微流控芯片是当代极为重要的新兴科学技术平台和国家层面产业转型的潜在战略领域，科技部钦定的"颠覆性技术"，其中的微流控器官芯片被世界经济论坛（达沃斯论坛）评为2016年世界"十大新兴技术"之一。器官芯片是基于多种细胞共培养系统的3D微流控芯片，它的基本思想是采用微流控技术在体外构建器官的核心组织结构，精准仿生器官的生理，力学和分子微环境，实现器官或器官系统的关键生理功能,全方位推进体外疾病模型研究和应用的发展。本书以作者所在的三个实验室近十多年来所开展的细胞-器官芯片的研究积累为基础，兼收世界各国核心实验室的研究精华。全书分为上下两篇，分述总论和个论。总论全面介绍器官芯片研究历史，深入探讨器官芯片中的生理模型和病理模型，努力阐明器官芯片与干细胞的关系，器官芯片与3D生物打印的关系，以及精准测量对器官芯片表征的重要性。个论则对主要的器官芯片予以逐一论述，对于其他器官，也以一定篇幅予以扼要介绍。在全书的最后，另辟一章，从全局出发对多器官组合的芯片系统作一说明。

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目录
前言
致谢
第1章 微流控芯片 1
1.1 微流控芯片概要 1
1.1.1 微流控芯片概念 1
1.1.2 微流控芯片定位 1
1.1.3 微流控芯片中流体的基本特征 1
1.1.4 微流控芯片的材料与制作 3
1.1.5 微流控芯片中的流体驱动与控制 4
1.1.6 微流控芯片中的信号检测 5
1.2 微流控芯片的应用 6
1.2.1 微流控分析诊断芯片 6
1.2.2 微流控反应筛选芯片 8
1.2.3 微流控细胞/器官芯片 9
1.2.4 其他微流控芯片 10
1.3 微流控芯片的产业化 11
1.3.1 即时诊断（POCT） 11
1.3.2 器官芯片 13
1.3.3 中国的微流控芯片产业 14
1.4 大连团队微流控芯片研究历程 15
参考文献 18
第2章 微流控器官芯片 20
2.1 微流控器官芯片概要 20
2.1.1 微流控器官芯片的概念 20
2.1.2 微流控器官芯片的研究背景 20
2.1.3 微流控器官芯片的发展历史 21
2.1.4 微流控器官芯片的工作原理 22
2.1.5 微流控器官芯片中的微环境 23
2.1.6 干细胞、类器官与器官芯片 24
2.2 微流控器官芯片的应用 25
2.3 微流控器官芯片的产业化 27
2.4 微流控器官芯片生理模型和病理模型构建的基本步骤和典型案例 28
2.4.1 微流控器官芯片与建模 28
2.4.2 高血压型慢性肾脏病器官芯片的构建和表征 30
2.4.3 动物模型的确立 39
2.4.4 芯片模型的验证 40
参考文献 42
第3章 器官芯片检测技术 43
3.1 器官芯片检测的一般方法 43
3.1.1 光学检测器 44
3.1.2 电化学检测器 46
3.1.3 质谱检测器 47
3.1.4 其他检测器 47
3.1.5 各种检测方法的主要优缺点 48
3.1.6 器官芯片一般性检测方法应用示例 48
3.2 器官芯片检测中的跨上皮/内皮电阻法 49
3.2.1 跨上皮/内皮电阻（TEER） 49
3.2.2 TEER测定方法 50
3.2.3 TEER测定的应用 52
3.2.4 TEER电极和器官芯片的集成 55
3.2.5 关于TEER测定研究的一些阶段性看法 55
3.3 器官芯片微环境检测和单细胞分析 56
3.3.1 微环境 56
3.3.2 单细胞分析 57
参考文献 61
第4章 脑芯片 65
4.1 脑和血-脑屏障概况 65
4.2 早期的血-脑屏障芯片研究 66
4.3 一种典型的微流控血-脑屏障芯片 67
4.3.1 模型的构建 67
4.3.2 在芯片上建立和维护屏障的完整性 70
4.3.3 荧光示踪剂和药物的选择性渗透 71
4.3.4 动态流动条件对脑微血管内皮细胞形态和屏障性能的影响 71
4.3.5 微流体芯片模型相对于传统模型的优越性 71
4.4 专设神经通道引入神经细胞的血-脑屏障芯片 72
4.5 炎症刺激下的血-脑屏障模型 74
4.5.1 炎症刺激下的血-脑屏障模型的构建步骤 74
4.5.2 局部或全身性炎症刺激下的血-脑屏障模型 77
4.6 三维脑芯片上的阿尔茨海默病模型 78
4.7 大脑芯片的一些其他应用 81
4.7.1 小鼠脑源性神经营养因子的超灵敏检测微流控芯片平台 81
4.7.2 人神经干细胞功能性神经元分化的模拟 83
4.7.3 通过微流体大脑模型建立和捕捉神经通路 84
参考文献 85
第5章 心芯片 86
5.1 心脏概述 86
5.2 由诱导多能干细胞构建的人心脏芯片 87
5.3 通过血管和肝脏相连的心脏芯片 89
5.3.1 可灌注血管网络 91
5.3.2 肝微组织 92
5.3.3 心微组织 92
5.4 高通量心脏芯片 92
5.5 功能性心脏芯片 95
5.5.1 具有微生理视觉特性的心脏芯片 95
5.5.2 用于抗癌药物毒副作用研究的心脏芯片 96
5.5.3 具有实时收缩应力测量功能的三维心脏芯片 98
5.5.4 可以研究力学影响的血管/心脏瓣膜的心脏芯片 100
5.6 基于心脏芯片的病理性心脏肥大模型 102
5.6.1 高通量微型心脏芯片 102
5.6.2 心肌组织的形成 102
5.6.3 拉伸力的表征 103
5.7 一种由心肌细胞驱动的微球形心脏泵 104
5.8 借助于三维生物打印技术的微纤维支架心肌和心脏芯片 105
5.8.1 需求背景 106
5.8.2 三维生物打印和器官芯片结合 107
5.8.3 微流控生物反应器芯片上集成生物组织的打印 109
参考文献 111
第6章 肺芯片 112
6.1 肺的结构和功能 112
6.1.1 气-血屏障 112
6.1.2 导气部 112
6.1.3 呼吸部 113
6.2 一种典型的微流控肺芯片 113
6.2.1 肺芯片的基本结构 114
6.2.2 功能性肺泡-毛细血管界面构成的气-血屏障 115
6.2.3 再现肺部炎症反应和纳米颗粒毒性的肺芯片 116
6.3 亚器官级别的肺芯片 117
6.3.1 人肺小支气管芯片 117
6.3.2 人呼吸道肌肉组织芯片 119
6.4 肺芯片中的力学微环境 121
6.4.1 模拟肺泡力学微环境的微/纳米级结构 121
6.4.2 力学微环境变化对各种细胞行为的影响 122
6.5 基于肺芯片的病理模型 123
6.5.1 药物诱导性肺水肿 124
6.5.2 人原位非小细胞肺肿瘤 125
6.5.3 巨噬细胞通过激活NF-κB和STAT 3信号促进苯并芘诱导肿瘤转化 127
6.5.4 肿瘤微环境的构建和人肺癌侵袭发生机制的研究 128
6.5.5 嗜酸性粒细胞阳离子蛋白（ECP）对肺部炎症的影响 130
6.6 用于个体化治疗的药物敏感性测试平台 130
6.7 肺芯片模型和烟雾-粉尘污染 132
6.7.1 吸烟与小气管芯片模型 132
6.7.2 Hedgehog信号通路抑制香烟烟雾诱导16 HBE 细胞的恶性转化 134
6.7.3 PM2.5对人支气管上皮细胞向支气管上皮间充质转化（EMT）的影响 135
参考文献 136
第7章 肝芯片 138
7.1 肝脏概述 138
7.2 常规方法构建的不同细胞来源的肝芯片及其应用 139
7.2.1 肝微粒体芯片 139
7.2.2 肝细胞构建的肝芯片 143
7.3 用其他方法或材料构建的肝芯片 151
7.3.1 用液滴包裹的肝芯片 151
7.3.2 聚醚砜中空纤维膜肝芯片 155
7.3.3 仿晶格生长研制的肝芯片 156
7.3.4 3D生物打印和生物反应器芯片联结构建肝芯片 158
7.4 肝器官芯片用于过程控制：线粒体活性评估 160
7.4.1 系统设计 160
7.4.2 线粒体应激的测定 161
参考文献 162
第8章 肾芯片 164
8.1 肾脏概述 164
8.2 肾单位芯片 165
8.2.1 肾单位芯片的设计及构建 165
8.2.2 肾单位芯片细胞层功能评估 167
8.2.3 肾单位芯片功能评估 168
8.2.4 不同浓度顺铂作用下肾单位芯片细胞的损伤情况 170
8.2.5 不同药物作用下肾单位芯片中细胞损伤的比较 171
8.2.6 肾单位芯片在药致肾损伤研究中的应用 174
8.3 肾近端小管芯片 174
8.3.1 一般肾近端小管芯片 174
8.3.2 用于研究基础生物学的肾近端小管芯片 176
8.4 基于人干细胞分化足细胞的肾小球芯片 179
参考文献 182
第9章 肠芯片 183
9.1 肠道概述 183
9.2 肠道芯片 184
9.2.1 肠道芯片模型构建的背景 184
9.2.2 早期的微流控肠道芯片 185
9.2.3 升级版微流控肠道芯片 187
9.2.4 原代人肠上皮细胞构建的肠芯片模型 188
9.3 关于肠绒毛的进一步研究 190
9.4 基于肠道芯片的病理模型 194
9.4.1 病理模型构建中的几个共性问题 194
9.4.2 病毒感染模型（Ⅰ） 195
9.4.3 病毒感染模型（Ⅱ） 197
9.4.4 肠道菌群模型 198
9.5 用于口服药物研究的肠道芯片 200
9.5.1 口服药物的代谢 200
9.5.2 口服药物低生物利用度问题 201
9.6 药物肠吸收所引起的肾毒性 202
9.7 肠等四种器官共培养模型 204
9.8 关于肠芯片模型的几点说明 206
参考文献 206
第10章 血管芯片 208
10.1 血管和血管芯片概述 208
10.2 相对完整的微血管网络芯片模型 209
10.3 局部血管芯片和力学微环境 211
10.3.1 由血管内皮细胞构建的血管新生芯片及剪切力对血管新生的影响 211
10.3.2 血管芯片中的剪切力和循环拉伸力 214
10.4 血管芯片构建的几个重要病理模型 215
10.4.1 微型动脉粥样硬化（AS）模型 215
10.4.2 肿瘤细胞侵袭模型 218
10.4.3 肿瘤细胞外渗模型 220
10.4.4 急性呼吸窘迫综合征模型 221
10.4.5 哈钦森-吉尔福德早衰综合征模型 224
10.5 血管糖萼芯片的设计、制备和初步应用 226
10.5.1 芯片上血管糖萼的培养、观测及酶切鉴定 226
10.5.2 基于微流控血管糖萼芯片的高糖损伤和修复模型的构建 227
10.5.3 基于微流控芯片血管糖萼模型的寡糖筛选 228
参考文献 229
第11章 肿瘤芯片 230
11.1 肿瘤和肿瘤芯片 230
11.2 肿瘤细胞侵袭芯片 231
11.2.1 生长因子诱导的肿瘤细胞侵袭芯片 231
11.2.2 肿瘤细胞侵袭的过程及其量化 233
11.2.3 间质细胞诱导的肿瘤细胞侵袭芯片 235
11.3 肿瘤细胞诱导血管新生芯片 237
11.4 肿瘤细胞外渗芯片 241
11.5 肿瘤多器官转移芯片 243
11.6 肿瘤诊断芯片 245
11.7 肿瘤药物治疗芯片 249
11.8 展望 252
参考文献 253
第12章 其他器官芯片 255
12.1 胰岛芯片 255
12.2 脾脏芯片 257
12.3 皮肤芯片 260
12.3.1 血管化皮肤芯片 261
12.3.2 免疫介导皮肤芯片 264
12.3.3 皮肤创伤芯片 264
12.3.4 其他实用型皮肤芯片 266
12.4 脂肪芯片 268
12.5 骨芯片 271
12.6 子宫芯片 276
12.7 卵巢芯片 279
12.8 眼睛芯片 282
12.9 鼻芯片 286
参考文献 288
第13章 器官芯片系统 292
13.1 器官芯片系统概述 292
13.2 两器官组合 293
13.2.1 肠-肝组合 293
13.2.2 肝-神经组合 294
13.2.3 肝-肿瘤组合 294
13.2.4 肝-肾组合 295
13.2.5 肝-肠组合或肝-皮肤组合 296
13.3 三器官组合 297
13.4 四器官组合 298
13.5 用于药物吸收、分布、代谢和消除（ADME）以及肝毒性和抗癌活性测定的多器官芯片系统 299
13.5.1 ADME芯片的基本思想 300
13.5.2 芯片的设计加工与组装 302
13.5.3 Caco-2细胞层与HUVEC细胞层的功能评价 304
13.5.4 肝实质细胞的功能评价 305
13.5.5 心脏、肺和脂肪组织活性评价 306
13.5.6 基于ADME芯片的药物临床前筛选 307
13.5.7 药物的组织分布和它们的肝细胞毒性 308
13.5.8 ADME芯片测得的药物浓度-时间曲线 309
参考文献 311
第14章 基于3D生物打印的器官芯片 312
14.1 普通3D打印 312
14.1.1 概述 312
14.1.2 3D模型设计 312
14.1.3 3D打印机分类及性能 313
14.1.4 3D打印应用领域 314
14.2 3D生物打印 316
14.2.1 3D生物打印与普通3D打印 317
14.2.2 生物墨水 318
14.2.3 生物打印展望 319
14.3 器官芯片用基底材料和装置的普通3D打印 320
14.3.1 芯片模板的3D打印 321
14.3.2 芯片的3D打印 322
14.3.3 芯片中微通道的3D打印 324
14.3.4 芯片用生物传感器的3D打印 327
14.4 基于3D生物打印的器官芯片 328
14.4.1 支架的生物打印 329
14.4.2 血管微通道的生物打印 329
14.4.3 类组织-器官的生物打印 331
14.5 大连微流控芯片团队的3D生物打印 334
14.5.1 可灌注的中空血管 335
14.5.2 3D生物打印肿瘤组织与芯片 335
14.5.3 3D生物打印类器官与芯片 336
14.6 器官芯片和3D生物打印 338
参考文献 340
缩略语表 342
代后记 微流控芯片二十年 346