参考文献：DOI 10.3389/fphar.2025.1579228
1. 微流控芯片在关节炎症模型中的构建与创新
在骨关节炎（OA）研究领域，传统单培养模型因缺乏细胞间通讯而难以模拟体内关节的复杂微环境，而动物模型又存在物种差异导致的生理不匹配问题。针对这一局限，研究团队开发了基于微流控芯片的共培养系统，通过整合人类成骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞及静息态（M0）和促炎态（M1）巨噬细胞，成功构建了健康与疾病状态的体外关节模型。该系统采用 PDMS 芯片加工技术，结合 MEMS 加工工艺，利用 μ-Slide I Luer 微流控芯片实现了细胞在可控流动环境下的共培养，解决了不同细胞类型对培养基需求差异的关键难题。
模型构建中，通过向培养基添加 IFN-γ 和脂多糖（LPS）诱导巨噬细胞向 M1 表型分化，精准复现了 OA 的炎症微环境。这种设计不仅纳入了骨、软骨、滑膜组织来源的细胞，还通过微流控系统的流动控制实现了细胞间的旁分泌信号传递，较传统静态培养更接近在体关节的多组织交互特性。此外，该系统采用患者来源的原代细胞而非诱导多能干细胞（iPSCs），避免了干细胞分化不均导致的表型偏差，提升了疾病模拟的准确性。
2. 微流控技术的核心优势与实验验证
该微流控共培养系统的技术优势主要体现在三个方面：其一，通过 PDMS 键合对准平台实现了芯片内多细胞类型的精准空间分布，确保成骨细胞、软骨细胞等在各自微通道内的有序接种与相互作用；其二，利用 Masterflex® 蠕动泵调控流体剪切应力（0.05 dyn/cm²），模拟关节滑液流动对细胞的机械刺激，同时促进营养交换与代谢物排出；其三，结合 NucBlue™/NucGreen™活死细胞染色、PrestoBlue™代谢活性检测及 LDH 细胞毒性 assay 等方法，全面评估了共培养系统的稳定性。
实验结果显示，健康模型和疾病模型在 24 小时共培养后，细胞存活率分别达到 83.9%±14% 和 83.3%±12%，与单培养（93.3%±4%）无显著差异，且 LDH 释放量未升高，表明细胞膜完整性未受细胞毒性影响。更重要的是，共培养条件下细胞代谢活性显著增强，健康模型和疾病模型的代谢水平分别是单培养的 5.9±3.2 倍和 5.3±3.4 倍，证实了细胞间通讯对维持生理功能的积极作用。这些数据验证了微流控芯片在维持多细胞存活、功能及模拟炎症微环境中的有效性，为 OA 病理机制研究提供了可靠的体外平台。
3. 关键技术支撑与加工工艺
该系统的成功构建依赖于微流控芯片的精密加工与集成技术。芯片基材采用 PDMS 材料，通过光刻胶模具制备与 PDMS 浇筑工艺实现微通道的精准成型，通道尺寸与细胞接种密度（如成骨细胞 40,000 cells/cm²、软骨细胞 80,000 cells/cm²）匹配，确保细胞贴壁与生长空间。芯片加工过程中，结合 MEMS 加工技术实现了微通道的密封与流体接口设计，配合蠕动泵形成闭环流动系统，满足 24 小时静态共培养与动态营养交换的双重需求。
此外，系统在细胞类型选择上兼顾了代表性与可行性：采用人真皮成纤维细胞替代滑膜成纤维细胞，虽存在一定局限，但通过共培养环境中的旁分泌信号部分弥补了功能差异；巨噬细胞由 THP-1 单核细胞分化而来，通过 PMA 诱导为 M0 表型后，再经 IFN-γ 和 LPS 处理获得 M1 表型，标准化的分化流程确保了炎症模型的稳定性。这些技术细节体现了微流控芯片在整合多细胞类型、调控微环境参数方面的灵活性，为复杂器官模型的构建提供了可借鉴的范式。
4. 应用前景与技术拓展
该微流控共培养系统为 OA 研究提供了全新工具，其应用价值体现在两个方面：一是作为病理研究平台，可解析成骨细胞、软骨细胞与免疫细胞间的相互作用，如 M1 巨噬细胞分泌的炎症因子对软骨降解的影响；二是作为药物筛选工具，通过模拟疾病状态下的细胞应答，评估潜在治疗药物的 efficacy 与安全性。
未来，该技术可通过多维度优化进一步提升生理相关性：在细胞层面，引入肥大细胞、浆细胞等免疫细胞，完善炎症调控网络；在环境调控层面，通过调节微流控芯片的流动速率施加机械应力，模拟关节运动对细胞的刺激；在加工工艺上，结合 3D 细胞培养芯片技术，引入 extracellular 基质（ECM）成分，增强细胞外微环境的仿生度。此外，将该系统与器官芯片加工平台结合，有望构建多器官联动模型，探索 OA 与全身代谢的关联，为疾病机制研究提供更系统的视角。 微流控芯片技术的突破为体外疾病建模开辟了新路径。
本文所述的关节炎症模型通过 PDMS 芯片加工、MEMS 集成与多细胞共培养技术，成功复现了健康与疾病状态下的关节微环境，其高细胞存活率、代谢活性及低细胞毒性验证了技术的可靠性。该模型不仅克服了传统研究方法的局限，更通过精准调控细胞间通讯与微环境参数，为 OA 的病理研究和药物研发提供了接近生理状态的实验平台。随着微流控技术与 3D 细胞培养、器官芯片等领域的融合，未来有望构建更复杂的人体关节模型，推动风湿性疾病研究从基础到临床的转化。
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