由于人口老齡化，骨關節(jié)炎（osteoarthritis,，OA）這一常見疾病所造成的社會影響預計將急劇增加,，其常見的治療方式為緩解疼痛或手術治療。OA治療藥物匱乏,，主要源于缺乏準確的臨床前OA模型，在傳統(tǒng)2D培養(yǎng)和3D培養(yǎng)中,，二者均不能準確的模擬軟骨細胞的動態(tài)培養(yǎng)微環(huán)境,，以及在關節(jié)活動時，軟骨細胞所受到的特異性刺激,，如持續(xù)的營養(yǎng)供給和特定的機械刺激,。而微流控技術的引入，通過微流體控制和帶有“分層”結(jié)構(gòu)的軟骨微流控芯片,，為這一系列難題帶來了新的創(chuàng)新型解決方案,。

本文介紹了一種微流控軟骨芯片及其細胞培養(yǎng)微流控系統(tǒng),，簡述使用微流控手段進行軟骨細胞培養(yǎng)的實驗機理。

微流控軟骨芯片

關節(jié)軟骨（Articular cartilage）覆蓋了關節(jié)的骨摩擦面,，光滑且富有彈性,，其主要功能是促進骨骼間的負荷傳遞，為關節(jié)活動提供緩沖與保護,。關節(jié)軟骨由細胞間質(zhì)和軟骨細胞組成,，無血管和神經(jīng)結(jié)構(gòu)，營養(yǎng)物質(zhì)由細胞間質(zhì)輸送至軟骨細胞,，關節(jié)活動時,，外界機械刺激會促進營養(yǎng)物質(zhì)的輸送。

一種能在一定程度上模擬以上條件的微流控軟骨芯片,，其結(jié)構(gòu)見下圖,。

上圖中，a圖為芯片俯視圖,，頂部為3個驅(qū)動腔,，與正壓FlowEZ壓力泵或負壓Flow EZ壓力泵相連；中間黃色部分為細胞培養(yǎng)腔,，為軟骨細胞培養(yǎng)場所,，培養(yǎng)基質(zhì)為水凝膠；下方紅色部分為灌流通道,，模擬血管,，為軟骨細胞輸送營養(yǎng)物質(zhì)。結(jié)合芯片的橫截面圖b,，可以發(fā)現(xiàn),，細胞培養(yǎng)腔一側(cè)是帶有彈性的PDMS膜，PDMS彈性膜與3個驅(qū)動相連,，另一側(cè)為很多的微柱陣列,，與灌流通道相連。

芯片工作時,，通過對3個驅(qū)動腔施加正壓或負壓,，從而對PDMS彈性膜進行不同的機械刺激，促使PDMS彈性膜發(fā)生不同程度的形變,，從而模擬軟骨細胞在關節(jié)活動時候的擠壓以及“反彈”,。

軟骨模擬微流控系統(tǒng)

此系統(tǒng)示意圖見下圖。

系統(tǒng)采用正壓FlowEZ壓力泵或負壓Flow EZ壓力泵作為驅(qū)動源,，以對芯片上的3個驅(qū)動腔施加正壓和負壓,，并采用3個2向開關閥來實現(xiàn)正負壓的切換，其操作流程由PC端軟件進行自動化編程控制。在芯片端,，采用顯微鏡觀察并分析芯片上PDMS彈性膜的形變,，以及軟骨細胞培養(yǎng)形態(tài)。

部分實驗結(jié)果

下圖為所拍攝的部分PDMS彈性膜顯微鏡圖像,，分別展示了PDMS彈性膜在4種不同壓力情形下所發(fā)生的形變,。

上圖中，施加正壓時,，壓力為800mbar,，施加負壓時，壓力為-350mbar,。

在過去的幾年里,，傳統(tǒng)2D培養(yǎng)向3D培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，是體外培養(yǎng)體系的一大進步,。3D培養(yǎng)可以誘導表型,、基因表達以及分化增殖率，具有更高的生理學相關性,，但與體內(nèi)的活器官相比,，大多數(shù)細胞不斷受到化學與機械刺激，3D培養(yǎng)模型仍顯得很簡單,。而微流控技術,，是再現(xiàn)活器官復雜性的有力手段。本文中例子具有一定的通用性,，可應用于腸道芯片,、食道芯片等類似研究。