体外细胞及生物组织的动态培养与药物实验是实现人类第三代医疗并解决药物开发周期长、耗资大等问题的重要手段。微流控芯片技术具有耗材少、响应快、集成度高等优点,特别适合应用于以人类细胞与组织的体外培养及测试为代表的相关领域。片上器官系统(Organs-on-a-chip)是微流控技术在生物医学方向的新突破,其最终目标是将人体主要功能的片上器官芯片连起来形成有机整体,为体外细胞组织培养与药物实验提供模拟人体的动态环境。片上器官系统中流体的合理循环泵送是实现片上器官系统基本功能的前提,但是目前的微流体驱动形式并不能满足片上器官系统的要求,成为片上器官系统研究进程中的瓶颈。因此,探究合理的片上器官培养液的泵送方式对于实现微流控片上器官的核心功能具有重要意义。本文将针对体外细胞及组织芯片的动力源及动态培养等问题展开。依托微型电极结构及交流电场作用的交流电动微流体驱动方式是芯片集成动力源的研究热点,其主要包含交流电渗与交流电热两种方式。交流电渗适用于对电导率较低的流体进行操控,而交流电热适合操控电导率较高的溶液,特别适合成为以生物培养液为代表的高电导率溶液的动力源。本文首先研究交流电热的基本理论,针对线性模型难以准确描述高电导率(大于1.5 S m-1)流体电热行为的问题,建立了多物理场耦合的增强型交流电热模型,并推导了电体积力中多参数随温度变化的表达式,为理论预测交流电热流体驱动特征奠定基础。为探求细胞及组织体外动态培养与传统静态培养的差异性,以传统注射泵为动力源,设计了多功能可重封灌注式生物反应器。反应器中的动态环境对细胞及组织提供了一个模拟人体的动态生存环境。低浓度人体肾脏胚胎细胞(HEK293T)与人体结肠癌细胞(SW620)在芯片中二维平面培养72 h。通过细胞形态、密度、存活率与生长率对比动态培养与静态培养的差异。在芯片中通过对永生化皮肤细胞(Ha Ca T)进行生长期7天、分化期35天的长期动态培养,成功地重建了人体表皮结构。通过对7天生长期培养的单层表皮组织中细胞存活率、生长率、上皮钙粘着蛋白荧光标记染色,及35天分化期后的表皮组织工程学切片的苏木精–伊红及抗原抗体荧光标记染色,对比分析了传统静态培养与灌注动态培养的差异,并说明动态培养的优势。交流电热驱动高电导率流体会在驱动电极周围产生一定的温升,为避免电场及高温对细胞的伤害,将自循环芯片设计成细胞培养区与泵送区分离的环形通道,并用热电偶温度传感器分别对细胞培养区与泵送区进行温度检验。泵送区通过三十对电极产生交流电热驱动芯片中的流体,并用荧光微球作为示踪粒子测量流体驱动速率。以电压幅值为3 V、频率为10 MHz的电信号驱动芯片,对HEK293T细胞与SW620细胞分别动态培养72 h。结果表明细胞生长良好,揭示了交流电热自循环芯片在细胞培养中的优势。对自循环芯片电极参数进行改进,并改良微通道的形状,减少自循环芯片中的流阻。最后,用不同浓度的抗癌药物5-氟尿嘧啶在片上对SW620细胞进行药物实验,得出SW620细胞对不同浓度5-氟尿嘧啶的片上耐药曲线。为解决片上器官系统中不同溶液的混合问题,设计产生混合作用的重组非对称电极。建立三维仿真模型,对混合电极的旋转角度及驱动电压、溶液电导率对混合效果的影响进行详细分析,利用掺杂荧光素的KCl溶液对仿真结果进行实验验证。最后,利用电极倾斜角度为60°的微混合器在电压幅值为3 V时进行细胞抗癌药物浓度梯度的混合实验。选用乳腺癌细胞(MCF-7)在不同浓度乳腺癌特效抗癌药物他莫昔芬中进行药物实验,以验证微混合器的有效性和实用性。