在器官芯片研究中的为流体压力控制
器官芯片（OOC）技术正深刻改变生物医学研究与药物开发。其核心特征之一是对液体的可控灌流或循环，从而构建动态、贴近生理的微环境。在众多流体控制方式中，压力控制微流控因其流速稳定、可精确调控剪切应力而在 OOC 应用中尤为突出。本文将结合 Fluigent 的解决方案，综述 OOC 模型中常见的微流控流体控制系统。
器官芯片应用中的微流控流体控制器
器官芯片可在微尺度装置中模拟人体器官的结构与功能[1]。这类装置通常由置于微流控通道中的细胞或类器官构成，旨在逼真再现特定器官的生理反应。
通过重建器官的微环境与细胞相互作用，OOC 技术相较传统的二维细胞培养或动物模型，更能提供贴近生理的研究平台，用于探究器官功能、疾病机制及药物反应。
图 1：整合培养基灌流与循环的器官芯片示意图
在 OOC 装置中复现生理微环境的关键之一，是构建可控的液体灌流系统，以输送营养、药物、代谢物与转录因子等。研究者可选择多种流体控制技术，各有优劣（见表 1）。
1. 蠕动泵
蠕动泵通过挤压柔性管实现正排量，形成脉动流。其设备普及、上手容易，兼容多种流体，并因液体仅接触管路而具备较低污染风险。但其流速与压力控制能力较弱，且脉动特性不一定适合血管化等对稳态剪切要求高的模型。
2. 注射泵
注射泵由电机驱动，通过一个或多个注射器进行输注。其界面直观、易于编程，可设定并调整流速、体积与输注速率等参数。
根据编程设置，注射泵既可提供连续流，也可提供间歇流，适用于需要特定流型的实验。
尽管如此，注射泵也存在局限：
- 有效低流速控制与响应性不足
- 注射器容积有限，需定期补液
- 液体直接接触注射器，污染风险增加
难以实现培养基的连续回收循环。
3. 压力式流体控制器（压力泵）
压力式流体控制器利用气动系统产生压差，驱动液体在微流控芯片中流动。其优势包括：高流速稳定性与快速响应；既可实现连续流，也可编程实现脉动流；还能便捷地集成多器官系统。具体选择何种灌流技术，应依据 OOC 对流速、压力/流型、脉动需求与细胞相容性的要求而定。
表 1：OOC 常用微流控技术对比
| 蠕动泵 | 注射泵 | 压力泵 | |
|---|---|---|---|
| 流量稳定性与精度 | 低 | 中 | 高 |
| 时间响应性 | 高 | 低 | 高 |
| 流体再循环 | ☑️ | ✖️ | ☑️ 配 L-switch |
| 微小体积注入能力 | 低 | 高 | 中 |
| 样品搅拌/扰动 | ☑️ | ✖️ | ☑️ |
| 复杂流型（可编程） | ✖️ | ✖️ | ☑️ LineUp 系列） |
为什么在器官芯片上采用压力控制？
压力控制微流控可精确再现实验中细胞/组织所经历的流速、剪切应力与机械力，贴近体内生理条件，从而提升实验结果的可靠性与可重复性。
由于压力本身是流动的内在驱动力，调节压力即可细腻地操控流体动力学过程，建立生理梯度，并向细胞提供特定的机械信号，影响其行为、分化与功能。这一能力支撑了复杂微环境的构建——从精确的血管剪切分布到明确的间质压力场。
精确的压力控制也是 OOC 内部药物递送与灌流的基础，使细胞/组织能够受到可控的药物、毒素或其他物质暴露，从而评估其对器官功能与反应的影响。
器官芯片应用中的关键考量
OOC 中的培养基灌流相当于“循环系统”，维持营养与代谢废物的浓度梯度以实现对流传输[2]。选择与器官芯片连接的微流控灌流系统时，应综合考虑：
- 流速、压力控制与脉动性
复现实体内微环境需针对不同器官匹配相应条件。肺芯片用于模拟呼吸运动与气流，通常需要较低至中等的流速（每分钟数微升）与温和压力，以准确再现呼吸动力学和肺泡环境[3]。心肌芯片则多需脉动流以模拟心肌收缩，常对应更高流速（每分钟数十至数百微升）与中高压力能力，才能形成贴近生理泵动的流型。
- 细胞活性与剪切应力
OOC 培养活细胞/组织，敏感于机械力与流体条件。过高剪切会影响细胞活性、增殖与功能。因此需评估泵型所致剪切水平，在确保足够流量的同时，尽量降低对细胞的不良影响。以神经细胞为例，其对剪切应力尤其敏感，需严格控制流速，避免破坏细胞网络或诱发损伤[4]。
- 系统集成与兼容性
OOC 常用于研究多器官交互（如肝-肺串联以研究药物代谢与毒性）。各器官模型所用系统需优化，以实现芯片间的通量与信息交换。有些模型还集成 pH、氧气与电活动传感，因此需确保与压力控制器的兼容性。由于长期培养与成像/分析至关重要，还需考虑与生物安全柜、成像/分析设备的配套，包括摆放、取样便利与光学透过性。
- 污染风险
体外模型必须保持无菌以降低变异、保证重复性。某些泵的液体会接触内部部件，增加污染风险。器官芯片应用更适合选择尽量避免流体接触内部机械部件的泵型。
走近微流控压力控制
OOC 的压力控制系统
在微流控系统中，下列组件协同工作，使研究者能够模拟动态微环境、维持长期实验的稳定条件，并精准控制流向。
| 组件 | 功能 | 在 OOC 系统中的作用 |
|---|---|---|
| 压力源 | 产生并调节流体驱动力 | 驱动组织/器官模型灌流 |
| 压力与流量传感器 | 监测通道内压力与流速 | 保障生理范围内的压力/流量，避免损伤敏感细胞 |
| 压力控制器 | 基于传感反馈调节流动以维持设定 | 实现稳定的长期培养，并对芯片环境变化（如细胞过度增殖导致的堵塞）做出动态响应 |
| 阀 | 导流/开闭/限流 | 实现多路复用、培养基再循环、定时刺激与多器官互作研究 |
| 反馈控制系统（如软件控制） | 利用实时数据动态调整压力或流量 | 支持脉动流、自动化流程与稳定重现生理动力学 |
通过整合上述组件，研究者可利用 Fluigent 的微流控压力控制方案（见图 2）在器官芯片中实现培养基的闭路循环，从而构建精准的流体环境。
该方案与 Beonchip 合作验证，并与传统蠕动泵对比，评估流速稳定性对细胞行为的影响。由于内皮细胞对微小流速变化极其敏感，在器官芯片研究中维持恒定剪切应力对保持生理相关性至关重要。
图 2：Fluigent 基于压力控制的再循环系统示例。两台 Flow EZ 连接两个储液瓶，管路依次经过 L-SWITCH（用于培养基再循环）、流量单元与微流控装置，系统由 OxyGEN 软件控制。
Omi：一体化器官芯片流体平台
Omi 平台在 Fluigent 成熟的压力式微流控体系之上，提供包含压力源、传感器与阀的模块化一体化方案，用于管理 OOC 应用中的复杂流体流程。
Omi 扩展了经典 Fluigent 组态的能力，提供统一界面以实现精确压力调控、流量控制与自动换路，从而稳定复现实验流程，如灌流、再循环、注入与取样等。
核心技术特性包括：
- 通过通用适配器实现芯片兼容，可集成多种 OOC 装置
- 支持 Wi-Fi 远程操作与平板应用（Android）
- 云端数据存储，便于监控与实验追踪
- 可编程流体流程，适用于药物、毒素与代谢物等化合物测试
基于 Fluigent 系统的器官芯片应用
近年来，多种 OOC 模型快速发展——如肾脏芯片[2][8]、肺芯片[3]、心脏芯片[5]、皮肤芯片[6]、胰腺芯片[7]与脑芯片[8]等。压力控制微流控在其中发挥关键作用，主要体现在：
- 提供可控、定向的流体暴露，更贴近体内灌流
- 构建梯度流场，支持精准给药研究
- 支持多类型细胞共培养与空间层次，重建复杂器官结构
- 利用人源细胞，获得较动物模型更具生理相关性的体系
微流控 OOC 平台正推动个性化医疗与高通量药筛、单细胞分析、细胞互作研究与疾病建模等领域的革新，从而深化对人体生理的理解并助力更有效疗法的开发。
全球研究团队已广泛采用 Fluigent 的微流控压力控制系统来构建与研究器官芯片模型
Omi 用户反馈
“在攻读博士期间，我多次在细胞生物学实验中使用 Omi。就芯片上器官的再循环与灌流而言，Omi 是我用过最简洁易用的工具。所有功能集成在一台设备里，配套无菌耗材也非常易上手，极大降低了污染风险。[Saut de retour à la ligne]平板与网页版应用可实时监控实验进程，是一款真正友好、高效的工具。期待用 Omi 开发更多生物学应用！”
Arthur Salles，法国国家科学研究中心（CNRS）LIED 实验室，巴黎大学博士生
血管芯片
为解决多路血管芯片（VoC）模型中稳定流场难以复现的问题，Valeria Orlova 团队[10]开发了“流体电路板（FCB）”，可用统一控制参数同时灌流多达 12 个三维 VoC。
该系统整合 Fluigent 的 Flow EZ 压力控制器、Link-Up 模块与流量传感器，确保壁面剪切与血流力学条件一致性——这对维持内皮功能与血管完整性至关重要。
这种多路并行思路有助于三维血管模型的规模化与标准化。
图 4： 流体电路板与外部储液瓶在加热模块中的实物图，以及血管芯片的三维重建图。
肿瘤芯片
Van Gent 团队开发了肿瘤芯片微流控平台（图 6），在受控条件下利用肿瘤组织切片评估患者对治疗的反应[11]。其压力控制系统采用 Fluigent 的 MFCS-EZ 高通量平台，可在多达 14 天内维持乳腺癌与前列腺癌 PDX 切片的细胞活性与增殖，并研究了其对顺铂化疗的反应。该平台未来可用于与临床治疗相匹配的患者肿瘤活检研究。
图 6：（A）肿瘤芯片系统的剖面示意，显示向组织切片的扩散与灌流。（A’）平台连接 Fluigent 微流控流体控制系统与流量传感器（FLOW UNIT-S），并在培养全程由 Fluigent 软件控制。
软骨芯片
Séverine le Gac 团队利用微流控控制系统（MFCS-EZ、2 个开关与一块切换板）构建软骨芯片模型，模拟软骨细胞对外界（机械/化学）刺激的响应，并解析骨关节炎等疾病的诱因[12]（图 7）。该装置可对三维细胞培养实施机械刺激并原位监测响应，同时提供动态培养条件。
图 7： 机械刺激后软骨细胞的形变。
肠道芯片模型
里尔巴斯德研究所的研究人员开发了性价比高、易用的肠道芯片平台——3DP-µGut，旨在扩大 OOC 技术在肠道健康与宿主-病原互作研究中的普及。
与依赖昂贵商用芯片、高阶 CAD 与洁净室的传统 GoC 不同，3DP-µGut 可用常规 SLA 3D 打印机和开源设计文件制造，低成本实现中等通量、成像友好的可重复芯片。
该模型以 Caco-2 细胞验证：7 天后形成三维上皮，逼真模拟原生肠道结构。其开放式设计兼容多种微流控系统，包括验证中使用的 Fluigent Omi 一体化平台与 Flow EZ 压力控制器。
如需了解 GoC 的实施、流体控制策略与宿主-微生物互作建模：
网络研讨会：流动在器官芯片中的重要性——以肠道芯片为例
里尔巴斯德研究所专家将展示基于 Omi 自动化平台支持的肠道芯片模型，重点介绍其应用与优势。
结论
压力控制微流控以精确、稳定且高响应的流体管理能力，成为推动 OOC 研究的关键技术。与其他方式相比，基于压力的系统更能还原生理状态，支持长期细胞活性、提升实验可重复性，并实现复杂流型。无论是模拟血管剪切，还是实现多器官互作，压力控制都能确保 OOC 平台的性能与可靠性。借助 Fluigent 等一体化方案，研究者可为 OOC 实验快速搭建可定制系统。
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References
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