【改变未来的科技】器官芯片技术：医学应用的前沿与展望

by 齐云龙

芯片器官（OoC）设备

在微环境中模拟人体器官，有望超越传统的临床前方法，为创新治疗开辟新途径。全面了解当前芯片器官设计现状，能够开发出更精确、更相关的模型，这些模型不仅能复制器官的结构，还能模拟其复杂的细胞相互作用以及对外部刺激的反应。这些知识有助于优化仿生材料，并允许实时模拟生理微环境。通过关注新型微制造技术，我们可以探索创建定制化、高功能芯片器官的机遇。

研究概述

今天的笔记介绍的是一篇系统评价，标题为《State-of-the-Art Organ-on-Chip Models and Designs for Medical Applications: A Systematic Review》（最先进的器官芯片模型和设计在医疗应用中的系统评价），发表于《Biomimetics》（仿生学）期刊。文章探讨了器官芯片（OoC）技术在医疗领域的最新进展，旨在全面了解当前OoC设计的现状，并分析其在模拟人体器官结构和功能方面的潜力。

核心内容

器官芯片是一种微型化的生物医学设备，能够在微环境中模拟人体器官的生理和病理条件。这项技术通过精确模拟器官的细胞相互作用和对外部刺激的反应，有望超越传统的临床前研究方法，为药物发现和疾病研究提供更准确的模型。这篇论文通过系统评价的方式，分析了过去十年间OoC技术的发展，重点关注了其设计原理、制造技术、生物材料选择以及在医疗应用中的潜力。

研究团队从多个数据库中检索了大量文献，并通过严格的筛选流程，最终纳入了18项研究。这些研究展示了OoC技术在模拟多种人体器官和组织方面的多样化方法，包括血管化肿瘤、肠道屏障、肝脏和心脏类器官等。文章还讨论了OoC技术在减少动物实验、加速药物开发和提高生物医学研究伦理性的潜在贡献。

尽管OoC技术取得了显著进展，但文章也指出了该领域面临的挑战，如模型的标准化、鲁棒性和可重复性问题。未来的研究需要进一步验证OoC模型与体内数据的一致性，并探索其在动态条件下的多器官相互作用。总体而言，这项研究强调了OoC技术在生物医学研究中的变革潜力，并为未来的发展方向提供了有价值的见解。

研究方法与重点

在本评价中主要考察了器官芯片（OoC）设计的原理，重点关注结构、尺寸、细胞培养选项和制造技术。还考察了该领域的最新进展和未来前景。

结论

健康研究中的微流控芯片装置可以促进药物发现，并增进对人体生理学的理解。它们通过减少实验中使用的动物数量，为更合乎伦理的研究做出贡献。

技术展望

在微流控领域，器官芯片（OoC）设计已被证明是一种很有前景的方法，能够在受控的微观环境中模拟人体器官和组织的生理和病理条件。这些小型化设备已被广泛研究，以更好地理解复杂的生物功能，更精确高效地研究疾病，并实现创新、可控的药物测试。

生物材料在器官芯片设备构建中发挥着关键作用，其选择和使用与设计一样至关重要。标准化这些材料的选择和使用对于确保获得结果的再现性和可靠性是必要的。此外，大规模生产的可能性是这些设备未来商业化的关键因素。能够大规模生产这些设备不仅确保了产品质量的一致性，还使这些技术更具可及性，为研究和工业中的广泛应用打开了大门。这种标准化和大规模生产的可行性对于这些设备在市场上的成功商业化和广泛接受至关重要。

在本文综述中最终深入分析了该领域近期研究的主要发现，突出了这些进展的重大贡献。该综述涵盖了多个方面，从利用3D打印等技术制造微通道和培养室，到开发配备传感器、能够实时监测可溶性生物标志物、微环境参数和类器官行为的微流控平台。

By 齐云龙

图 1。 文献计量分析：词云图——该文献计量分析于 2023 年 7 月 27 日使用 VOSviewer 版本 1.6.17 程序对包含检索词（“器官芯片”OR“芯片实验室设备”OR“芯片实验室”OR“体内芯片”OR“三维细胞培养”AND“患者特异性建模”OR“细胞微环境”OR“计算机模拟”AND“生物打印”OR“计算机辅助设计”OR“设备设计”AND“生物医学技术”）在标题或关键词中的 1.276 份文献进行分析。分析采用术语出现频率最低为 20 次，并使用二元计数方法。

图 3。 器官芯片（OoC）设备在方法、设计、功能和应用方面的进步。(1) 从传统的二维单层细胞培养过渡到具有灌注通道的三维微流控平台（典型通道宽度：100–500 µm），允许改进的通路和减少外部污染。(2) 开发用于高粘度液滴生成（例如直径 200–240 µm）、血细胞包封以及 IL-6 刺激下癌细胞迁移速度实时分析的专用微流控设备。(3) 集成多器官模块和蠕动泵，实现药代动力学分析和大规模药物筛选的连续监测（典型流速：0.01–1 µL/s）。使用 PDMS、水凝胶支架和光敏树脂等材料的增材制造技术允许定制几何形状和显著体积减少（例如从 1.2 cm3 减少到 0.38 cm3；减少 68%）。示意图为说明性，未按比例绘制。

文献来源：

Nunes, G. A. M. d. A., da Silva, A. K. A., Faria, R. M., Santos, K. S., Aguiar, A. d. C., Barreto Mota da Costa, L., Luz, G. V. d. S., Carneiro, M. L. B., Rosa, M. F. F., Joanitti, G. A., Ibiapina, K. M., Gomes, A. K. G. d. B., da Rocha, A. F., & Fleury Rosa, S. d. S. R. (2025). State-of-the-Art Organ-on-Chip Models and Designs for Medical Applications: A Systematic Review. Biomimetics, 10(8), 524. https://doi.org/10.3390/biomimetics10080524