细胞分析在理解生命过程和生物机理中发挥着重要作用。微流控芯片结构设计灵活,消耗低,易于集成和自动化,作为一种细胞分析工具拓展了细胞生物学的研究方式。传统微流控芯片制作过程复杂、设备昂贵,限制了微流控芯片在细胞生物学中的应用。本论文利用灵活、直接和快速成型的3D打印技术制作微流控芯片,将3D打印微流控芯片与生物兼容性好的纸芯片、PDMS膜联用构建了一系列小型细胞分析平台,可用于基于细胞的化合物活性分析,研究氧气/溶氧浓度梯度对细胞的影响及探讨其作用机理。本论文的研究内容如下:（1）3D打印微流控浓度梯度芯片和纸芯片复合细胞分析平台的构建基于细胞的化合物活性检测通常是在细胞培养板中进行,配置和分配不同浓度刺激物的操作比较繁琐;细胞在多孔板中以二维方式生长,不能模拟体内的三维生长方式;多孔板是一个开放的培养体系,易挥发物质的浓度会随时间变化,给检测结果带来不确定性。我们将3D打印微流控芯片和纸芯片联合构建了一个细胞分析平台,3D打印芯片包括上、下两层,上层是嵌有“圣诞树”网络结构的浓度梯度形成层,下层是带有培养室的细胞培养层,纸芯片置于3D打印芯片的下层培养室内作为细胞培养的载体,上层流出液能对下层细胞进行连续稳定的浓度梯度待测物刺激。上、下层的结构设计,将浓度梯度形成层和细胞培养层分开,不仅方便芯片中细胞的种植,还能避免细胞存留在培养腔之外的管道堵塞液流通道。纸芯片作为细胞培养和分析的介质,能够实现类似体内的三维细胞生长方式,节省细胞染色分析时的试剂用量。在液体注射流速为2.5μL/min时,3D打印微流控芯片能形成较好的浓度梯度;细胞培养的结果显示,该平台上培养的细胞具有良好的生长活力和细胞形态。（2）3D打印微流控浓度梯度芯片和纸芯片复合平台用于研究硫化氢对肿瘤细胞及细胞内活性分子的影响硫化氢（H2S）是细胞内的气体信号分子,在许多生理和病理过程中起着重要作用。H2S对肿瘤细胞增殖活性的影响一直存在争议,相关的H2S实验通常在多孔板中进行,在开放式的多孔板中细胞培养体系,H2S很容易挥发,影响实验结果的稳定性和可靠性。为此,我们在构建的3D打印微流控浓度梯度芯片和纸芯片复合平台上研究了连续低浓度的H2S对肝癌细胞SMMC-7721的影响。结果表明,低浓度的H2S连续作用于肿瘤细胞通过诱导细胞凋亡抑制其增殖,其作用机理为:H2S进入肿瘤细胞后,与细胞内的NO相互作用,形成具有生物活性的多硫化物中间产物,诱导肿瘤细胞发生一系列生理变化,最终导致细胞凋亡。（3）3D打印微流控芯片氧气浓度梯度细胞分析平台的建立及其应用污染导致的环境低氧日益加重,为了研究细胞在低氧环境下的生理反应,低氧灌注室、低氧工作站被用来创造低氧环境,但这些设备价格昂贵且不能提供生理的低氧梯度。我们将空气和氮气同时灌注到3D打印微流控芯片中产生氧气浓度梯度,联合硝酸纤维素（nitrocellulose,NC）膜纸芯片作为3D打印芯片中细胞培养的基底,构建了一个氧气梯度细胞分析平台,该平台能在短时间内产生稳定的线性氧气浓度梯度。生物兼容性高的NC膜纸芯片作为3D打印芯片中细胞培养和分析的基底,不同于仅依赖荧光成像法的传统PDMS氧浓度梯度细胞培养芯片,该平台上处理的细胞可以用荧光成像法、流式细胞法、Western blot法、q PCR等多种方法进行分析。以斑马鱼胚胎细胞株为模型在该平台上研究了氧气梯度对斑马鱼细胞周期、细胞内信号分子和基因表达的影响。斑马鱼细胞在氧气梯度平台上培养后,细胞内的氧水平也呈现梯度变化;低氧引起斑马鱼细胞内的活性氧物种增加,并使低氧诱导因子HIF-1α在细胞中积累;HIF-1α进一步刺激细胞内血管内皮生长因子（VEGF）基因转录以生成更多的血管增加氧供给;同时,低氧将斑马鱼细胞周期进程阻滞于G0/G1期,细胞周期阻滞使细胞停止增殖来维持低氧条件下的细胞活力。（4）3D打印微流控芯片溶解氧浓度梯度平台的建立及其应用水体低氧已成为严重的环境问题,为了研究低氧对水生动物的影响,迫切需要简单的低氧平台。我们采用3D打印技术一步制作微流控芯片,两路不同溶氧浓度的液体通过3D打印芯片“圣诞树”结构管道网络能够产生出包含多个溶氧浓度的溶氧梯度,透明、生物兼容性高的PDMS膜作为细胞培养的底物,水生动物的胚胎、幼体则可以直接培养在3D打印芯片的生长室中,接受不同溶氧浓度的培养。经验证,3D打印芯片中产生的溶氧浓度梯度与理论溶氧浓度具有较好的线性相关性;平台具有良好的生物兼容性,斑马鱼细胞和胚胎在其内部长时间培养状态良好。在构建的溶氧梯度平台上,以胚胎孵化时间短、身体透明的斑马鱼为模式生物,从细胞、胚胎和幼体三个水平研究不同溶氧浓度对斑马鱼的影响。结果发现,低氧使斑马鱼细胞、胚胎和幼体内都产生了活性氧,最终导致细胞凋亡和发育损伤;低氧胁迫使斑马鱼细胞内NO含量增加,而NO可能是鱼细胞在低氧环境中产生的保护分子,来对抗低氧的不良影响;低氧降低了斑马鱼胚胎的孵化率,同时抑制胚胎的心率,而对幼鱼的心率没有明显影响。