在过去的数十年里,越来越多的研究证明大多数贴壁细胞具有机械敏感性,说明微环境的力学性质对绝大多数细胞的行为有着深刻的影响。探究癌细胞中机械信息传递背后的分子机制,可以从机械生物学角度了解疾病的发生发展规律,进而可开发更具针对性的诊疗方法,为癌症的预防、检测和治疗奠定重要基础。这意味着,模拟体内肿瘤组织独特的机械力学性质和生理性质对于体外研究的准确性至关重要。然而肿瘤微环境复杂多变,且机械性能范围广、差异大,因此开发不同维度的肿瘤仿生平台来极大程度还原不同肿瘤的机械微环境是目前的研究重点。在本论文中,我们利用微流控技术结合生物相容性好、力学性能稳定的水凝胶材料模拟了不同维度的肿瘤机械微环境,从而对肿瘤细胞的重要行为进行一系列研究。主要研究内容如下:1.提出并制作了一种二维仿生多因子刺激平台,该平台可以方便地创建一个刚度可控的二维基质,并可以通过添加外源物顺利引入生化因子刺激。结果表明,细胞外基质（ECM）刚度可以促进细胞的拉伸,表明进一步加强了细胞在二维基质上的粘附,促进细胞增殖。细胞内吞效率对基质刚度的响应也存在明显差异:相同尺寸和形状,但不同电荷的纳米颗粒在较硬的基质上被内吞的更多。此外,在细胞外空间中作为能量储存和生产者的无机聚磷酸盐（polyP）首次被证明可以通过增加ATP代谢来协同促进细胞伸展、黏附、增殖及内吞行为。这些结果探索了微环境性能对胶质瘤机制反应的影响,有力地证明了这种仿生多因素刺激方法能够为体外仿生细胞培养和纳米粒子样药物胞吞效率的研究提供有价值的启发。2.在成功构建二维平台的基础上,提出了一种制备刚度广泛可调的三维凝胶微球的方法,为肿瘤转移深层次分析提供重要基础。通过将生物可降解聚乳酸（PLA）纳米纤维与不同浓度Ca2+的改性藻酸盐混合,在保持孔隙大小的同时,显著提高了微凝胶的刚度范围,从而可有效模拟肿瘤微环境。结果表明,当添加2.0w/v%PLA短纳米纤维时,改性藻酸盐的杨氏模量增加了三倍以上,制备的微凝胶具有良好的生物相容性。进一步将细胞封装在模拟了乳腺肿瘤的力学特性的三维微凝胶中,分析了两种典型乳腺癌细胞系MCF-7和SUM-159的细胞行为。软质微凝胶球中的MCF-7和SUM-159细胞除了保持较高的存活率和增殖率外,还表现出较强的迁移能力,RT-qPCR分析揭示了其在遗传水平上的潜在变化。系统的研究结果表明,该方法可以有效地创建可广泛调节的三维力学微环境,细胞行为分析结果也表明,该方法在肿瘤发生和进展中具有广阔的应用前景。3.在上述三维基质刚度微凝胶模型研究的基础上,进一步提出了一种创新的策略来对三维微环境的不同区域进行机械差异的构建。我们通过使用具有浓度梯度的改性海藻酸盐水凝胶,结合微流控的方法制作了具有刚度差异的核壳以及三层核壳结构,高通量、高均一性地实现了在微小三维空间内的机械刚度的逐层增加或者减小。在生物应用方面,我们将MCF-7乳腺癌细胞包封在构建的软核硬壳和硬核软壳水凝胶微球的不同区域,观察到在10天内细胞均有良好的活性。证明了该具有局部机械微环境差异的三维仿生微凝胶是研究非均匀机械线索对其内部细胞相关行为的理想模型。为后续非均匀刚度组织的体外模拟提供了研究基础。