你能想象在一块指甲盖大小的透明薄片上看到“心脏跳动”吗？不同于科幻电影中对未来的畅想，这一不可思议的场景已经实现！这种正悄然改变我们对疾病、药物和人体组织的理解的微小装置就是器官芯片。
文|程 薇 王江宁
第一届“两翼杯”青年前沿科普作品创作活动科普文章展示作品。
01.
芯片上的“迷你器官”
器官芯片是一种微型、小巧且精密的装置，它通过植入活的细胞，实现对人体器官的结构和功能的模拟。这些芯片通常由透明的聚合物材料制成，内部含有微小的通道和腔室，通过精准控制微量的培养液流过这些通道和腔室，模拟血液流动、组织器官的生理环境及组织间的相互作用。这些“迷你器官”不仅是重现人体器官的“乐高积木”，亦可为个性化医疗、开发新型药物提供新的研究思路，还减少了实验动物的使用。
器官芯片的概念最早可追溯至20世纪90年代，当时科学家刚开始探索如何在体外模拟人体器官的功能。21世纪初，随着材料科学和微加工技术的突破，利用器官芯片开展科学研究的可行性大幅提高，并在疾病检测、药物研发等领域有了初步的应用。如今，它已跨越了“科学研究”的边界，走进了我们的日常生活。例如，在一些便携式医疗设备、环境监测设备中就能看到它的身影。
02.
大题“小”做：微流控器官芯片的魅力
器官芯片主要有两项核心技术：一是实现人体器官功能的微型化模拟；二是微量流体控制技术（简称微流控技术）的创新应用。
在器官功能模拟方面，其核心并非一味地追求完全的结构复制，而在于关键功能的再现。以肝类器官芯片为例，其通常由直径为200~800微米的三维细胞球构成。虽然这些细胞球比芝麻还小，但它们已经具备了肝脏最核心的代谢功能。
微流控技术的关键在于精确控制微小体积的流体（如血液、药物等）。科学家通过在芯片上设计复杂的微通道网络并结合使用微量真空抽气泵、微量注射泵等精密流控仪器，可以精确地控制细胞的生长环境（包括营养物质的供应、废物的排出及细胞间的相互作用）。这种精确控制使微流控器官芯片能够高度模拟人体内的生理条件，为观察细胞的生物学行为提供了很好的平台和工具。
03.
从“搭积木”到“造器官”：器官芯片如何诞生
构建器官芯片的过程就像搭建一个微观的生命系统，在芯片上建一座“细胞城市”——有交通（微流控通道），有居民（组织细胞），有资源（培养液）。具体来说有以下几个步骤。
第一步，选择生物材料。科学家会选择合适的生物材料来构建芯片的基底，这些材料需要具备良好的生物相容性和机械稳定性，如聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃、全氟化聚合物及纸基材料等。
第二步，微加工技术。微加工技术在基底上制造出微通道和微腔室，可用于培养细胞和控制流体流动。微加工技术包括3D打印技术、软光刻技术、热压印技术、注塑成型技术、微电极加工技术等。
第三步，细胞种植。将特定的细胞类型种植到芯片上，并通过微流控系统为细胞提供必要的营养物质和生长因子。
第四步，组织形成。随着时间的推移，这些细胞会在芯片上生长，并逐渐形成具有特定功能的组织结构。例如，通过在芯片上培养心肌细胞，可生长出微型的心脏体外模型，用于研究心脏的生理功能和疾病机制。
04.
器官芯片的应用
器官芯片的应用范围全面涵盖了个性化医疗、药物研发、疾病模型、环境污染物的健康效应识别等多个领域。
个性化医疗：为每个人定制治疗方案
每个人的身体都是独一无二的，对药物的反应也各不相同。传统的“一刀切”治疗方法往往无法满足所有患者的需求。器官芯片为个性化医疗提供了新的可能。 例如：对于癌症患者，科学家可以使用肿瘤芯片来筛选最有效的化疗药物；对于心脏病患者，可以使用心脏芯片来评估不同治疗方案的安全性。这种方法不仅可以提高治疗效果，还可以减少不良反应。
药物开发：从实验室到临床的快速通道
药物开发是一个漫长而昂贵的过程，通常需要10~15年的时间，耗资数十亿美元。其中，临床前研究和临床试验是最为耗时和昂贵的环节。传统的药物筛选方法主要依赖于动物实验和体外细胞培养，这种方法不仅耗时耗力、成本高昂，而且存在伦理问题。器官芯片为加速药物开发提供了新的工具。
通过在芯片上构建人类的细胞模型，科学家可以直接观察药物对机体的影响，从而快速筛选出具有潜力的药物候选物。此外，芯片上的微型器官模型还可以模拟药物在人体内的分布和代谢过程，为药代动力学研究提供了重要的数据支持。
疾病研究：揭示疾病的微观机制
许多疾病的发生和发展都与特定器官的功能异常有关。然而，由于人体组织的复杂性和难以获取性，科学家往往难以深入研究这些疾病的机制。器官芯片为疾病研究提供了新的视角。
通过在芯片上模拟疾病状态，科学家可以观察疾病的发展过程，并探索潜在的治疗方法。例如，科学家可以使用脑芯片来研究阿尔茨海默病的神经退行性变化。这些研究不仅有助于揭示疾病的微观机制，还为开发新的治疗方法提供了重要线索。
未来，随着技术的不断进步，器官芯片的应用范围将进一步扩大，可能彻底改变我们对疾病的理解和治疗方式。尽管这一技术仍面临诸多挑战，但它的潜力无疑是巨大的。或许在不久的将来，这些小小的芯片将成为医学研究中的“超级英雄”，为人类健康带来革命性的变革。
程薇，医学博士，上海交通大学医学院副研究员，中国毒理学会认证毒理学家，研究方向为动物福利3R原则（替代、减少、优化）的毒理学实践与器官芯片研究。
王江宁，上海交通大学医学院临床医学本科生。
*本文刊登于《科学画报》2025年第11期，更多相关内容欢迎订阅。
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