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器官芯片的多维度跃迁：从结构仿生到功能性涌现的科研新范式

EngineeringForLife · 公众号 · · 2025-03-07 00:00

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当我们用芯片模拟了心脏的跳动、肝脏的代谢、甚至血脑屏障的选择性通透——却依旧无法复现一个5mm³肿瘤微环境的功能耦合，这暴露了器官芯片技术最深的困境：结构仿生≠功能涌现。

2025年开年的15篇顶刊研究（包含一篇Nature Protocols），正在改写这条技术进化路径：从周细胞调控的血管网络重构，到呼吸-蠕动双重力学反馈系统的建立，研究者们开始触及器官芯片的"功能黑箱"。下面，我们将聚焦于器官芯片（Organ-on-a-Chip, OoC）技术，从技术创新、生物医学应用及未来发展潜力来分析其主要研究方向和值得关注的重点。

2025年最新顶刊研究都在聚焦哪些方面？

1.技术创新与平台开发

器官芯片技术的核心在于开发新型平台和工具，以更精确地模拟人体器官功能。以下最新相关研究从不同角度探讨了这个命题：

主要研究方向

（1）快速分离与分析：文献[1]开发了一种双树枝状磁性微纤维，用于从微量生物液体中快速分离和分析细胞外囊泡（EVs），提升了液体活检的效率。

（2）血管化技术：文献[3]探讨了生物制造技术在肾脏类器官中的应用，解决血管化难题；文献[9]通过非实质细胞移植实现了肝胆类器官的预血管化。

（3）传感器集成：文献[5]开发了水凝胶应变传感器，用于动态器官芯片的生物力学监测；文献[6]综述了传感器与器官芯片结合的设计与应用。

（4）新型制造方法：文献[7]提出了多材料电液动力打印技术，并制造了亚微米级3D金柱用于电生理记录；文献[14]提出了一种光图案化方法，用于创建可灌注微通道。

2.生物力学与微环境模拟

模拟生理微环境（如剪切力、蠕动）是器官芯片的重要功能，具体研究细节如下：

（1）剪切力影响：文献[10]研究了微生理系统中的生理剪切力如何减轻关节炎模型中的软骨损伤。

（2）蠕动作用：文献[11]通过肠道芯片揭示增强蠕动可减少纳米塑料诱导的炎症。

（3）呼吸动态：文献[8]开发了可吸入黏液纤毛芯片，模拟肺部清除动力学。

3.药物筛选与疾病模型

器官芯片在药物开发和疾病研究中展现出巨大潜力：

（1）疾病模型：文献[2]建立了血管微生理系统，研究器官保存和再灌注中的内皮屏障功能；文献[12]综述了胶质母细胞瘤芯片在药物筛选中的进展。

（2）治疗研究：文献[13]开发了一种MMP-9响应性水凝胶，通过抑制内皮细胞铁死亡促进糖尿病伤口愈合。

4.特定组织研究

（1）肌肉骨骼系统：文献[15]综述了肌肉骨骼器官芯片在纳米技术与生物学界面研究中的应用。

都有哪些值得关注的点？

2025年器官芯片研究值得关注的点

1.血管化问题：文献[3、4、9]等强调了血管化在器官芯片中的关键性，未血管化的类器官在长期培养和功能维持方面受限。

2.实时监测：传感器集成文献[5、6]使器官芯片能够实时捕捉生物信号，为动态研究提供了新工具。

3.生物力学作用：文献[10、11]表明机械力（如剪切力、蠕动）对细胞行为和疾病进程有显著影响，值得深入探索。

4.个性化与高通量：文献[9]的高通量预血管化技术和文献[1]的微量分析技术为个性化医疗提供了基础方案。

5.材料创新：新型材料（如水凝胶、磁性微纤维）在提升芯片性能方面发挥了重要作用[5、13、14]。

想开展创新性研究，从哪里切入？

基于上述分析，我们认为以下是几个具有创新潜力的研究方向，适合再生医学与组织工程科研er进一步探索：

创新性切入点

1.多器官芯片集成

当前研究多集中于单一器官，开发多器官芯片可模拟器官间的相互作用，研究全身性疾病或药物代谢路径。

2.个性化医疗

利用患者来源细胞构建个性化器官芯片，结合文献[1]的微量分析技术，可用于个体化药物筛选和治疗优化。

3.人工智能与大数据融合

将AI技术应用于器官芯片数据分析，预测疾病进展和药物效果，提升研究效率。

4.环境毒理学研究

基于文献[11]的纳米塑料研究，扩展到其他环境污染物（如重金属、PM2.5）对器官的影响。

5.再生医学突破

结合文献[9]的非实质细胞移植技术和文献[13]的铁死亡抑制策略，探索组织再生新机制。

当我们在微流控芯片中重建了血管网络、模拟了代谢对话、甚至预演了纳米毒性时，这不再是简单的技术迭代，而是一场关于生物制造的再认知。而此刻，我们需要撕掉「器官芯片」的玩具标签，完善临床级验证标准；充分利用好学科交叉的「混血优势」，下一个突破说不定就是来自于某次与临床医生的深度探讨。

当芯片可以比患者更早感知疾病征兆，你是选择做沉默的观察者，还是成为干预命运的执剑人？

参考资料：

[1]标题：Surface Double Dendritic Magnetic Microfibrils for Rapid Isolation and Proteomic Profiling of Extracellular Vesicles from Microliters of Biofluids.

来源期刊：ACS Nano

PMID: 39996590

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39996590/

[2]标题：Vascular Microphysiological System for Investigating Endothelial Barrier Function During Organ Preservation and Reperfusion.

来源期刊：Small

PMID: 39972937

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39972937/

[3]标题：Application progress of bio-manufacturing technology in kidney organoids.

来源期刊：Biofabrication

PMID: 39933190

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39933190/

[4]标题：Pericytes Promote More Vascularization than Stromal Cells via an Interleukin-6-Dependent Mechanism in Microfluidic Chips.

来源期刊：Adv Sci (Weinh)

PMID: 39887579

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39887579/

[5]标题：Hydrogel Strain Sensors for Integrating Into Dynamic Organ-on-a-Chip.

来源期刊：Small

PMID: 39846814

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39846814/

[6]标题：Sensor-combined organ-on-a-chip for pharmaceutical and medical sciences: from design and materials to typical biomedical applications.

来源期刊：Mater Horiz

PMID: 39801302

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39801302/

[7]标题：Multi-material Electrohydrodynamic Printing of Bioelectronics with Sub-Microscale 3D Gold Pillars for In Vitro Extra- and Intra-Cellular Electrophysiological Recordings.

来源期刊：Adv Sci (Weinh)

PMID: 39792774

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39792774/

[8]标题：Inhalable Mucociliary-On-Chip System Revealing Pulmonary Clearance Dynamics in Nanodrug Delivery.

来源期刊：ACS Nano

PMID: 39772499

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39772499/

[9]标题：High-Throughput Formation of Pre-Vascularized hiPSC-Derived Hepatobiliary Organoids on a Chip via Nonparenchymal Cell Grafting.

来源期刊：Adv Sci (Weinh)

PMID: 39755926

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39755926/

[10]标题：Microphysiological System-Generated Physiological Shear Forces Reduce TNF-alpha-Mediated Cartilage Damage in a 3D Model of Arthritis.

来源期刊：Adv Sci (Weinh)

PMID: 39716911

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39716911/

[11]标题：Gut-on-a-Chip Reveals Enhanced Peristalsis Reduces Nanoplastic-Induced Inflammation.

来源期刊：Small

PMID: 39587010

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39587010/

[12]标题：Recent Developments in Glioblastoma-On-A-Chip for Advanced Drug Screening Applications.

来源期刊：Small

PMID: 39535474

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39535474/

[13]标题：MMP-9 responsive hydrogel promotes diabetic wound healing by suppressing ferroptosis of endothelial cells.

来源期刊：Bioact Mater

PMID: 39386223

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39386223/

[14]标题：Facile photopatterning of perfusable microchannels in hydrogels for microphysiological systems.

来源期刊：Nat Protoc

PMID: 39266725

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39266725/

[15]标题：Musculoskeletal Organs-on-Chips: An Emerging Platform for Studying the Nanotechnology-Biology Interface.

来源期刊：Adv Mater

PMID: 38491868

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38491868/

来源： EngineeringForLife

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