细胞芯片是指含有二维(2D)或三维(3D)培养细胞的芯片型微反应器,主要包括带有灌流装置的微流控细胞芯片和非灌流细胞芯片(non-fluidic cell chip,例如静态培养的微孔和微阵列细胞芯片)。在众多材料中,水凝胶作为“软而湿”的材料,与人体组织器官的物理特性最为接近,因此成为细胞芯片构建材料的最佳选择之一。然而,传统的水凝胶在水溶液中会发生显著甚至严重的溶胀,一方面大大削弱了其机械性能,另一方面使其构建的细胞芯片变形或塌陷,从而限制了其应用。基于此,本文首先制备了不溶胀的F127-DA水凝胶,其是一种聚乙二醇和聚丙二醇的嵌段高分子交联网络,具有良好的机械强度和细胞相容性。随后,采用该不溶胀水凝胶构建了肝-血管微流控芯片,模拟人体肝脏的结构与功能。最后,针对复杂组分物质健康性评价的应用,我们将微流控芯片简化为肝和血管的聚球体微孔芯片,并将其作为通量筛选平台,应用于多种中国白酒的健康性评价。本文的研究结果简要叙述如下:首先,利用紫外光引发法制备得到F127-DA水凝胶,确证了其在37℃水溶液中不溶胀的特性,且该不溶胀性不受离子强度和pH的影响。由于其不溶胀性,在水溶液中平衡后的F127-DA水凝胶仍然保持了良好的机械性能(拉伸断裂强度>300 kPa,拉伸断裂应变>1100%;压缩断裂强度>4.6 MPa,压缩断裂应变>93%),且水凝胶结构能稳定维持21天以上。上述物理特性使之适用于水凝胶微流控芯片的构建。因此,我们利用F127-DA水凝胶构建了仿生肝小叶结构的肝-血管微流控芯片,其将人肝细胞HepG2和人肝星型细胞LX-2培养在外通道的微孔中,而将人脐静脉血管内皮细胞(HUVEC)贴壁培养在内通道的底部。随后,对内通道进行灌流培养,而外通道则进行静态培养,用以模拟肝脏中通过血管内血液流动供给肝细胞营养的传质方式。在对内通道灌流6天后,内皮细胞在内通道表面生长汇合,并表达血管内皮生长因子等内皮细胞功能;而外通道的微孔中,HepG2和LX-2细胞在2天内形成了聚球体,在第6天时仍保持高细胞活率,且其肝功能(白蛋白和尿素)表达始终强于静态培养。与现有的肝聚球体微流控芯片相比,该肝-血管微流控芯片更好地模拟了肝小叶中的结构特点和传质方式,因此有望成为肝脏生理和病理研究的较理想的平台。其次,本文针对通量筛选的应用需求,构建了基于不溶胀水凝胶的微孔细胞芯片。通过将肝-血管微流控芯片组织化程度最高的聚球体形成部分进行保留,同时去除灌流装置,改为静态培养,我们成功地构建了肝和血管细胞的聚球体微孔芯片。研究发现:(1)HepG2和LX-2共培养,且添加胶原可以在2天内形成尺寸均一的肝细胞聚球体,并可维持其结构和功能至少10天;(2)将HUVEC与人成纤维细胞共培养,可促进血管细胞聚球体的形成,其高表达血管功能(包括一氧化氮、PGI2和TFPI等内皮因子),并在聚球体内形成血管结构。由于每个细胞芯片仅需约106个细胞,并置于24孔细胞培养板中进行静态培养,因此可基本满足通量实验的要求。最后,采用肝和血管聚球体微孔细胞芯片为平台比较了四种中国白酒与两种伏特加酒的肝和血管健康特性。结果发现,中国白酒会导致肝/血管细胞的活力降低,且其对细胞的毒性与乙醇和伏特加酒没有显著差别,说明其作为酒精饮料仍会显著损害人体健康。但是,中国白酒导致的细胞内ROS上升较少,且一定程度上其对肝和血管功能的损伤也低于乙醇和伏特加酒。这是因为中国白酒中含有较多具有生物活性的非乙醇成分,可能使其导致的健康损害程度小于几乎不含活性成分的伏特加酒。综上所述,本文基于不溶胀水凝胶构建的微流控和微孔细胞芯片,分别有望在器官生理与病理研究,以及药物毒性分析和食品健康性评价等领域具有良好的应用前景。