器官芯片是生物医学领域迅速崛起的前沿交叉技术和新兴研究方向，它融合了生物学、工程学和医学等多门学科原理和方法，旨在体外模拟人体器官的关键结构、功能和器官间联系，反映人体健康和疾病状态，为理解生命过程、解析疾病机理和药物研发等提供崭新的策略、工具和平台。
　　本书全面梳理了器官芯片的起源、发展历程和研究现状，系统介绍了器官芯片的理论基础、核心要素和应用实例，总结了器官芯片在生物学研究、疾病建模和药物评估等方面的最新进展。此外，本书还介绍了与器官芯片技术发展密切相关的伦理和监管等内容。


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中国科学院大连化学物理研究所理学博士，香港大学理学院访问学者，加拿大多伦多大学博士后、访问学者。2007.10-至今 中国科学院大连化学物理研究所 研究员 2009.11-至今 辽宁省微流控芯片重点实验室 主任 2018.9- 至今 中国科学院大连化学物理研究所 首席研究员 2020.11-至今 中科院大连化学物理研究所 二级研究员器官芯片，干细胞与类器官国际刊物Lab on a Chip，Organs on a Chip主编，英国皇家化学会会士Fellow，VIEW刊物顾问编委， Progress in Biomedical Engineering编委。香港科技大学客座教授，中国科学院未来技术学院生物芯片教研室副主任，中国生物工程学会常务理事，中国生物工程学会器官芯片与微生理系统分会主任，中国应用药理学会理事，中国毒理学会纳米毒理学专委会委员。中国科学院战略性先导器官重建与制造A类专项总体组专家。

目录
第1章 器官芯片概述 1
1.1 器官芯片定义 1
1.2 器官芯片起源与发现 2
1.3 器官芯片与人体系统 4
1.4 器官芯片对生命科学的重要性 5
参考文献 9
第2章 器官芯片材料与制备 14
2.1 芯片设计 14
2.1.1 芯片结构设计 14
2.1.2 流体力学模拟 15
2.2 芯片材料选择 16
2.2.1 聚二甲基硅氧烷 16
2.2.2 热塑性塑料 17
2.2.3 水凝胶 17
2.2.4 玻璃 18
2.2.5 其他 19
2.3 芯片制备方法 19
2.3.1 软光刻 20
2.3.2 3D打印 21
2.3.3 微注塑 21
2.3.4 化学刻蚀 22
2.3.5 其他 22
参考文献 23
第3章 器官芯片的仿生策略 25
3.1 器官芯片模型构建 25
3.1.1 芯片结构设计 25
3.1.2 种子细胞来源 27
3.1.3 细胞基质选择 28
3.2 器官芯片构建仿生要素 28
3.2.1 多细胞组成 28
3.2.2 功能组织界面 29
3.2.3 动态细胞培养 30
3.2.4 生化因子梯度 31
3.2.5 生物力学因素 32
3.2.6 多器官相互作用 33
3.2.7 生物传感集成与智能化 34
3.2.8 器官芯片功能评估 34
3.3 小结 35
参考文献 35
第4章 器官芯片细胞培养 39
4.1 微流体细胞培养原理 39
4.1.1 微尺度流体行为 39
4.1.2 有效培养时间 40
4.1.3 临界灌注率 42
4.2 芯片流体驱动方式 43
4.2.1 被动式驱动 43
4.2.2 主动式驱动 44
4.3 常用细胞培养形式 45
4.3.1 组织界面培养 45
4.3.2 3D细胞球动态培养 46
4.3.3 细胞共培养 47
参考文献 47
第5章 器官芯片功能检测手段 49
5.1 成像分析 49
5.1.1 光学显微成像 49
5.1.2 电子显微成像 50
5.2 生物传感 50
5.2.1 电化学传感 50
5.2.2 光学传感 51
5.3 电学检测 52
5.3.1 跨膜电阻 52
5.3.2 细胞阻抗传感 52
5.4 质谱检测 53
5.5 组学分析 53
5.6 小结 54
参考文献 54
第6章 器官芯片与神经系统研究 57
6.1 概述 57
6.2 神经系统器官芯片模型 58
6.2.1 血脑屏障（BBB）芯片 58
6.2.2 神经血管单元（NVU）芯片 60
6.2.3 神经组织芯片 62
6.2.4 视网膜芯片 62
6.3 主要应用示例 65
6.3.1 神经退行性疾病 65
6.3.2 神经系统罕见病 66
6.3.3 脑卒中 67
6.3.4 感染性疾病 67
6.3.5 药物评估 68
6.4 小结 69
参考文献 69
第7章 器官芯片与呼吸系统研究 72
7.1 呼吸系统概述 72
7.2 呼吸系统器官芯片类型 73
7.2.1 气道芯片 73
7.2.2 肺泡芯片 74
7.3 主要应用领域 76
7.3.1 慢性阻塞性肺疾病 76
7.3.2 肺纤维化 76
7.3.3 支气管哮喘 77
7.3.4 呼吸道感染 77
7.3.5 环境污染物暴露评估 79
7.3.6 呼吸系统药物评估 80
7.4 小结 80
参考文献 81
第8章 器官芯片与消化系统研究 84
8.1 概述 84
8.1.1 肠芯片 84
8.1.2 肝芯片 87
8.2 主要应用示例 90
8.2.1 肠药物吸收 90
8.2.2 炎症性肠病 92
8.2.3 脂肪肝 92
8.2.4 病毒性肝炎 94
8.2.5 药物肝毒性评价 94
8.2.6 肝脏再生 95
8.3 小结 96
参考文献 97
第9章 器官芯片与心血管系统研究 102
9.1 心血管系统概述 102
9.2 心血管系统器官芯片模型 103
9.2.1 血管芯片 103
9.2.2 心肌芯片 105
9.3 主要应用示例 109
9.3.1 血管发育与新生 109
9.3.2 动脉粥样硬化 109
9.3.3 急性心肌梗死 109
9.3.4 长Q-T间期综合征 110
9.3.5 心肌毒性评估 110
9.4 小结 111
参考文献 111
第10章 器官芯片与泌尿系统研究 113
10.1 概述 113
10.2 泌尿系统器官芯片模型 114
10.2.1 肾小球芯片 114
10.2.2 肾小管芯片 116
10.3 主要应用领域 118
10.3.1 慢性肾炎 118
10.3.2 糖尿病肾病 118
10.3.3 药物肾毒性测试 119
10.4 小结 120
参考文献 121
第11章 器官芯片与生殖系统研究 123
11.1 生殖系统概述 123
11.2 生殖系统器官芯片模型 124
11.2.1 子宫内膜芯片 124
11.2.2 胎盘芯片 125
11.2.3 卵巢芯片 128
11.2.4 胚胎培养芯片 129
11.3 主要应用示例 131
11.3.1 子宫内膜异位症 131
11.3.2 宫内感染 131
11.3.3 药物评估 133
11.3.4 辅助生殖研究 133
11.4 小结 134
参考文献 134
第12章 器官芯片与运动系统研究 136
12.1 运动系统主要结构与功能 136
12.2 运动系统芯片模型 137
12.2.1 骨与关节芯片 137
12.2.2 骨骼肌芯片 138
12.3 主要应用示例 140
12.3.1 骨关节炎 140
12.3.2 肌肉修复与再生 140
12.3.3 进行性假肥大性肌营养不良 141
12.3.4 神经肌肉接头研究 141
12.3.5 药物评估 142
12.4 小结 143
参考文献 143
第13章 器官芯片与免疫系统研究 145
13.1 免疫系统概述 145
13.2 免疫系统器官芯片模型 146
13.2.1 骨髓芯片 146
13.2.2 淋巴结芯片 148
13.2.3 皮肤芯片 149
13.3 主要应用示例 149
13.3.1 多发性骨髓瘤 149
13.3.2 疫苗评估 150
13.3.3 糖尿病皮肤病变 150
13.3.4 化合物测试 151
13.3.5 药物评估 151
13.4 小结 152
参考文献 153
第14章 器官芯片在肿瘤研究中的应用 155
14.1 肿瘤微环境概述 155
14.2 肿瘤芯片模型构建 155
14.2.1 多细胞共培养 157
14.2.2 肿瘤血管化 157
14.2.3 力学微环境 158
14.2.4 高通量芯片分析 159
14.3 肿瘤芯片应用研究 159
14.3.1 肿瘤侵袭、转移研究 159
14.3.2 肿瘤血管化 160
14.3.3 肿瘤免疫研究 161
14.3.4 抗肿瘤药物评价 162
14.4 小结 163
参考文献 164
第15章 多器官芯片研究 166
15.1 概述 166
15.2 芯片设计与模型构建策略 166
15.2.1 多器官体系设计 167
15.2.2 流体互联与分配方式 167
15.2.3 器官比例关系 168
15.2.4 器官功能单元共培养 169
15.3 多器官芯片类型 169
15.3.1 两器官互联芯片 169
15.3.2 三器官及以上互联芯片 171
15.4 主要应用示例 172
15.4.1 代谢性疾病 172
15.4.2 神经退行性疾病 172
15.4.3 感染性疾病 173
15.4.4 药物评估 173
15.5 小结 175
参考文献 176
第16章 器官芯片在类器官研究中的应用 178
16.1 概述 178
16.2 主要技术特点 179
16.2.1 可控微环境 179
16.2.2 类器官血管化和免疫化 181
16.2.3 类器官高通量分析 182
16.2.4 类器官间相互作用研究 183
16.3 主要应用 183
16.3.1 组织器官发育 183
16.3.2 生命早期环境暴露 184
16.3.3 疾病建模 185
16.3.4 药物评估 186
16.4 小结 186
参考文献 187
第17章 器官芯片在替代毒理学研究中的应用 193
17.1 概述 193
17.2 替代毒理学新途径技术方法 194
17.2.1 3D细胞模型 194
17.2.2 类器官 194
17.2.3 器官芯片 194
17.2.4 计算毒理学方法 195
17.2.5 组学测试技术 195
17.2.6 整合测试策略 196
17.3 器官芯片在替代毒理学中的主要应用 197
17.3.1 药物毒性测试 197
17.3.2 药代动力学建模 198
17.3.3 安全性评价 198
17.4 小结 199
参考文献 200