工程9（2022）131研究生物制造-评论用于器官芯片系统的工程化血管系统Abdellah Aazmia，b，#，Hongzhao Zhoua，b，#，Yuting Lia，b，Mengfei Yuc，Xiaobin Xud，吴宇彤a，b，马良a，b，张斌a，b，杨华勇a，b，张浙江大学流体动力与机电一体化国家重点实验室，浙江杭州310058b浙江大学机械工程学院，浙江杭州310058c浙江大学医学院附属口腔医院，浙江杭州310003d同济大学材料科学与工程学院，上海201804阿提奇莱因福奥文章历史记录：2020年12月11日收到2021年4月7日修订2021年6月20日接受2021年8月19日网上发售保留字：器官芯片血管生物打印肿瘤芯片A B S T R A C T器官芯片技术是一种很有前途的三维动态培养方法，可确保细胞培养的准确性和高效性，在临床前试验中具有替代动物模型的巨大潜力。循环系统是人体中最丰富的器官，在氧气交换和质量传递中起着至关重要的作用，这是组织和器官存活的决定因素。因此，必须将循环系统集成到器官芯片中，以重建组织和器官微环境以及生理功能。本文综述了血管系统和新兴的器官芯片技术之间的协同作用，该技术提供了更好的复制生理和疾病特征的可能性。此外，我们回顾了血管化器官芯片制造过程的不同步骤，包括使用不同生物制造策略的结构制造和组织构建。最后，我们概述了这项技术在器官和肿瘤培养的迷人和快速发展领域的适用性©2021 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍研究人员在开发和测试对抗致命疾病的药物然而，一种药物的完成和批准需要大约12年的时间，有时可能会导致数百万人死亡[1]。此外，在新药的临床前试验阶段使用二维（2D）细胞培养模型和动物模型导致过去十年的批准率较低[2，3]。2D细胞培养未能准确预测药物的作用主要是由于这些培养物与三维（3D）微环境及其静态培养条件之间缺乏相似性，并且动物模型昂贵且在解剖学上不同于人体。因此，最近开发了新的体外细胞培养方法，以实现充分和有效的检测[4，5]。一方面，对器官芯片技术的研究推动了细胞培养方法向更高的准确性发展。一般来说，*通讯作者。电子邮件地址：liangma@zju.edu.cn（L. Ma），yhy@zju.edu.cn（H. Yang）。#这些作者对这项工作做出了同样的芯片上器官可以定义为包含器官特异性细胞并模拟器官水平功能的微流体装置它也是一个有用的工具，可以很容易地控制，分析，最重要的是，可以在一个小型化的体积模拟复杂的组织这种新方法可以说比传统的2D单层静态细胞培养方法更具优势，已被证明在培养人体组织的能力、成本以及伦理和公众关注方面是动物模型的更好替代方案[6]。器官芯片设备的可行性是另一个主要的激励因素，促使研究人员将其应用于模拟几个人体器官，如心脏[7另一方面，模拟体内器官需要对其功能的详细了解人体中最丰富的器官是血管系统，血管的循环系统将氧气和营养物质运送到其他身体系统，包括呼吸系统、消化系统、肾脏和泌尿系统。因此，脉管系统在维持身体处于稳态和确保视器官功能方面起着重要和因此，将营养和氧气供应系统（换句话说，脉管系统）整合到芯片上的器官中对于重建器官的微环境和生理功能是必要的（图1）。①的人。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.06.0202095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engA. Aazmi，H. Zhou，Y. Li等人工程9（2022）131132Fig. 1.血管系统和器官芯片的主要功能，以及它们在血管化器官芯片上的交叉点。(a)包括毛细血管和血流的循环系统示意图;（b）芯片上器官的基本结构和化合物在这篇综述中，我们专注于血管化器官芯片装置的构建。首先，脉管系统和器官的芯片制造过程中，特别注意两个关键步骤：芯片结构的制造和组织brachec-tion。将脉管系统应用于几个器官芯片和肿瘤芯片设备的重要性将通过描述各种最近的和高度准确的模型来证明，这将有助于确定一个新的，有前途的药物筛选途径。2. 血管化器官芯片芯片上器官和血管化芯片上器官已经使用几种创新方法制造[25]。这些方法根据模型中要实现的目标特性而有很大不同一般来说，芯片上器官装置的制造分为五个步骤完成（图1）。 2）的情况。第一步是设计器官芯片平台并对其进行3D建模。下一步是使用基于光刻的方法或允许使用兼容材料的其他方法来制造器件的结构。在制造装置之后，通常使用微流体或生物打印策略来实现组织构建器官芯片通常是由于组织的复杂性和装置的结构，微制造方法由几层构成;此外，微制造方法在工艺的第二步中具有限制，其需要结合步骤来连接所有部件并形成芯片。然后将该装置连接到携带营养物或药物的流体循环系统，从而可以精确控制整个系统。在一些相关研究[26最后，实现了平台结构的制造和组织的生物打印，这是最具挑战性和最重要的步骤，特别是在创建用于器官芯片的血管化组织中;我们已经详细描述了它们。2.1. 器官芯片平台的第一个是预制步骤，包括使用计算机辅助设计设备并在3D中对其建模，包括盖、组织腔室、组织结构和流体通道。随后，当选择3D打印策略时，将其转换为标准三角形语言文件。值得注意的是，对于血管化器官芯片的构建，该步骤需要额外的脉管系统建模[29]。因此A. Aazmi，H. Zhou，Y. Li等人工程9（2022）131133图二. 芯片上器官装置的制造过程。选择合适的血管模型是最重要的。基于项目的目标（诸如脉管系统的几何复杂性或高功能效率）来选择脉管系统模型由于目前血管模型的进展仍然没有导致完整的模型，因此选择合适的模型可以发挥不同生物制造方法的优点和缺点，这将在本文后面进行描述。2.2. 制造装置结构目前，微加工方法正在使用文献中描述的各种技术进行激烈的开发因此，下面的部分将集中在新开发的方法，最常用的光刻为基础的方法，（包括软光刻和光刻方法），和其他非光刻方法。2.2.1. 软光刻法软光刻是一种广泛用于使用预制模具复制结构的方法[30]。名字中的“软”来自于材料的弹性。聚二甲基硅氧烷（PDMS）通常被认为是最适合这种方法的材料。软光刻的主要优点是其高的微尺寸精度和成本效益。它涉及复制模塑（REM）、微接触印刷、微毛细管中的微模塑、微传递模塑和溶剂辅助微模塑。通常，REM是最流行的软光刻方法。REM方法开始于构造将用于二次交叉连接材料的主模具在这种材料成型后，模具被分离，然后以反向模式复制[31]。Zheng等人使用了相同的过程[32]在芯片上创建微血管，使血管造影研究成为基因活性和内皮化微流体血管的血栓形成性质。此外，Miali等人[33]证明了该方法的通用性，即REM过程用于创建受常春藤叶启发的真正复杂的微血管网络。将新鲜收集的叶子用胶带粘上以在PDMS模具中获得负性印刷接下来，复制品用于创建SU 8 -5模板，并实现模仿人类脉管系统的复杂几何和生物学特性的夹层系统。类似地，Nie et al.[34]考虑将真实体内血管网络的复杂结构他们选择在三个不同的层次上进行（图。[34]。首先，为了制造高分辨率模板，将3D打印集成到该过程中。使用了经典的浇铸、剥离和粘合工艺，但有趣的是，将其与双重交联策略相结合，以获得中空平台，从而允许最后一步，特定的细胞负载。2.2.2. 光刻法光刻（也称为光学光刻或紫外（UV）光刻）是基于将部分从掩模转移到块体或薄膜[35该技术实现了几纳米范围内的高精度，并允许制造相对复杂的结构，使其成为构建血管样微通道的准确和然而，这是一种耗时且相对昂贵的方法。在最近的一项研究中，Fenech等人[38]提出了一种新的基于血管造影的技术，用于制造几何形状接近真实天然血管的血管该工艺基于使用背面照明和光学漫射器来创建SU-8光致抗蚀剂模具，该模具具有可控的圆形部分和高度与宽度之间的直接比例（图3（b））[38]。A. Aazmi，H. Zhou，Y. Li等人工程9（2022）131134图三.血管化平台的微制造方法。(a)软光刻方法：使用3D打印和双交联技术的多尺度血管芯片的制造过程。GelMA：明胶-甲基丙烯酰基。（b）光刻法：左边是一种新的光刻技术，右边是标准的光刻技术。（c）非光刻方法：SMART工艺用于制造微通道。PC：聚碳酸酯。1巴= 105帕。（a）经英国皇家化学学会许可，转载自参考文献[34]，©2020;（b）经英国皇家化学学会许可，转载自参考文献[38]，©2019;（c）转载自参考文献[[39]经Wiley-VCH Verlag GmbH和KGaA公司许可，©2018。2.2.3. 非平版印刷法尽管基于平版印刷的方法有几个局限性，但研究人员从未停止过改进它们，并提出解决这些问题的方法在体外血管的微制造中最常遇到的限制之一是重新创建圆形横截面，这促使A. Aazmi，H. Zhou，Y. Li等人工程9（2022）131135Kappings等人[39]开发了一种名为vasQchip的新技术。一般说来，为了简化机器函数的一个元素，最好寻找它的对称性。因此，相同的推理可以应用于真实脉管系统的管状几何形状以创建简化模型。在同一项研究中，研究小组构建了一个带有多孔微通道的半圆形支架通道的制造过程被称为通过热成型的基底改性和复制（SMART）技术。 它首先用重离子照射聚碳酸酯薄膜，然后使用微热成型工艺来创建半圆形形状以粘合微通道（图1）。[39]。然而，没有最近的研究已经证明了使用SMART技术制造多尺度和普遍存在的脉管系统结构的能力2.3. 构建血管化组织在过去的十年中，几个研究小组提出了三种构建血管化组织的模型，包括基于内皮屏障的模型和基于血管形成的模型（血管生成和血管发生模型）（图4）[40，41]。内皮屏障模型涉及通过在器官芯片装置壁上图案化内皮细胞（EC）来创建3D结构[42通常，选择该模型是因为其可行性和可控性，尽管其对于模拟血管生成和血管发生不可靠血管生成模型是基于内皮细胞的分化和新生血管网络的形成。血管生成模型通过从现有血管生长和发芽新毛细血管来构建[48更重要的是，Wang等人[54]实现了基于内皮屏障的模型和基于血管形成的模型之间的协同作用，以创建允许动脉/静脉和毛细血管网络之间紧密连接在选择脉管系统模型之后，必须选择用于微脉管系统和器官组织的制造策略。存在两种主要策略：微流体策略，其使用靶细胞在明确定义的微流体条件下的微机械和生物化学行为，以控制它们在装置中的定位;以及生物打印策略，其基于直接细胞或组织沉积。2.3.1. 微流控策略将EC集成到器官芯片设备中是确保血管-器官相互作用的基础微流体物理学是用于在微物理学系统中控制细胞的最古老最广泛使用的方法微流控策略涉及在灌注的细胞上施加微流控压力，以在某些结构和功能条件下封装它们有两种主要的微流体方法，即壁捕获方法和微胶囊化方法（也称为自组装方法）。2.3.1.1. 壁陷法在芯片上器官装置中重建脉管系统可以通过将EC捕获在壁中来实现。壁陷法适用于构建内皮屏障模型。该方法基于通过包含多孔膜、细胞外基质（ECM）或水凝胶的微流体通道灌注细胞。然后将接种的细胞固定在通道的侧壁中以形成内皮屏障。如果使用多孔膜，则使用先前描述的微制造技术来构造多孔膜，并且通常认为PDMS是膜材料的合适选择。事实上，膜可以培养不止一种类型的细胞。因此，它可用于研究细胞间的相互作用，尽管由于细胞的两侧部分被膜覆盖，因此不能保证细胞两侧之间的完全接触。类似地，van Engeland等人[56]将膜视为内部弹性层，并将微流体上侧的EC和另一侧的血管平滑肌细胞（VSMC）共培养。PDMS的弹性特性允许在血液动力学条件下以及在血管膜的不同机械拉伸和松弛状态下检查EC-VSMC质疑维数和个数见图4。 血管模型示意图，包括内皮屏障模型、血管生成模型和血管生成模型[40，41]。A. Aazmi，H. Zhou，Y. Li等人工程9（2022）131136膜中孔的尺寸对于设计多孔膜是必不可少的。孔径大小对渗透性和纳米颗粒迁移有直接影响。因此，它影响药物迁移和其他生物学现象，如肿瘤转移[57]。然而，总的来说，基于多孔膜的壁捕获方法面临显著的限制，因为膜通常是平面的并且缺乏体内脉管系统的中空方面。除了多孔膜之外的另一种选择是水凝胶来捕获接种的细胞。通常，选择胶原蛋白或纤维蛋白凝胶来产生内皮壁，其可以使用ECM凝胶来构建。水凝胶的使用有利于产生管腔化通道。虽然中空结构的制造在不诉诸生物打印方法的情况下仍然具有挑战性，但管状物体如针可以用作在交联水凝胶后的过程中稍后移除的图案[58]。此外，基于水凝胶的壁捕获方法允许与周围细胞充分相互作用，而不使用中间膜。尽管壁捕获方法主要用于内皮屏障模型，但Pauty等人[59]能够将其用于血管生成模型。研究小组使用PDMS芯片来支持胶原蛋白凝胶，其中牛血清白蛋白（BSA）涂层针灸针插入和撤回，以生成中空的微通道结构。将人脐静脉内皮细胞（HUVEC）注射并捕获在微通道壁中。接下来，使用血管生长因子，从初始血管化的微通道诱导发芽。这种方法已被证明是一种有效的工具，用于研究抗血管生成药物，除了测试血管生成和血管结构的渗透性。最后，壁陷法可以被认为是一种快速的选择在体外重建平面或中空脉管系统，使用弹性膜或水凝胶捕获EC。然而，目前用于挖空支撑水凝胶的方法是不准确的，并且不能克服精确的几何和尺寸约束。此外，细胞接种过程产生高剪切应力，这会损害被捕获的细胞。2.3.1.2. 微胶囊化方法在形态发生条件下使用微流体腔室或微通道包封EC是用于重建脉管系统而不对细胞施加高剪切应力的另一种方法腔室包封方法通常被称为自组装或自形态发生方法，因为包封的细胞在精确定义的微环境条件下自发地开始形成脉管系统。因此，目前的方法是足够的生产血管生成和血管生成模型。通常，细胞微囊化之后注射生长因子以促进血管发芽和形成。血管内皮生长因子（VEGF）以及一些其他因子（包括成纤维细胞生长因子（FGF））广泛用于该方法。FGF不仅对血管形成产生影响，而且对动脉血管形成重要的所有其他细胞类型也产生影响[60]。尽管如此，FGF仍然没有得到很还添加血管生成素（ANG）以稳定（ANG-1）或使血管结构不稳定（ANG-2）。Campisi等人[61]在微流体装置中培养人诱导多能干细胞衍生的该装置补充有VEGF，导致成功创建血管化网络和有效平台，从而允许iPSC-EC、周细胞和星形胶质细胞的三培养物模拟血脑屏障（BBB）的复杂结构和微环境EC在形态发生条件下的包裹通常产生具有意想不到的萌芽模式的普遍存在的血管网络，这是构建的实质性缺点。一种旨在模拟精确组织结构和功能的器官芯片。通过施加微流体力，已经进行并实现了实现可控血管发生方向的几种尝试。更确切地说，三种主要的力通过控制微血管的半径、长度和厚度来塑造新形成的脉管系统。这些力包括平行于组织表面并由流动特性（例如灌注液的粘度和速度）引起的剪切应力、与组织表面相切的周向应力以及由腔内压力产生的轴向应力[62]。除了生物力学因素之外，许多其他不确定的因素可以影响由血管发生和血管生成产生的形状;因此，形态发生因子仍然不被认为是重建精确结构的有效工具2.3.2. 生物打印策略组织的沉积通常通过称为生物打印的新兴生物制造技术来实现，生物打印是一种新开发的添加制造工艺，其以不同的方式逐层添加生物材料[63]。生物打印的主要优势是其成本效益和多功能性;它也被认为是一种节省时间的技术[64，65]。因此，使用该技术可以重建整个血管网络的普遍存在的3D结构生物打印是一种多价策略，可以有效构建前面提到的三种模型。事实上，目前存在五种生物打印方法，每种方法都有其局限性和应用。 5）。2.3.2.1. 喷墨辅助生物打印。喷墨技术是一种按需滴墨（DOD）工艺，其基于用热或压电致动喷嘴以将液滴置于3D控制的台上。通常使用喷墨生物打印，因为它是一种具有成本效益的方法，并且由于施加在细胞上的低剪切应力（所使用的低粘度材料的结果，如纤维蛋白和胶原蛋白），可以保持高细胞活力[66]。然而，这种方法具有低精度和结构完整性。 尽管基于液滴的生物打印方法通常不足以制造垂直结构，但Hewes等人[67]使用压电喷嘴成功地在纤维蛋白基质中实现了自立式脉管系统。然而，喷墨生物打印方法不适合于生物制造脉管系统，因为需要高结构稳定性和复杂性。因此，在文献中可以找到非常少的喷墨生物打印的血管化体外模型。2.3.2.2. 激光辅助生物打印为了实现高速和高分辨率的生物打印，研究人员[68-然而，与其他生物打印方法相比，激光辅助方法没有被广泛使用，这是由于其低结构完整性和可扩展性以及对于足够的生物材料的有限选择这种方法通常应用于2D细胞打印;因此，当生物制造血管化组织时，通常排除DOD方法。然而，在一项有趣的研究中，Xiong et al.[71]通过创建自由形式的分叉管状结构证明了该方法的多功能性，该结构可以潜在地用作体外血管网络的结构。2.3.2.3. 微挤压生物打印。微挤出方法是基于在压缩下推动生物材料通过喷嘴该压力可以是气动的或机械的[70微挤压法具有连续沉积、可行性好、与多种生物材料相容性好等特点最后，选择这种方法的代价是施加到细胞的高剪切应力。微挤压的灵活性A. Aazmi，H. Zhou，Y. Li等人工程9（2022）131137图五. 不同3D生物打印方法的示意图。DMD：数字式数字显示设备。基于生物打印的优点在于其易于集成到生产过程中，从打印微芯片器件的单个部分到复杂的系统。Lee和Cho[27]创造了第一个一步制造策略，以制造具有平面内皮屏障印刷材料的选择是关键的初始步骤;因此，在两个水平上将PDMS与聚（e-己内酯）（PCL）进行比较。研究小组发现，在测量它们的接触时，两种材料的疏水性几乎相等与水滴并排的角度第二个层次是蛋白质吸附，这似乎通常被忽视，虽然它在保持“片上”器件中的介质成分方面是必不可少的。PCL具有极低的蛋白质吸收，使其更适合这种类型的应用，而不管其低光学透明度。一步制造方法实现了空间异质性，并且不需要如基于立体光刻（SLA）的制造方法中的二次细胞接种过程。与标准微挤压生物打印一样，嵌入式生物打印是一种基于挤压的方法，其使用支撑材料来稳定挤压结构并抵消重力A. Aazmi，H. Zhou，Y. Li等人工程9（2022）131138to construct建造spatially空间complex复杂architectures架构.Bhattacharjee等人[75]使用颗粒状凝胶作为生物打印介质，表1各种生物打印方法的优缺点。以追踪微血管的空间路径。后注射后，载体材料迅速固化以捕获生物打印技术优点缺点参考文献嵌入式材料许多材料，如有机硅，水凝胶，胶体和活细胞，可以使用这种方法注射;它也被认为是结构最稳定的生物制造方法之一。经典的嵌入式生物打印方法是一种新的嵌入式方法，它利用了经典方法的结构稳定性，并利用可逆的支撑材料创建了自由形式的结构[76]。该方法被称为自由形式可逆方法或简称为FRESH生物打印方法，并且由在特定选择的临时、热可逆和可洗涤的支持物中的生物打印组织组成。在洗涤支撑材料之后，获得高度复杂和稳定的结构。因此，FRESH生物打印方法被认为是用于构建脉管系统的普遍存在的结构的可接受且有利的方法[77]。2.3.2.4. 立体光刻生物打印。SLA是一种基于光固化的策略，于1986年首次提出，这意味着它是最早的生物打印方法之一[78]。该过程首先选择一种紫外线固化材料，随后将逐层交联[79]。传统的SLA方法提供了比其他生物打印方法更高的精度和准确度，但它也是耗时的，因为它是基于逐点光聚合。SLA的最新衍生形式是数字光打印设备（DMD）SLA生物打印，也称为数字光打印（DLP），其提供更高的精度。事实上，与使用单个反射镜的标准SLA不同， DMD通常具有数千个可调节的反射镜，从而允许更好的灵活性。这两种方法都是高分辨率的生物打印方式，比其他方法更昂贵。生物墨水是另一个关键 的 选 择 ， 因 为 在 目 前 的 文 献 中 可 用 的 选 项 有 限 。 Zhang 和Larsen[80]采用聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA，MW 700）来制造可灌注的血管网络。该平台在结构上相当稳定，灌注寿命至少为7天。另一项有趣的近期研究喷墨辅助生物打印激光辅助生物打印微挤压生物打印光固化生物打印牺牲生物打印中等分辨率、中等精度、快速、低成本中等分辨率、可打印材料范围广、高精度、高单元密度、无喷嘴优异的机械性能，广泛的可打印材料，高细胞密度，快速，中等成本高分辨率、高精度、无剪切应力、无喷嘴结构完整性高，机械性能优越，适用于中空结构，成本中等需要低粘度的材料，低结构完整性，较差的机械性能，喷嘴堵塞结构完整性低，机械性能差，热损伤细胞，耗时，成本高剪切力、低分辨率、低精度、喷嘴堵塞材料范围有限，紫外线辐射伤害细胞，耗时，成本高制作工艺长，分辨率低，精度低[64，65][66-79][70-75][76-79][80-82]Grigoryan等人[81]使用DLP证明了该方法的复杂结构生物制造潜力，用于创建3D血管内拓扑结构和多血管网络。该研究小组获得了一个整体式仿肺灌注系统，该系统受到肺泡囊的启发，肺泡囊周围有一个功能齐全的血管网络，以证明所提出的技术的完整性。所用的水凝胶是从优化的被动微混合器获得的PEGDA和明胶-甲基丙烯酰基（GelMA）这种方法可以被视为构建血管化器官芯片的革命性方法。2.3.2.5. 牺牲生物打印。另一种生物打印方法，即生物打印，可以被认为是间接生物打印方法，因为需要生物打印后技术来去除最初直接打印的短效生物墨水，然后是支持结构的不同水凝胶基质[82，83]。牺牲生物打印方法是构建管腔化血管网络的理想方法[63]。Ji等人[84]提出了一种新的改进的生物打印方法，该方法将光固化水凝胶的应用与牺牲生物打印方法相结合。在整个过程中，通过部分固化新印刷的层并在实现平台的直接印刷之后立即执行完全固化来进行光固化，所述平台随后将浸入磷酸盐缓冲盐水（PBS）中以溶解牺牲材料。这种方法轻微影响细胞活力，并增强和加强机械性能以产生坚固的平台。这些各种生物打印方法具有其优点，缺点（表1）[64为靶向器官芯片模型选择合适的方法取决于几个参数，包括细胞类型，组织结构，最重要的是器官的主要功能理解血管化器官芯片的制造过程不足以使用靶器官模型来感知其完整性由于人体组织器官的功能和结构的特殊性和独特性，人们对人体组织器官的生物制造进行了不同的研究。因此，考虑到脉管系统在真实器官和肿瘤生长中起的要彻底了解如何构建有效的模型，唯一的方法是回顾针对每个特定器官模型整合的不同方法。因此，有必要强调最近在血管化器官芯片中取得的进展。3. 在器官和肿瘤芯片中再现脉管系统3.1. 芯片上器官体外血管重建对于构建类体内器官至关重要，因为血管在维持组织的性质和功能血管化A. Aazmi，H. Zhou，Y. Li等人工程9（2022）131139已经实现了几种芯片上器官的体外器官，但最重要的是肺、肝、皮肤、心脏、BBB和肾。3.1.1. 肺肺是人体内氧气的主要来源;它基于隔膜的连续动态运动在环境和内部血管系统之间交换气体。在肺的深处，肺泡位于细支气管处，在那里它们执行气体交换的关键功能。在肺泡扩张过程中，面对吸入空气的脆弱的肺泡上皮细胞层允许氧气通过EC，然后到达毛细血管。呼气时，二氧化碳被排出.最早的片上模型是Huh等人开发的片上肺模型。[85]. 该装置可以共培养不同的细胞，并模拟肺泡的机械扩张和收缩（图6（a））[85]。该装置包括两侧涂覆的多孔膜;上侧涂覆EC，下侧涂覆肺泡上皮细胞血管化模型是一种内皮屏障模型，其使用细胞接种方法在多孔隔膜上。同时，该芯片被用来模拟药物毒性引起的肺水肿与呼吸样运动。在另一项研究中，使用细胞接种在ECM壁上，证明了在肺芯片中可实现血管化（图6（b））[86]。Zhang等人[86]制造了一种包含三个 微通道的 微流体装 置， 用于支持 肺泡上皮 细胞、 ECM 和HUVEC。在含有上皮细胞的肺侧，灌注TiO2和ZnO纳米颗粒以测试它们对血管化肺模型的毒性作用基于ECM的细胞接种方法提供了比基于膜的细胞接种方法更好的3.1.2. 肝肝脏被认为是人体中最大的器官和腺体，执行几种主要功能，调节不同的不可或缺的分泌化学物质和成分的比例，如胆固醇，甘油三酯和胆汁[87]。肝脏被组织成几乎相同的六边形叶，称为小叶，由从肝动脉和门静脉到中央静脉的血流供应更具体地说，小叶可以简化为一个代表性的单位，称为肝腺泡。肝脏包括两种不同的细胞类型：肝细胞和非实质细胞，包括肝星状细胞、肝窦内皮细胞和枯否细胞。体外肝脏模型的构建是生物打印方法的一个迷人的应用领域，它允许精确沉积未受损的血管化肝脏组织。例如，可以使用基于挤出的生物打印方法并选择内皮屏障模型来实现血管化的肝组织。Lee等人[88]构建了一个平台，该平台包含在被HUVEC薄层覆盖的脱细胞ECM中的永生化肝细胞系（HepaRG）（图11）。 6（c））。该装置还具有面向内皮屏障的上通道（实现血管化作用）和模拟胆汁流动的下通道，使得片上装置甚至更精确。类似地，在前面提到的一步生物打印装置中，Lee和Cho [27]使用生物打印的PCL芯片在胶原蛋白水凝胶中与EC共培养肝细胞，形成内皮屏障（图11）。 6（d））。还将血管化的一步生物打印肝脏芯片与2D体外模型在尿素合成和白蛋白分泌方面进行了比较，以证明该装置的有效性和效率在几项研究中，血管化的肝脏芯片也使用微流体技术方法，但细胞总是暴露于剪切应力，这影响了它们的性能。3.1.3. 皮肤皮肤是人体最大的器官，在保护人体免受有害外部因素的影响方面起着至关重要的作用。人类皮肤由三层组成，从表皮开始，表皮是皮肤的外层，主要由角质形成细胞和黑素细胞组成。第二层是真皮，由成纤维细胞、巨噬细胞和肥大细胞组成。最后，皮下组织专门储存脂肪，并含有高比例的成纤维细胞和巨噬细胞。每一层都有特定的功能，所有这些功能都与脉管系统永久相互作用[89]。 因此，有效的体外皮肤模型的开发强烈依赖于足够的体外脉管系统的开发可靠的血管化皮肤芯片装置的实现可以通过血管生成或内皮屏障模型来实现。Jusoh等人[90]通过在释放的促炎因子下整合角质细胞和HUVEC证明了基于血管生成的血管皮肤模型的可构建性，所述促炎因子随后引起血管的血管生成（图6（e））。因此，微流体平台被证明可用于测试化学刺激物如十二烷基硫酸钠和硬脂基三甲基氯化铵对皮肤的影响。Mori等人领导的进一步研究工作[91]，集中于体外皮肤模型中血管通道的灌注能力的重要性;可灌注的血管化模型的制造被认为是一个实质性的限制，尽管是必要的。然后采用内皮屏障模型和水凝胶细胞接种方法制备皮肤等效平台由角质形成细胞薄层、载有成纤维细胞的胶原和起血管通道作用的圆柱形内皮屏障组成此外，在一项有趣的研究中，HaCaT细胞与EC和成纤维细胞共培养，这些细胞用肿瘤坏死因子-α进行测试，并引起皮肤炎症和水肿（图1）。[19]。基于细胞屏障模型和基于多孔膜的细胞接种方法培养三层细胞总的来说，脉管系统整合提供了更有效的药物测试平台，尽管生物打印方法仍然可以被认为是用于几种细胞的共培养和精确沉积的潜在工具。3.1.4. 心脏心脏是一个泵，将携带营养物质、氧气和代谢废物的血液输送到身体的其他部位。它是一个持续活动的肌肉器官，对能量供应的需求很高，结构紧凑心脏壁包括若干层，包括内膜，其是与心脏腔室内的泵送血液直接接触的内层;上膜层被称为心包，并且最重要的是心肌，其是最大和最坚硬的层。肌纤维在产生有氧泵送运动中起着至关重要的作用在重建心脏时，通常靶向心肌，因为在体外，心肌在收缩/舒张阶段具有直接作用。在早期研究中，Chen等人[92]构建了支持包埋在GelMA中的瓣膜EC和瓣膜间质细胞的微流体平台。 该装置被多孔膜分成两个通道，收集EC并形成内皮屏障（图11）。[92]。更具体地，HUVEC的血管生成发生在生物打印的微纤维中，然后用新生大鼠心肌细胞接种该本发明公开了一种灌注式生物反应器，A. Aazmi，H. Zhou，Y. Li等人工程9（2022）131140随后添加以实现血管化的芯片上心肌模型。3.1.5. Blood–brainBBB是连接中枢神经系统和外周神经系统的高度精确的半透性脑它由一层紧密的内皮细胞组成，周围环绕着星形胶质细胞和神经元。EC附着于细胞间连接（蛋白质），并将连接分为紧密连接、粘附连接和桥粒区。来自血液的物质的通过受到EC的限制，EC比人体中的任何其他毛细血管都更具选择性。内皮层被另一层壁细胞、VSMC和周细胞覆盖 毛细血管被两种类型的细胞外基质包围：内皮细胞和周细胞分泌的血管基底膜和星形胶质细胞分泌的实质基底膜。除了神经元，星形胶质细胞用它们的星形胶质细胞足包围这两层，为这些细胞提供生化支持。尽管Transwell模型被认为是模拟BBB的有效方法，但它仍然是一个静态平台，不能进行细胞的3D动态培养Ahn等[93]采用了血管化器官芯片的经典结构，一种基于多孔膜的结构，以创建微流体BBB芯片平台（图1）。 6（h））。 该平台在上通道中由人脑微血管内皮细胞（HBMEC）支撑，在下通道中由人星形胶质细胞（HA）支撑。该模型的高精度表现在其分布3D屏幕纳米颗粒的能力。然而，脑的复杂结构，特别是BBB，不允许将因此，该器械只能作为体内模型的补充。在以前的研究中，Brown等人。[94]试图用几乎全面的微环境成功地重建BBB（图10）。 6（i））。该平台包含在3D ECM中一起支撑在一个隔室中的星形胶质细胞、神经元和周细胞，以及在另一个隔室中的EC。这种新型平台提供了一个潜在的3.1.6. 肾肾脏是重要的器官，净化从动脉接收的血液一个肾脏包含大约一百万个肾单位，包括肾小球和肾小管。肾小球和肾小管都有特定的功能。模拟肾脏的研究已经实现为芯片上肾小球或芯片上肾小管[28，95]。体外肾脏的实现是基于肾内皮-上皮交换界面的重建。这种实现界面是一个巨大的挑战，需要有选择地选择材料和尺寸。Rayner等人[96]开发的一种最新的芯片上装置，人肾该装置使用细胞可重塑的水凝胶和可定制的灌注流来重现肾脏的体内动态条件。 结果，hRTVU显示了白蛋白选择性重吸收的有效定量。该装置显示出衰减的流动轮廓，除了由于装配精度的缺乏而引起的相当大的构造问题之外显然，设备简单性是必须考虑的关键参数例如，Homan et al.[97]使用PDMS开发了简化的3D打印设备外壳。研究小组选择了类器官聚集体来重建函数复杂性（图6（j）[97]）。使用血管生成模型创建可灌注的脉管系统。在本研究之前，灌注流量对肾器官血管化和成熟的影响尚不清楚，需要更多的关注。研究小组发现，血流增强了肾小管和肾小球区室中类器官然而，形成的脉管系统不能确保通过微血管网络的血流灌注，并且需要解决以改进装置。3.2. 肿瘤芯片纵观历史，癌症一直是致命的，它是人类尚未找到治愈方法的少数疾病之一。关于癌症的数据令人震惊[98]。这种复杂的疾病在2017年造成全球956万人死亡，使其成为仅次于心血管疾病（1779万人死亡）的第二大死亡原因[99]。癌症的特征是不受控制的生长和细胞从其原始部位侵入。传统上，它被认为是一系列基因组突变，由我们仍然不完全理解的几个因素引起。肿瘤最致命的阶段发生在它在人体内扩散时。为了转移，肿瘤需要与其他器官建立联系;即转移前小生境的作用，这有助于种植癌细胞并促进转移性生长，最终形成肿瘤小生境[100]。肿瘤小生境是一个复杂的异质性肿瘤微环境（TME），为癌细胞提供有利的生长条件[101它包括几种细胞类型，如基质细胞、成纤维细胞和EC。出于这个原因，模仿肿瘤是一个挑战，这迫使科学家们进行创新，并将肿瘤小生境简化为更可分析的模型。目前，存在四种肿瘤模型：计算2D单层模型、3D静态模型、芯片上肿瘤模型和动物模型。各种研究表明，芯片上肿瘤模型具有优于其他模型的几个优点，例如在动态条件下重建3D结构，易于访问和控制。因此，它吸引了更多的关注，并且已经尝试创建新的、更精确的肿瘤芯片平台[5，107血管是引发血管生成和供应恶性细胞的代谢需求所必需的，并且这强调了将脉管系统整合到芯片上肿瘤中以实现血管化的芯片上肿瘤模型的重要性和实际需要。此外，血管化的芯片上肿瘤已经仅使用内皮细胞网络实现，而没有灌注能力[5]。质量运输主要是活细胞在体内输送营养物质和氧气并去除代谢副产物所必需的。此外，3D细胞聚集，允许3.2.1. 血管化肿瘤球体芯片40多年来，球状体一直被用作肿瘤模型，因为它们与真实体内肿瘤相似的狭窄形状和细胞密度。可以说，制造球状体是实现3D细胞结构的最可行的方法[110此外，不可否认的是，将灌注集成到微流体平台中是有利的。此外，不可否认的是，将灌注集成到微流体平台中是有利的。这种微流体平台和球状体培养方法之间的融合可以产生更有效的平台。Sobrino等人[119]将这种融合方法应用于简单的体外血管化微肿瘤（VMT）PDMS平台，该平台没有预图案化的微血管，也不需要任何泵或管道（图7（a））。该平台允许通过微血管输送营养素，支持乳腺癌和结肠直肠癌。A. Aazmi，H. Zhou，Y. Li等人工程9（2022）131141图六、血管化器官芯片（a）动态肺芯片示意图（b）利用ECM壁的芯片上肺的示意图NP：纳米颗粒。（c）支持肝脏微环境和胆道系统的肝脏芯片模型dECM：脱细胞ECM。（d）一步制造的芯片上肝脏的示意图。（e）芯片皮肤中基于血管生成的血管形成示意图，包括内皮生长培养基（EGM）、人真皮成纤维细胞（HDF）、角质形成细胞（KC）和EpiLife培养基[90]。（f）含有HaCaT细胞、EC和成纤维细胞的血管化皮肤芯片[19]。（g）支持瓣膜内皮细胞和间质细胞的芯片上心脏示意图，这些细胞由多孔膜隔开（h）与人脑血管周细胞（HBVP）、HBMEC和HA共培养的BBB模型的示意图[93]。(i)神经血管单位的布局[94]。(j)具有血管化类器官形成的图示的芯片上肾类器官的示意图。PSC：多能干细胞[97]。（a）复制自Ref。[85]经美国科学促进会许可，©2012;（b）转载自参考文献。[86]经英国皇家化学学会许可，©2018;（c）转载自参考文献[88]经IOP Publishing Limited许可，©2019;（d）转载自Ref.[27]经英国皇家化学学会许可，©2016;（g）转载自参考文献[92]经英国皇家化学学会许可，©2013。因此，进行了一项试验，通过筛选食品和药物管理局（FDA）批准的药物组合。三阴性乳腺癌细胞系（MDA-MB-231）是A. Aazmi，H. Zhou，Y. Li等人工程9（2022）131142检查标准护理化疗，VMT平台显示对抗血管生成和血管破坏剂的高敏感性。因此，该平台代表了一种有效的工具，用于鉴定通过其血管效应直接或间接靶向肿瘤细胞的试剂。芯片上器官的准确性通常与反映真实肿瘤生态位的细胞类型和相互作用器官的数量有关因此，Chung et al.[120]认为仅模拟基质-癌相互作用的微流体装置因此，研究小组提出了一种新的方法，该方法涉及模拟TME中的血管生成和淋巴管生成类似地，Mannino等人[121]开发了一种体外平台，以概括体内癌细胞、EC和免疫细胞之间发生的相互作用（图12）。 7（c））。他们针对弥漫性大B细胞淋巴瘤，并设计了一种易于获得且经济的基于水凝胶的淋巴瘤芯片。这种特殊的制造方法有利于提取淋巴瘤芯片模型的细胞成分用于后处理
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