人类的工农业生产活动不可避免地造成了环境污染,在各种环境污染中,大气污染备受关注,它不但引发了各种生态问题,而且严重影响人类的健康。各种污染物诱发如慢性阻塞性肺病和哮喘等在内的各种呼吸系统疾病,这不但给生命个体带来了身体上痛苦,而且给家庭和社会带来了沉重的负担。污染物诱发呼吸道疾病的发生机制与发展过程,一直是生物学和医学研究的重点领域。目前,国内外对该领域的研究途径主要有两种:一种是基于体外二维细胞培养模型,另一种是体内实验动物模型。体外细胞培养模型虽然可以简化试验分析因素,但无法实现对微米级尺度的器官组织细胞外微环境进行时空控制和重建;体内动物实验可以提供完整的体内药物代谢通路,然而很难实现对人体内病变过程的实时监测,进而不能准确地预测人体内活动。这两种研究方法都存在着操作繁琐、费时费力和试剂高消耗等缺点,此外后者还不得不面对动物实验面临的伦理问题。由此可见,对各种污染物诱发呼吸道病理事件(如支气管和肺泡炎症)的有效体外重建及其方法学改进仍是深入研究的重要方向。微流控有着微型化、集成化、高通量、低消耗、高灵敏和快速分析等特点,已在药物筛选、临床诊断及仿生学等领域表现出了巨大的应用潜力。鉴于此,本研究课题考虑基于微流控仿生芯片技术研究两种污染物诱发病理事件的有效体外重建机制,以期评估微流控技术在污染物诱发呼吸道疾病的发生机制与发展过程中的应用潜力。本研究首先采用光刻技术和软蚀刻技术,设计构建了化学浓度梯度辅助的微流控细胞芯片和双通道层式微流控芯片两种微流控芯片;接着基于两种仿生芯片系统对两种污染物苯并芘和尼古丁诱发肺组织损伤与炎症应答相关微尺度操作与实时动态分析进行了研究。一、化学浓度梯度辅助的微流控细胞芯片的构建及应用研究。(1)采用光刻技术和软蚀刻技术,设计构建了一种化学浓度梯度辅助的微流控细胞芯片。该芯片由流动层和玻璃基底层组成,其中流动层包括一个化学浓度梯度发生器和一个微腔阵列。化学浓度梯度发生器用于芯片内多浓度梯度的产生,而微腔阵列用于细胞与试剂的灌注输入、细胞停留、细胞培养、细胞检测及液体输出。该芯片能够实现不大于1μLmin-1液流流速范围内浓度梯度发生的高稳定性。(2)基于已构建的化学浓度梯度发生辅助的微流控细胞芯片进行了单个芯片内的不同浓度苯并芘诱导支气管上皮损伤动态的实时和通量分析研究。相比较常规体外研究分析方法而言,该芯片不但实现了苯并芘诱导肺上皮产生多种积极显著的炎症应答甚至损伤凋亡反应,而且芯片内的高剂量苯并芘刺激上皮能够导致更显著的细胞凋亡。二、双通道层式微流控芯片的构建及应用研究。(1)采用光刻技术和多层软蚀刻技术,设计构建了一种双通道层式微流控芯片。该芯片可以满足人肺泡上皮细胞HPAEpiC和人肺微血管内皮细胞HPMEC的区域性接种与黏附生长,并实现该两种细胞的分区域、高活性共培养;进一步形成不同空间区域上皮细胞层与血管内皮细胞层及形成单层细胞间紧密连接;从而构建了基于微流控芯片技术的肺泡组织屏障微型化模型系统。(2)基于已构建的双通道层式微流控芯片,开展了苯并芘和尼古丁分别诱导肺泡上皮和微血管内皮炎症损伤及凋亡相关的多指标参数评估,并进行了芯片内细胞共培养与单培养以及芯片外细胞培养的比较性分析研究。该芯片内共培养微环境能够减少肺泡组织在环境污染物苯并芘和尼古丁刺激过程中的炎症损伤,实现了所构建肺泡组织屏障芯片在不同环境污染物诱导肺泡组织炎症损伤相关细胞与分子水平的动态分析。本研究课题设计构建了两种微流控芯片,并运用所构建的芯片对污染物诱发病理事件的有效体外重建机制及方法学改进进行了研究,说明了微流控技术在污染物诱发呼吸道疾病的发生机制与发展过程研究中的应用潜力,拓宽了微流控技术的应用领域。