東南大學蘇州醫療器械研究院顧忠澤、白晶、陳早早團隊在《Advanced Healthcare Materials》期刊發表綜述“Next-generation approaches for biomedical materials evaluation: microfluidics and organ-on-a-chip technologies”。該綜述歸納總結了現有的生物學評價方法及優缺點，重點介紹了微流控技術用于生物醫用材料評價的應用及器官芯片在材料評價方面的潛力，器官芯片有望成為評價生物醫用材料的最仿生體外模型。最后，討論了使用器官芯片評價生物醫用材料在材料評價領域面臨的挑戰與機遇。

“生物醫用材料”是指與活組織密切接觸的生物醫學設備的組件，經過設計可以替代喪失或患病的器官或組織，是植介入醫療器械的組成部分。為此ISO 10993規定了一系列強制標準來評價植介入器械的生物相容性以確保其安全性和有效性。目前，惰性生物材料如不銹鋼、鈦合金等由于需要二次手術移除植入物，增加了臨床風險。而生物可降解材料能在人體安全降解并在周圍組織愈合前提供臨時支持，它解決了惰性材料需要二次手術移除的難題，受到了廣泛關注。生物醫用材料的發展也逐漸由不可降解材料發展為生物可降解材料。但材料的降解過程及降解產物對人體的影響使得生物可降解材料的生物學評價復雜化。

目前主要采用體外試驗和動物試驗評估生物醫用材料的安全性和可行性。但體外試驗和動物試驗存在局限性，動物試驗很難監測可降解材料在體內的降解行為，以及降解產物與組織的交互作用，此外，種屬差異和倫理問題也使得動物模型具有逐漸被取代的趨勢。體外試驗缺乏血液流動和組織，無法真實地模擬體內環境。因此，尋求一種更真實全面的體外生物學評價方法至關重要。

總的來說，理想的體外模型應該具備以下幾個特點：能夠更好地模擬人體內的生理環境；在此基礎上，便于研究材料界面和宿主反應；并且能夠高通量地實時監測材料的降解行為和降解產物與細胞的動態反應。

什么是微流控技術？

微流控技術是一種以在微米尺度空間對流體進行操控為主要特征的科學技術。第一個微流控芯片實驗是在1979年斯坦福大學的氣相色譜研究中創建，1990年Manz和Widmer在微型芯片上實現了電泳分離，首次提出微全分析系統即微流控芯片，開啟了微流控芯片發展道路。目前，微流控芯片可將化學和生物等領域中的基本操作單元集成到一塊幾平方厘米的芯片上，由微通道形成網絡，以可控流體貫穿整個系統。微流控技術已經被廣泛應用于分析化學、細胞分析、反應篩選和環境毒理學等研究領域。

微流控技術使細胞在幾十到幾百微米的通道中培養，并提供連續的營養交換、更好的氧灌注和生理剪切應力，可對體內微生理環境進行更好得模擬。基于此，微流控技術被認為是一種評估生物材料生物學特性的工具。目前，微流控技術已經被用于骨植入材料、血管支架材料等生物材料的篩選和生物學評價。

Andreas等設計了一個小型化（100 μL）的微流控芯片植入物系統，通過激發表面聲波誘導微聲流產生剪切應力，可在動態條件下定量測量植入物材料表面的細胞粘附，可對不同的植入材料進行動態篩選。進一步地，Sarah等開發了一種微流控平臺研究Ti6Al4V作為骨修復生物材料對MC3T3-E1成骨細胞的細胞活力、增殖等細胞行為的影響，結果表明動態條件培養的細胞有更高的活力和更細長形態，但是芯片中的鈦樣品較難移出，使得評估細胞行為的標準生化檢測需要改進。

生理流體動力學環境在細胞對可吸收支架降解行為的響應中有至關重要的作用。為了更好地模擬血管支架與內皮細胞和平滑肌細胞間的復雜動態相互作用， Ye等設計開發了一種微流控芯片用于模擬早期鎂合金支架的血管微環境，研究鎂基支架的降解行為以及支架與內皮細胞的相互作用。Shang等將植入血管支架的體內環境簡化為微流控系統，研究了在接近生理流體條件下，剪切應力對鎂基支架的降解的影響及支架的耐腐蝕性能。作者還將微流控系統與細胞培養芯片結合，評估了降解產物對血管細胞的影響。結果顯示，微流控系統與傳統浸泡試驗和動物實驗的結果趨勢相同。

與現有的體外培養相比，單細胞微流控芯片構建了流動的共培養體系，提供了更具生理相關的微環境，例如生理流體流速以及剪切應力，但仍采用了平面細胞培養方式，無法再現三維組織結構。與真實人體內環境相比，微流控芯片在組織結構和微環境方面的構建有很大不足。此外，微米尺度下材料的放置與取出困難增加了材料生物學評價的難度。

什么是器官芯片？

器官芯片（OOC）是采用微流控技術在體外構建器官的核心組織結構的細胞培養裝置，能夠精準仿生包括器官周邊細胞、周邊分子和周邊力學因素在內的微環境。在微流控芯片的基礎上，器官芯片還具有不同的物理力，多細胞層結構，組織-組織界面以及人體的血管循環，可以重建器官的關鍵功能。21世紀前期，Michael Shuler等提出了用人體不同器官的細胞在芯片上構建人體組織，模擬人體環境的設想。直至2010年，Donald Ingber等開發了第一個肺器官芯片。目前，多種器官芯片模型已被構建，如腸芯片、腎芯片、皮膚芯片等。器官芯片的出現雖然較晚，但它可以存在整合多種細胞及模擬組織相關的生物力學的優勢使得它已經被廣泛應用于藥物篩選、疾病建模和精準醫療等領域的研究。器官芯片技術被認為是最有希望代替動物試驗的方法之一，在材料生物學評價領域的應用具有巨大的潛力。

器官芯片技術在評價納米材料的生物相容性方面增長顯著。近年來，隨著納米材料應用于醫療領域的研究激增，關于納米材料的生物學評價得到了人們的重視。不同于其他生物材料，納米材料需要在具有適當擴散速率的動態流體中循環以避免快速沉降改變納米材料與細胞的相互作用。器官芯片技術的微流體和3D細胞結構對納米材料的生物學評價極具吸引力。

刺激試驗是生物相容性評價中重要的一部分，針對3D皮膚等效物繁瑣的操作程序和低通量，Zhang等構建了一種高保真度的表皮芯片，成功構建了集成屏障功能的器官型體外表皮模型。為了驗證皮膚芯片的有效性，通過細胞毒性以及炎性細胞因子釋放等測試了10種已知毒素和非毒素化學品的刺激，結果滿足OECD標準，該模型可以進行可擴展的體外刺激性評估。可以預見的是器官芯片有望成為評價生物醫用材料以及設計醫療器械的重要手段，可以用新方法從新角度分析生物材料的生物學問題。

挑戰與展望

現有的生物醫用材料評價方法主要針對生物惰性材料，而生物可降解材料植入體內后的反應受降解動力學和降解產物很大影響，宿主反應又會反過來影響材料的降解過程，這對材料的體外評價方法提出了系統、全面的新要求。這些不管是現有的體外試驗還是動物試驗都很難實現。

器官芯片已經可以部分實現理想體外模型的要求，但它作為新型生物學評價方法仍有需要改進的地方。器官芯片生物模擬手段的復雜性有限，原因之一是芯片內培養的細胞種類有限,如圖8。此外，評估生物醫學材料的一個關鍵挑戰在于對材料本身的固有特性及其植入后對周圍組織的影響探索不足。惰性材料由于長期磨損會逐漸向體內釋放微粒。目前還沒有足夠的知識來控制降解動力學，以調節材料在體內的降解期。器官芯片的生物仿生系統為研究生物降解材料的降解性能提供了巨大的潛力。但生物可降解材料在體內引起的局部 pH 值和溶解氧水平的變化難以監測。雖然將生物傳感器集成到器官芯片系統中可以解決這一問題，但提高生物傳感器的長期穩定性和響應速度仍是未來研究的關鍵領域。有關降解產物在體內轉化和代謝的研究很少。降解產物是否會積累并影響局部組織 pH 值和細胞分子水平，以及如何標記這些外來顆粒并明確其積累對組織的影響，都將是重要的研究方向。

現行的材料生物相容性評估標準以及 OOC 制作和測試規程仍需完善。在體外實驗中觀察到的生物降解材料的降解機制和副產物與人體環境中遇到的降解機制和副產物之間存在明顯差異。器官芯片系統的標準化和統一化對于建立器官芯片結果、傳統體外檢測結果和臨床結果之間的相關性至關重要。然而，在當前的標準化框架內，許多要素仍明顯模糊不清。與術語相關的概念不夠精確，交叉領域的界限也明顯缺失。此外，在器官芯片上測量哪些指標、精確測量的方法等方面也缺乏共識。與此同時，歐盟委員會與各研究中心和歐洲標準化組織合作，制定了專門針對 OOC 技術的標準。時至 2023 年，歐盟已針對片上器官技術的發展實施了具體的監管措施，其中包括建立一個全球監管聯盟，旨在為這些開創性方法確定驗收標準，促進歐盟和全球監管機構之間觀點和監管標準的統一。對器官芯片技術標準化的不懈追求仍是一項持續而重要的工作。

總之，要應對這些挑戰，就必須整合多學科方法和技術。OOC 系統的不斷完善為生物醫學材料的評估和醫療設備的開發提供了令人興奮的新途徑。