多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅料是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。被称为“微电子大厦的基石”。

类器官芯片概念、原理及优势

1.概念

类器官芯片是将类器官和器官芯片技术结合，将器官芯片中的二维细胞由三维细胞或类器官取代，在微流控芯片上以可控、规模化的工程学方式构建类器官模型。器官芯片是一种多通道，包含有可连续灌流腔室的三维细胞培养装置。器官芯片由两大部分组成，一是本体，由相应的细胞按实体器官中的比例和顺序搭建；二是微环境，包括器官芯片周边的其它细胞，分泌物和物理力。

微流控芯片技术也被称为芯片实验室，是涉及物理、化学、医学、流体、电子、材料、机械等多学科交叉的研究领域。通过微通道、反应室和其他某些功能部件，对流体进行精准操控，对生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成分析，具有液体流动可控、集成化、消耗低、通量高、分析快等优点，已经被广泛应用于生物医学和环境科学等研究领域。

2.工作原理

以肺芯片为例说明微流控器官芯片的工作原理。

典型的肺芯片设计

制作一块芯片，在芯片槽道中设置三个并列的流体通道，两边通道通真空，中间用于植入细胞。在中间通道正中间加一层有通透性的生物膜，膜上布满小孔。用细胞外基质的分子包裹薄膜，在这张薄膜的上面铺满一层肺细胞，细胞从肺的气囊、肺泡中提取，薄膜另一面铺满人肺毛细血管细胞。让空气在薄膜上面流通，培养基则在下面流动。由此可以产生组织，因为组织是由连生细胞及与之结合的细胞间物质集合而成一种构造。

两个或两个以上组织聚集在一起，会形成不同的组织-组织界面，有可能产生功能。多种不同组织联合构成具有功能的结构，可以被认为是器官。为了产生功能，设计了一个中空的侧室，用循环吸力使两侧真空通道收缩，同时带动中间的通道一起伸展和放松，并让伸展和放松的程度和频率与人细胞在肺中呼吸时所做的类似，由此实现了培养皿等不可能实现的呼吸运动功能，这就模拟了人体肺泡在呼吸过程中收缩的生理过程。在此基础上，还可模拟肺部感染的时候白细胞抵御细菌入侵的过程。

在铺有肺细胞的上层通道释放病原菌，然后在下层通道里加入人体白细胞。当白细胞感觉到病原菌侵入时，它们会从血液中进入肺部，吞噬病原菌。如果要使整个免疫过程可视化，也可以对白细胞和病原菌进行标记，于是就可以在显微镜下看到白细胞在“血管”中穿梭，进而穿过薄膜上的小孔，吞噬侵染肺细胞中被绿色标记的病原菌。用类似的思想，可以开发出不同器官芯片。

3.优势

类器官芯片以微流控芯片技术为核心，与细胞生物学、生物材料和工程学等多种方法相结合。由于在三维环境培养中有一定剪切力的特性，其细胞更接近人体生理学状态，可以在体外模拟构建包含有多种活体细胞、功能组织界面、生物流体和机械力刺激等复杂因素的组织器官微环境，反映人体组织器官的主要结构和功能特征，是一种更仿生、更可控、标准化的类器官模型构建技术平台。

通过器官芯片特有的生物流体、机械力等工程化设计赋能类器官，解决传统类器官模型的痛点，提高模型的仿生性、时效性。同时基于芯片平台的标准化结构和流程，建立类器官标准化培养体系，提高数据稳定性，同时可以更好的实现规模化、自动化应用。

与传统2D静态细胞培养方式相比，类器官芯片平台一大关键优势是能够控制细胞和特定组织结构，以模拟化学梯度和生物力学，从而能够精确控制生物化学和细胞环境，模拟在体内的环境和反应，并在功能性人体组织和器官环境中对活体人体细胞生化、遗传和代谢活动进行高分辨率、实时成像和体外分析。

与传统动物实验相比，类器官芯片因其人源成份、仿生结构等优势，可以有效解决动物模型所存在的种属差异问题，更具成本效益。研究人员已意识到动物和人类研究之间频繁出现的不一致性，并且这种方式耗费的成本极为高昂。虽然从现阶段看，类器官芯片还不是很完善，但相对于药物研发而言，类器官芯片比动物和体外细胞培养更有优势。临床前研究中，类器官芯片平台有望更好的筛选有效低毒药物，减少药物研发成本。

类器官芯片优势

类器官芯片的制造材料

功能较为完备的类器官芯片应该包括4个要素：微流控芯片本体、芯片上的细胞或微组织、用于施加物理化学刺激的微执行部件以及监测细胞生理生化状态的微传感器。在实际应用中，有些类器官芯片不一定具有所有4个要素，其中芯片本体和细胞(或微组织)是必备的。

类器官芯片的组成

类器官芯片的材料是其加工制备和应用的基础，常用材料有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、玻璃、硅、有机玻璃等。

1.聚二甲基硅氧烷(PDMS)

制造器官芯片最常见的材料是PDMS，组分包括预聚体和固化剂，将两者按照一定比例混合，在加热或常温条件下即可固化形成具有一定弹性的固体。主要优点是无毒，具有化学惰性，优异的光学清晰度、柔韧性和气体渗透性，使用简单而且成本低廉，因此被广泛应用于器官芯片制备。

主要缺点是表面比较疏水，需经修饰才可让细胞黏附，通常会在表面修饰一层生物兼容性较好的纤连蛋白或水凝胶材料，以促进细胞贴壁生长。

另外一种方式是和其他材料结合来制备器官芯片，如在PDMS上加工出微流道结构并将其覆盖在玻璃片上，PDMS材料只提供流动所需的微流道结构，而细胞在玻璃表面上贴壁生长，从而规避了PDMS材料的生物兼容性问题。

PDMS材料另一缺陷是对小分子材料包括小分子药物有较高吸收率，如果采用PDMS材料器官芯片进行药物筛选，则应考虑其吸收问题。

2.玻璃和硅材料

玻璃和硅材料也被广泛用于器官芯片制备。主要优势是可采用标准的微纳加工工艺(如光刻、刻蚀等)，加工成形精度高(可达纳米级)，并且具有较好生物兼容性。主要缺点是需要专业加工设备，加工成本昂贵，另外硅材料透光性差，对芯片上细胞或微组织进行直接观察比较困难，在一定程度上限制了其应用。

3.聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA,水凝胶)

水凝胶由于良好的生物兼容性，也被应用于器官芯片制备。优点是透明、低毒、可光固化且为亲水材料，水凝胶材料的多孔特性、含水量及生物分子的扩散性均与天然细胞外基质(ECM)非常相似，可用于模拟细胞在体内的生长环境。

4.纸

纸基器官芯片是近几年发展的一种新型器官芯片。与其他材料器官芯片相比，纸基芯片优点包括成本更低，纸张来源丰富，且价格远低于硅、玻璃/石英甚至聚合物等材料。

另外纸的加工比较简单，可通过光刻、蜡印、喷墨打印、绘图等方式制作二维纸芯片，或通过简单的折纸或多层纸片叠加方法制作三维纸芯片。此外纸本身属于多孔材料，具有很强的毛细作用，经图案化疏水性处理后即能控制液体定向流动，而无需外置驱动泵。

纸的尺寸比较薄(0.07-1 mm)，质地轻，可折叠，因此易于保存和运输。另外纸基材料生物兼容性好，纸的主要成分为纤维素，具有良好生物兼容性，可在上面进行细胞或微组织培养。并且纸的后处理比较简单，对环境没有污染。

5.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，俗称有机玻璃)

PMMA材料广泛用于芯片制备。优点是透光性好、成本低、成型容易，另外该材料重量轻，其密度只有普通玻璃1/2。PMMA还具有良好电绝缘性，可施加高电场进行液体驱动、分离等操作。

6.聚己内酯(PCL)以及聚氨酯(TPU)

PCL以及TPU主要优点是透光性好，另外熔点较低，可用于3D打印。

常用器官芯片材料性能

类器官芯片的制备方法

微流控芯片本体结构通常包括微流道、营养液出入口等，主要作用是对细胞进行培养，为细胞提供营养，排出代谢产物。器官芯片依据其结构、功能和材料的不同，也采用不同制造工艺。对于微流控芯片本体，主流加工方法包括光刻法、模塑法、微接触压印法、激光刻蚀法、机械加工以及3D打印等。

光刻法是最经典也是应用最广泛的微纳加工技术。优点是工艺成熟，加工精度高，可达亚微米甚至纳米级。缺点是加工材料种类有一定局限性，通常是硅或者玻璃材料，另外设备也比较昂贵，特别是制备掩模板的设备。

菲林光刻所需的设备和操作都比较简单，通常不需要刻蚀等后续工艺，采用简易紫外光源即可开展。其缺点是成形精度较低，只能成形几十微米以上的结构，其加工精度也可满足很多器官芯片需求，目前该方法已用于水凝胶材料的芯片制备。

模塑法是最常采用的方法。阳模由其他方法(如光刻等)制备得到，由于阳模可重复使用，所以该方法成本较低，适合批量化生产。模塑法制备微流控芯片最典型的方法是选用硅模具和PDMS材料的组合。

微接触印刷法主要用途是基底的表面改性，但不能用于结构的成形制备。该方法采用的模具为弹性材料，因此也可用于曲面基材的表面改性。

激光刻蚀法是制备微流控芯片的另一方法，主要用于加工PMMA材料，也有人采用该方法加工双面胶材料。飞秒激光刻蚀法还被用来加工玻璃等材料，采用该方法甚至制备出了三维微流道。

3D打印制备微流控芯片的主要优势是可以做到一体化成形，而不需要后续的键合封装等步骤，另外该方法可制备复杂结构的微流控芯片。

目前面向微流控芯片的3D打印机已经实现了商业化，如英国Dolomite公司生产的FluidicFactory系列3D打印机，该打印机属熔融沉积型，采用生物毒性较小的环烯烃共聚物材料，可用于微流控芯片3D打印直接成形。

3D打印具有操作方便、简单快速、可一体化成形的优势，此外可降低手工芯片组装的差异性和提高效率，因此在微流控芯片制备方面有着广阔前景。

几种主流微流控芯片加工方法

不同微流控芯片加工技术比较

类器官芯片的集成与封装

加工出的结构都属于开口结构，通常要在开口结构上加一盖板，进行封装。另外有些器官芯片结构比较复杂，需要分成多个部分分别制造，随后再键合封装在一起。常用键合技术包括热键合、胶黏接键合以及表面改性键合等。

热键合适用批量化生产，但其缺点是键合强度较低，容易开裂，该方法适用于玻璃、PMMA等材料。胶黏接的方法操作简单，成本较低，不需要加热，并且键合强度较高。表面改性键合采用紫外光、臭氧或等离子体对材料的表面进行处理，使其表面的物理化学性质发生变化，从而提高键合表面之间的亲和力，可用于PDMS以及PMMA等芯片的键合。

类器官芯片的细胞/微组织的制备

细胞/微组织的制备有不同方式，主要分为定点滴加法和捕获收集法两种。定点滴加法采用移液枪等工具将细胞悬液或者细胞和水凝胶混合物滴加到芯片特定位置。捕获收集法是制备器官芯片上微组织最常用的方法，采用重力、电场力、毛细力等外力或者采用几何结构约束等将细胞(或微组织)捕获收集到特定的区域并进行后续培养。

器官芯片上的细胞(或微组织)按照形态可分为二维和三维。二维组织的制备比较简单，将细胞悬液直接通入芯片中，则细胞沉降在微流道内并贴壁生长，形成二维平面结构。体内有些组织本身呈二维状态，如肺泡上皮细胞、血管上皮细胞等在体内倾向于铺展成二维，因此在体外制备二维结构完全能够模拟其功能。

随着生物材料发展和加工技术进步，开始在器官芯片上培育三维微组织。体内器官单元多为三维形貌，在器官芯片上构建三维微组织，功能上与在体情况更为接近。器官芯片上构建三维微组织更常见方式是采用水凝胶等材料作为细胞外基质，待其交联后形成三维多孔网络并将细胞固定在内部，从而形成三维微组织。

构建器官芯片微组织的另一因素是细胞来源，主要包括永生细胞系、原代细胞以及干细胞(或诱导多能干细胞)。永生细胞系是细胞体外培养最常用的，也是器官芯片中使用最广泛的细胞。

其优点是形态比较均一、生长增殖比较稳定，通常有市售可直接购买，但其缺点是与体内组织表型往往不匹配，细胞系具有遗传同质性而不具有特异性。原代细胞是从机体中取出后用于培养的细胞，其优点是具有个体差异性能够更好地反映个体生理状态，难点是细胞的提取。

干细胞(诱导性多能干细胞)也是从机体中直接提取的，具有一定分化能力，在合适的体外条件下可分化成特定的目标细胞，干细胞分化的细胞携带的遗传信息与在体相同，采用干细胞构建器官芯片可反映个体差异性。

类器官培养基成分

类器官芯片的多器官微流控芯片

器官芯片体系的建立以基于对靶器官简化分析的设计原则作为指导。首要的是理解靶器官解剖学结构，并将其缩小归纳为对生理机能所必须的基本元件，这些功能单元再进一步被用于识别关键特点如不同细胞类型、结构组织以及器官特异性生物化学和生理微环境，然后设计一个细胞培养装置以复制这些特点，并通过微细加工技术如软刻蚀将其制造出来。

多器官微流控芯片(MOC)将不同器官和组织的细胞在芯片上培养，以微通道相连，实现多器官集成化。芯片中可集成数个经过特殊设计的微培养室、灌注通道并同时培养多种细胞，利用微流控技术可以产生精确可控的流体剪切力、周期性变化的机械力和溶质浓度梯度变化的灌注液。

MOC可以用于细致地分析组织、器官特异性应激反应，例如循环免疫细胞的募集、对药物、毒素或其他刺激因素的应答等。除此之外，将多个模拟不同器官、组织的芯片，按照体内的关系，用血管内皮组织、血细胞或是流体介质将其连接起来，就能在体外模仿体内不同器官、组织之间的生理作用和药物分布等。

下图的MOC系统装置用微泵设备来控制流体的顺时针和逆时针流动，以微通道相连接，在芯片上培养构建了可容纳肠、肝、皮肤、肾4个器官的MOC系统，通过两个流动回路模拟模拟药物在肠内吸收、肝脏代谢以及肾脏排泄，用于体外检测候选药物安全性和有效性评估。

多器官微流控芯片系统

MOC系统装置：(a)包括两个聚碳酸酯盖板，PDMS-玻璃芯片用于承载血流回路(粉红色)和排泄流动回路(黄色)；数字分别代表肠道(1)，肝脏(2)，皮肤(3)和肾脏(4)组织的4个组织培养隔室。顶视图示可以看到血液回路中的3个测量点(A、B和C)的位置以及排泄回路中的两个测量点(D、E)。

器官芯片技术对类器官的作用

1.在微环境上对类器官的控制

类器官的发育需要在合适时间、以可控的方式激活相关信号通路，以诱导细胞分化和物理上分离以形成不同细胞类型，并指导自我组织。传统类器官培养需要在特定时间加入形成素，从而和细胞分泌的可溶性因子形成干细胞的生物化学梯度微环境，但是这种梯度不易控制，并且成功率不高。近年来，越来越多的研究发现，当把器官芯片技术与类器官结合后，这个问题迎刃而解。

有研究发现，将微液流系统应用于建立体外神经管发育模型(图A)，该微型设备模拟了sonic hedgehog(Shh)信号通路和bone morphogenetic protein(BMP)信号通路，从而成功诱导生成脊髓发育过程中神经管。类似方法也成功产生化学梯度微环境，从而将人脑类器官芯片应用于研究尼古丁对皮质层发育的副作用等。

随着类器官变大，仅仅依靠被动扩散来获取养分和氧气并去除代谢产物的方法不足以满足它们对代谢物日益增加的需求，最终导致生长和成熟失败。而用器官芯片来模拟灌注血管可以解决这一问题。一个肿瘤类器官芯片模型包含三个相互联系的微液流装置(图B)，支持内皮细胞的血管生成自组装成3D的灌流血管，并长成乳腺癌患者的类器官结构，利用此装置通过血管灌流紫杉醇可以抑制肿瘤生长，也可以用其来筛选患者个性化的药物。

胚胎发育过程经历了各种类型的机械力。传统类器官模型缺少生物力学的控制，从而导致发育不完全，而应用微型工程装置可以为类器官产生类似于体内的机械力。比如一个胃芯片模型，将来源于人类多能干细胞的胃类器官培养在人工基底膜上，其空心结构搭配一副微量移液管使液体流入内腔，模拟了体内胃的腔流动和节律收缩(图C)。

类器官芯片可用于控制微环境

2.建立组织之间以及多器官之间的相互作用

人体复杂性来源于不同组织以及其内部组分之间动态的相互作用，模拟这些相互作用对于体外模拟完整的复杂生理体系至关重要。器官芯片为类器官体系共培养不同的细胞和组织类型提供了更可控且更有利的设计平台，例如一个多小室微型装置建立的血管-肝脏类器官芯片，增强了体外肝脏组织和血管的相互作用，从而增加了肝脏特异性标志物的表达，增强了体外肝脏功能。有研究利用体外微型平台共培养不同类型的类器官，成功共培养了干细胞来源的肝脏、肠和胃类器官。这类多器官系统有助于在临床前预测生物制药的应用模式。

3.减少可变性

与体内器官形成不同，类器官的发育在尺寸、结构组织、功能和基因表达上有大量可变性，而器官芯片技术为类器官提供了一种方法，可以产生类似体内严谨调控器官形成的模式，从而减少随机性和可变性。

首先，微型设备机械自动化的精确性和重复性减少了实验过程中(如类器官培养)由手动操作的不一致性带来的可变性。其次，微型工程装置增加了类器官培养的密度，使得其处理和分析实现高通量。

最后，通过将生物传感元件合并入培养平台，可以持续筛选类器官。比如有研究设计了一个整合了无标记生物传感器的多器官芯片设备，用于长期监测心脏和肝脏类器官及原代肝脏球状体，从而可以在高敏感性和广泛动态范围内同时监测高达8个不同的靶标。

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