時刻處于動態變化中，就如同細胞在人體自然狀態下一樣，不斷適應流體的流動、壓力的變化等，使得細胞行為和反應更接近真實的人體生理狀態。類器官芯片的構建依賴于細胞培養技術。研究人員首先采集人體干細胞或原代細胞，將其接種至芯片上。（傳統的膠滴法進行類器官培養需要培養3-5天才能形成類器官球，利用BP4000高精度3D細胞打印機進行原代、傳代類器官的打印接種可以有效縮短這一過程，只需要1-3天即可長成類器官球。）通過嚴謹地調控環境溫度、濕度，以及向芯片內添加適宜的生長因子等操作，促使細胞開啟分化進程。隨著時間推移，細胞依據自身的生物學特性以及所處的微環境條件，逐漸發育形成具備特定器官形態與功能特征的類器官。以肝臟類器官為例，其內部細胞會依照肝臟組織的天然架構模式進行排列組合，進而形成類似肝臟小葉的結構，展現出如解毒、蛋白質合成等肝臟所特有的代謝功能；心臟類器官則能夠自主、有規律地收縮舒張，重現心臟的基本生理功能。這些類器官以微觀的形式呈現出人體器官的關鍵特性，為科學家深入探究人體生理機制提供了可靠的模型支撐。類器官芯片的起源可以追溯到 20 世紀 70 年代，當時科學家們開始探索微流體學。1990 年，微流體學嘗試應用于細胞培養系統以提升實驗精度。2000 年代初，康奈爾大學的 Michael L. Shuler 博士等人成功研制出首個微流控器官芯片，為器官芯片技術的發展奠定了基礎。2009 年，Hans Clevers 團隊使用單個 Lgr5 + 腸干細胞在體外成功構建了第一個具有腸隱窩－絨毛結構的腸類器官，開啟了類器官技術發展的新紀元。此后，隨著類器官技術的不斷發展，胃、視網膜、腦、肝、腎、皮膚、胰腺、肺、生殖器官及相應的腫瘤類器官被相繼成功構建。但類器官培養技術存在缺乏生理相關性、成熟度和功能不完善、可重復性和穩定性差、缺乏動態性和適應性以及高通量和規模化受限等局限性。為了解決這些局限性，從事干細胞的研究人員與醫學工程技術專家等科學家聯合構建有效的類器官體外模型，類器官芯片技術應運而生。首先是構建類器官芯片，一般選用透明且可塑的聚合物材料，像聚二甲基硅氧烷（PDMS）、玻璃、硅、有機玻璃等來制作。在芯片上精心構造微小通道和腔室，這些結構各司其職，能精準把控細胞生長必需的營養物質配送，確保氧氣的穩定輸送，還能模擬體內復雜多變的流體力學環境。接著就是細胞培養環節，科研人員采集人體干細胞或原代細胞接種到芯片上，隨后通過嚴謹調控溫度、濕度，添加特定生長因子等精細操作，引導細胞開啟分化進程，逐漸形成具有特定器官形態與功能特征的類器官。比如肝臟類器官內部細胞會有序排列成類似肝臟小葉結構，展現解毒、合成蛋白等代謝能力，心臟類器官能自主規律地收縮舒張。類器官芯片的另一關鍵在于模擬人體生理環境，一方面它能模擬微環境里免疫細胞的活動、搭建血管模擬營養供給、復現生物機械力以及化學信號等，甚至可以讓多個器官系統在芯片上共培養，高度還原人體內組織細胞所處微環境。另一方面，以肺芯片為例，芯片槽道設有三個并列流體通道，兩邊通真空，中間植入細胞。正中間加一層帶小孔的通透性生物膜，膜兩面分別鋪滿肺細胞與人肺毛細血管細胞，空氣在膜上流通，培養基在膜下流動，如此便能模擬人體肺泡呼吸收縮過程，還能進一步模擬肺部感染時白細胞抗擊細菌入侵的場景，實現對特定功能的深入研究。傳統二維細胞培養將細胞鋪在平面培養皿上，細胞只能形成單層，缺乏體內器官的三維立體結構，細胞間相互作用簡單且與真實生理狀態相差甚遠。而類器官芯片能重現人體器官復雜的三維結構，細胞在芯片中所處的微環境與體內相似，彼此間的相互作用、信號傳導更接近真實生理狀態，這使得研究結果的可信度大幅提升。長期以來，動物實驗是藥物研發、疾病機制探究的重要手段，但動物模型與人類存在物種差異，導致部分實驗結果轉化困難。例如抗心律失常藥物妥卡尼，在小鼠實驗中，妥卡尼能有效抑制心肌細胞的異常電活動，減少心律失常的發生，對小鼠的心臟功能影響較小。但在人體臨床試驗中，部分患者出現了嚴重的不良反應，如肺纖維化、粒細胞缺乏癥等，還存在療效不佳的情況，對一些復雜心律失常的治療效果遠不如在小鼠模型中顯著。類器官芯片提供了人體組織的直接模型，在早期篩選階段部分替代動物實驗，既符合倫理要求，又降低成本、縮短研發周期，為解決傳統動物模型的轉化難題提供了新思路。傳統的藥物研發、疾病篩查等工作，無論是基于細胞培養還是動物實驗，都難以實現大規模、高通量的樣本處理。細胞培養需要大量人工操作，動物實驗更是受限于動物數量、飼養空間等因素。而隨著技術的發展，類器官芯片有望實現大規模、高通量的樣本處理。通過自動化設備與芯片陣列的結合，可以同時對多個類器官樣本進行不同條件的測試，大大提高了工作效率，為快速推進科研項目提供了可能，打破了傳統技術在這方面的束縛。
依托多個國家級重大專項、重點研發的支持，傲睿科技推出類器官解決方案，其核心技術包括微流體模擬仿真、pL級別液滴控制、3D細胞球（類器官）模型自動化制備及培養等。細胞球構建平臺 BP4000利用先進的液滴控制技術進行精細的細胞打印，可實現液滴里的單細胞打印控制。藉由在合適的ECM表面(如基質Matrigel)接種定量的細胞群落陣列，經過一定周期細胞三維培養后這些細胞群落能在ECM表面生長成粒徑均一的標準化細胞陣列。根據用戶的構建需求細胞球構建平臺 BP4000能夠調整細胞群落的大小與陣列個數，進而控制長成的三維細胞球粒徑尺寸與微球個數。案例參考：利用工程學手段體外重建高通量標準化3D體外建模http://www.fmlhn.cn/index/cases/detail.html?id=2lMIMICup 微流控細胞培養板，是一種帶有可插拔細胞培養小室的多細胞三維共培養支架，具有物理力微環境構建的能力，可支持兩種或多種細胞垂直方向的分層三維共培養，具有向上開口設計用以支持氣液交界面(ALI)培養條件，便于與3D生物打印技術結合使用，培養小室底部配有支持培養基藥液連續灌流培養的流道凹槽，在小室安裝后可形成密封流道，為特定細胞如內皮細胞等提供剪切力微環境培養條件，構建更符合體內(invivo)模型表征的類/器官芯片體外(invitro)組織模型與屏障模型，該產品可用于化療藥的藥敏/藥效測試和新藥研發前期篩選以及科研應用等方向。MIMICup微流控細胞培養板的特殊插拔式細胞培養小杯設計利于使用者操作與高通量設計，右側為其側視結構圖。培養小室底部帶有高分子多孔膜(0.45um孔徑)與特殊密封層設計，前者提供多細胞三維立體共培養支架，后者在細胞培養版安裝完成后可形成用于動態灌流培養的密封流道，本產品帶有4個獨立通道,每個獨立通道上有6個培養小室，可做為復孔或是多器官連通模型使用，右圖展示的結構為肝細胞(Hepatocyte)三維培養細胞球與內皮細胞(Endotheliacells)在細胞培養小室底部的高分子多孔膜正反表面進行共培養，底部的內皮細胞暴露在剪切力微環境的密封流道中與上層靜態培養肝細胞維球構成簡單的肝竇模型。
