由于人口老齡化，骨關節炎（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2D培養和3D培養中，二者均不能準確的模擬軟骨細胞的動態培養微環境，以及在關節活動時，軟骨細胞所受到的特異性刺激，如持續的營養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”結構的軟骨微流控芯片，為這一系列難題帶來了新的創新型解決方案。

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

微流控軟骨芯片

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

一種能在一定程度上模擬以上條件的微流控軟骨芯片，其結構見下圖。

上圖中，a圖為芯片俯視圖，頂部為3個驅動腔，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腔，為軟骨細胞培養場所，培養基質為水凝膠；下方紅色部分為灌流通道，模擬血管，為軟骨細胞輸送營養物質。結合芯片的橫截面圖b，可以發現，細胞培養腔一側是帶有彈性的PDMS膜，PDMS彈性膜與3個驅動相連，另一側為很多的微柱陣列，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彈性膜發生不同程度的形變，從而模擬軟骨細胞在關節活動時候的擠壓以及“反彈”。

軟骨模擬微流控系統

此系統示意圖見下圖。

系統采用正壓FlowEZ壓力泵或負壓Flow EZ壓力泵作為驅動源，以對芯片上的3個驅動腔施加正壓和負壓，并采用3個2向開關閥來實現正負壓的切換，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，以及軟骨細胞培養形態。

部分實驗結果

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2D培養向3D培養的轉變，是體外培養體系的一大進步。3D培養可以誘導表型、基因表達以及分化增殖率，具有更高的生理學相關性，但與體內的活器官相比，大多數細胞不斷受到化學與機械刺激，3D培養模型仍顯得很簡單。而微流控技術，是再現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。