细胞是组成人体的基本单元,细胞研究对于认识疾病的诱因、发展规律及治疗药物的研发具有重要意义。细胞研究主要在体外进行,需要为细胞提供一个动态的、稳定的、与在体情况近似的液体微环境。细胞在体时所处的液体供给脉管体系可以在微流控芯片上近似构建,使细胞微环境的体外模拟和控制成为可能。本文提出了一种基于网状脉序液体输运冗余机制的微流体单元设计方法,分析了仿生微流控芯片内流体流动特性,制作了流场均一稳定、可形成区域化浓度分布的微流控芯片,并应用于细胞培养与肿瘤药物分析。主要研究内容如下:（1）研究了网状脉序液体输运冗余机制。基于网状脉序植物学原理和叶脉特征提取,分析双子叶植物叶脉功能特性、结构特征和尺度变化;分别研究了网状叶脉等级分岔结构、多边形网孔结构和交错排列纹孔结构对液体输运冗余特性的影响,即基于哈根-泊肃叶方程研究了叶脉分岔通道最大化输运效率的条件、基于叶脉闭合度理论和流动熵方程研究了多边形网孔结构抵抗外部液流扰动的能力、采用有限元仿真方法研究了纹孔结构对流场均一性的影响,为细胞培养微流体单元建模提供了理论依据。（2）设计了用于细胞培养、区域药物浓度生成和靶向药物筛选的多种仿生微流控芯片。根据网状叶脉仿生功能提取仿生结构,设计细胞培养微流体单元结构、区域药物浓度生成单元结构和串并耦合细胞共培养单元结构,采用有限元仿真方法分析各单元内流场分布特性;在保证细胞分析单元流场不受影响的前提下,设计了具有立体多层结构的细胞2D培养微流控芯片,采用示踪粒子测速实验方法分析了各仿生微流控芯片内流体流动特性;将串并联耦合细胞共培养单元与圣诞树形浓度梯度发生器集成,通过改变圣诞树形浓度梯度发生器的结构尺寸实现分子级到微米级颗粒悬浮液在混合区的有效充分混合;基于冗余仿生机制设计了一种用于细胞3D动态培养的微流控芯片。（3）制作了 2D/3D细胞培养微流控芯片并研制微流控芯片细胞动态培养装置。采用软刻蚀技术制作PDMS材质微流控芯片基片和盖片,使用可视化对准设备进行多层仿生2D培养微流控芯片的对准键合;制作具有“三明治”结构的3D培养微流控芯片,上层芯片层基于两次光刻技术制作具有凹凸特征的弹性微结构,该结构以过盈配合的方式固定嵌入在下层芯片上的支架并防止支架被冲刷变形,中间支架层采用热场辅助电射流3D打印技术制作;研制适用于微流控芯片细胞动态培养装置,采用分体式设计,利用湿法腐蚀工艺制备ITO加热器,并对温度场进行热力学仿真分析,以PMMA为箱体材料,根据功能配备相关硬件及控制系统进行装置搭建,该装置满足温湿度恒定、无菌、便携、易于与显微镜结合、便于实时观察细胞的要求。（4）将设计制作的仿生微流控芯片应用于细胞培养与肿瘤药物分析。采用仿生2D细胞培养微流控芯片进行多种细胞动态培养,分析细胞生长曲线、存活率和单细胞贴壁面积,验证芯片细胞培养的适用性,研究细胞在不同流速状态下的排列状态和细胞在区域化血清浓度条件下的分布情况,该芯片为研究流体流动对肿瘤排列迁移和细胞趋药性分析提供了实验平台;采用2D细胞共培养与纳米药物筛选微流控芯片进行了 A549细胞和Hela细胞的平行共培养,用于叶酸-胆固醇-壳聚糖（FACC）纳米粒肿瘤靶向作用研究,结合圣诞树形浓度梯度发生器,研究A549细胞和Hela细胞在不用浓度肿瘤靶向治疗纳米颗粒药物叶酸-胆固醇-壳聚糖-紫杉醇（FACC-PTX）下的凋亡,该芯片为研究肿瘤靶向治疗药物作用提供了实验平台。将3D培养微流控芯片用于Hela细胞的3D动态培养,在细胞形态、细胞生长率和细胞存活率方面与2D静态培养进行比较,结果表明3D动态培养条件具有明显优势。