近日，來自北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、生物力學(xué)與力學(xué)生物學(xué)教育部重點實驗室以及北京生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心的樊瑜波教授和劉肖副教授團(tuán)隊，在物理領(lǐng)域的知名綜合性期刊《Applied Physics Reviews》上發(fā)表了一篇題為“Microfluidic Organ Chip of Fluid-Solid Dynamic Curved Interface”的文章。這篇文章被期刊特別選為Featured article（特色文章），受到了廣泛關(guān)注。此外，美國物理學(xué)聯(lián)合會旗下的《科學(xué)之光》（AIP Scilight）也以“Flexible organ-on-a-chip device replicates complex curved surfaces”為題，對這項研究進(jìn)行了報道。

該研究團(tuán)隊研發(fā)了一種獨(dú)特的三通道“分支”型流道結(jié)構(gòu)的器官芯片。這款芯片構(gòu)造精致，包含上層流道層、中間的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜層以及底部的支撐基底層。團(tuán)隊巧妙地調(diào)整了PDMS薄膜的硬度，成功地模擬了不同組織的基底硬度。這款芯片的獨(dú)特之處在于，通過精確調(diào)控進(jìn)入細(xì)胞培養(yǎng)通道和壓力調(diào)節(jié)通道的流體流量，以及狹窄阻力通道的壓力，能夠同時模擬復(fù)雜的動態(tài)流動剪切力和循環(huán)應(yīng)變力學(xué)環(huán)境。

為了精確調(diào)控芯片中的剪切應(yīng)力和循環(huán)應(yīng)變，研究團(tuán)隊采用了納維-斯托克斯方程和膜壓力-變形關(guān)系方程，構(gòu)建了關(guān)于剪切應(yīng)力和應(yīng)變與流體流動關(guān)系的理論分析模型。他們利用三維建模、仿真技術(shù)、粒子圖像測速以及光學(xué)相干斷層掃描實驗等方法，驗證了該理論模型的準(zhǔn)確性。此外，研究團(tuán)隊還構(gòu)建了一套自動、高效且低能耗的流體灌注平臺。這一平臺能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制灌注流量，確保芯片中的剪切應(yīng)力和循環(huán)應(yīng)變得到有效調(diào)控。

為了驗證該芯片的有效性，研究團(tuán)隊針對多種力學(xué)環(huán)境條件下的內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞的力傳導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行了深入研究。他們測量了Ca2+跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)通道Piezo1和力敏感轉(zhuǎn)錄因子YAP在芯片中的表現(xiàn)，進(jìn)一步驗證了該芯片平臺在模擬和研究細(xì)胞在生理或病理狀態(tài)下的行為機(jī)制的巨大潛力。這一成果為生物醫(yī)學(xué)工程和細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的研究提供了新的工具和方法，有助于更深入地了解細(xì)胞行為的機(jī)制，為疾病診斷和治療提供更多可能性。

除了上述研究，該團(tuán)隊還提出了一種創(chuàng)新的藥物治療方法。他們利用藻酸鹽作為藥物載體，通過與氯化鈣溶液交聯(lián)，實現(xiàn)了藥物的定量釋放。這一方法不僅有效控制了藥物的劑量和釋放速度，還為藥物在PDMS薄膜中的擴(kuò)散過程提供了深入的了解。通過這種創(chuàng)新的藥物遞送方式，研究人員能夠更精確地測試藥物的毒性，并找到最佳的治療劑量。

最終，研究團(tuán)隊致力于探索頸動脈的個性化醫(yī)療方案。他們利用影像學(xué)技術(shù)和多種檢測手段，獲取頸動脈的三維結(jié)構(gòu)信息和力學(xué)邊界條件。通過仿真計算，他們確定了流動剪切力和循環(huán)應(yīng)變在頸動脈中的分布情況?；谙惹皹?gòu)建的理論分析模型，研究團(tuán)隊進(jìn)一步計算了芯片模擬頸動脈竇和頸內(nèi)動脈分支所需的力環(huán)境，并確定了所需的灌注流量。結(jié)合流體灌注系統(tǒng)和藥物釋放系統(tǒng)，他們測試了不同藥物毒性和最佳劑量反應(yīng)。這一研究為精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展開辟了新的可能性。通過該器官芯片平臺，可以根據(jù)患者的個體生理和病理特征，量身定制藥物治療方案。

總結(jié)來說，器官芯片是一種創(chuàng)新的生物技術(shù)，它通過構(gòu)建包含活體細(xì)胞、組織成分、生物流體和組織形變等在內(nèi)的微環(huán)境，模擬生物體內(nèi)的復(fù)雜作用機(jī)制。這種技術(shù)為力學(xué)生物學(xué)和藥物篩選等領(lǐng)域提供了重要的工具。盡管器官芯片已經(jīng)取得了顯著的成果，但仍有一些挑戰(zhàn)尚未得到解決。