流-固動態(tài)彎曲界面廣泛存在于生物體內不同組織間或組織與管腔間，如血管、腸道、呼吸道和膀胱等，其在維持細胞功能和組織穩(wěn)態(tài)等方面起著關鍵性作用。器官芯片能夠通過構建包括活體細胞、組織成分、生物流體和組織形變等在內的各種器官微環(huán)境，體外再現(xiàn)生物體內的作用機制，在力學生物學、藥物篩選等領域有廣泛應用。然而，尚未有研究能夠在器官芯片中再現(xiàn)組織流-固動態(tài)彎曲界面這一重要的生物力學環(huán)境，此外，如何在器官芯片中實現(xiàn)個性化力學微環(huán)境仍然存在挑戰(zhàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院、生物力學與力生物學教育部重點實驗室、北京生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心樊瑜波教授、劉肖副教授團隊，以“Microfluidic Organ Chip of Fluid-Solid Dynamic Curved Interface”為題的文章發(fā)表于物理領域著名綜合性期刊《Applied Physics Reviews》，并被選為期刊Featured article（特色文章）。美國物理學聯(lián)合會《科學之光》（AIP Scilight）以“Flexible organ-on-a-chip device replicates complex curved surfaces”為題進行了報道。
該研究團隊制造了一款具有三通道“分支”型流道結構設計的器官芯片，包含上層流道層、中間聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜層和支撐基底層，并通過調控PDMS薄膜硬度成功模擬了不同組織的基底硬度。該芯片通過調控進入細胞培養(yǎng)通道和壓力調節(jié)通道的流體流量，以及狹窄阻力通道的壓力能夠同時實現(xiàn)復雜的動態(tài)流動剪切力和循環(huán)應變力學環(huán)境的模擬（圖1）。
為精確控制器官芯片中的剪切應力和循環(huán)應變，研究團隊應用納維-斯托克斯方程和膜壓力-變形關系方程，構建了剪切應力和應變與流量關系的理論分析模型，并利用三維建模仿真、粒子圖像測速和光學相干斷層掃描實驗驗證了理論模型的準確性。同時，該團隊搭建了一套自動、高效、低能耗的流體灌注平臺，可以實現(xiàn)灌注流量的精確控制（圖2）。
為驗證該器官芯片的功效，該團隊對多種力學環(huán)境條件下內皮細胞和上皮細胞的力傳導機制進行了研究，測定了Ca2?跨膜轉運通道Piezo1和力敏感轉錄因子YAP在芯片中的行為機制，展示了此器官芯片平臺在模擬和研究細胞在生理或病理狀態(tài)下行為機制的巨大潛力（圖3）。
在此基礎上，該團隊還提出了一種創(chuàng)新的藥物遞送方式，使用藻酸鹽包裹藥物，在氯化鈣溶液中實現(xiàn)交聯(lián)，通過定量分析藥物在藻酸鹽中的釋放過程和藥物分子在PDMS薄膜中的擴散過程，實現(xiàn)了對藥物劑量和釋放速度的控制，為藥物毒性測試和最佳劑量反應提供了新的途徑（圖4）。
最后，該團隊還對頸動脈個性化醫(yī)療方案進行探索（圖5）：通過影像學技術和多種檢測手段獲得頸動脈三維結構和力學邊界條件，仿真計算出流動剪切力和循環(huán)應變分布；隨后，根據(jù)前述理論分析模型，計算器官芯片模擬頸動脈竇和頸內動脈分支力環(huán)境所需要的灌注流量；進一步，結合流體灌注系統(tǒng)和藥物釋放系統(tǒng)，測試藥物毒性和最佳劑量反應。這項工作為精準醫(yī)療的發(fā)展開辟了新的可能性，可通過此器官芯片平臺，根據(jù)患者的個人生理、病理特征，量身定制藥物治療方案。
北航樊瑜波教授、劉肖副教授為該論文通訊作者，博士研究生蘇皓然為該論文第一作者，北京航空航天大學為第一完成單位。本論文共同作者王立副教授、張靖教授、以及新墨西哥州立大學機械與航空航天工程系束方軍教授，中國人民解放軍第306醫(yī)院王敏副主任，北京同仁醫(yī)院眼科中心青光眼科辛晨副主任，國家干細胞工程技術研究中心張宇博士也對本論文做出了重要貢獻。本項工作得到了北京市生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心的平臺條件支持，還得到了國家自然科學基金委（11827803, 31971244, 32371375, U20A20390和T2288101）、中央高校基礎科研業(yè)務費（KG16186101）及“生物力學與力生物學創(chuàng)新引智基地”（111引智計劃，B13003）等項目資助。
