体内几乎所有的细胞,都暴露于由各种细胞和复杂细胞外基质所组成的三维(three-dimensional,3-D)环境中。在一定程度上,细胞的特异性3-D排布,决定了所构成组织和器官的功能。在传统的二维(two-dimensional,2-D)细胞培养体系中,细胞仅仅只能附着在平坦硬质的培养皿表面,缺乏细胞与细胞之间以及细胞与细胞外基质之间的相互作用,不能用来模拟复杂的3-D肿瘤结构的形成,也不能用来研究细胞与细胞外微环境间相互作用。因此,构建体外3-D实验模型,更真实的反映体内的组织环境,对于抗癌研究有非常重要的意义。3-D细胞培养模型,可以更真实地反映体内实体肿瘤的三维空间结构。近些年来,各种各样的三维细胞培养系统被研究者们所使用,但最受欢迎、最有效的模型就是多细胞肿瘤球。通过不同的技术手段可以获得多细胞肿瘤球,相比于传统的2-D细胞培养系统以及其它的多细胞肿瘤球获取方法,利用微流控芯片技术获取多细胞肿瘤球具有更显著的优势。在本论文中,描述了一个稳定可靠的微流控实验装置,基于微流控和微加工技术,成功的获取了具有精确控制尺寸,大小均一以及可实时调整水凝胶基质组分的壳核式水凝胶细胞微球,为操控细胞及其微环境提供了更有效的平台。为了更好地理解凝胶微球形成的机制,基于多相流数值模型,本研究利用COMSOL Multiphysics软件对微液滴的生成过程以及流场的演化过程进行了数值模拟。仿真模拟结果观察到了尺寸对流速的依赖性以及涡流对壳核式微球结构形成的影响,与实验结果有很好的一致性。主要工作包括以下三个方面:(1)微流控芯片的设计和制作:利用L-edit软件设计芯片的几何结构,采用软光刻技术以及表面等离子体键合技术等,制作了符合实验要求的PDMS微流控芯片。此外,基于多相流数值模型,对所设计的微流控芯片中液滴生成的动力学过程进行数值仿真模拟,仿真结果证明了芯片设计结构的可行性,为后续芯片实验操作提供了重要的参考依据。(2)水凝胶微球获取:使用微流控芯片成功的获取了大小尺寸均一的凝胶微液滴,实验结果也验证了仿真模拟结果的正确性。利用实验方法和数值模拟方法,针对油相流速对液滴大小的影响进行了研究,实验结果和数值仿真结果有很好的一致性。此外,在两水相流速比变化的情况下,探究了芯片通道内荧光强度的分布,证明了微流控芯片可以实时调整凝胶微球的基质组分。(3)包裹细胞的壳核式凝胶微球获取:搭建了受控的低温冷却装置,结合微流控芯片技术,成功的将肿瘤细胞包裹到壳核式的凝胶结构中。实验发现油相O2的流速对壳核式结构的形成具有显著的影响。利用COMSOL Multiphysics软件,对液滴生成过程中变形液滴内流场的演变过程进行了数值模拟,发现由于增大的油相速度使得水相受到了更大的压力和剪切力的作用,导致流场产生了不稳定的涡流。不稳定涡流的出现破坏了异质的壳核分层结构,数值仿真结果和实验结果有很好的一致性。异质的壳核式微球结构,为更好的模拟体内细胞外微环境,以及观察细胞和细胞外基质间相互作用提供了可能性。此外,通过标准的吖啶橙和碘化丙锭(AO/PI)双染色法,对四种不同的水凝胶组分中癌细胞的增殖和活性进行了评估。