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微环境作为细胞赖以生存和发展的重要组分,对维持细胞活性和功能具有重要的调节作用。然而,现有的二维细胞培养体系和动物模型难以反映体内复杂的组织构象、生化条件以及力学刺激等微环境特征,无法满足当前的研究需求。值得庆幸的是,微流控技术的发展为生命科学和医学研究提供了一种系统性解决方案。利用该技术建立与患者体内微环境特征高度相关的体外模型,对于生命科学研究、临床医学发展、疾病模型构建以及创新药物研发具有重要的科学意义。因此,本论文研究工作从乳腺癌和心血管疾病患者的临床表现或临床需求出发,将微流控技术与细胞生物学结合,创新性地建立了具有相关生理特征的乳腺癌和心血管体外模型,并以此为平台研究了各向异性胶原纤维和复合生化梯度对乳腺癌细胞的作用,以及动态血流、支架、药物对内皮细胞的影响。论文的主要研究工作分述如下:首先,论文第一部分工作以不同阶段乳腺导管癌组织切片中肿瘤相关的胶原蛋白特征（Tumor-associated collagen signatures,TACS）为蓝本,利用微尺度通道和流体力学效应,可控的在微流体芯片内形成了各向异性和各向同性的胶原纤维结构,实现了对肿瘤周围胶原蛋白微环境的体外模拟。基于该平台,结合活细胞培养和光学成像追踪技术,系统地研究了不同结构的胶原纤维对侵袭性乳腺癌细胞MDA-MB-231-GFP形态和动力学行为的影响。结果表明,MDA-MB-231-GFP细胞在各向异性胶原纤维中的迁移比在各向同性胶原纤维中的迁移速度更快、效率更高。不仅如此,本论文还通过微量RNA转录组测序技术,探索了胶原纤维结构对MDA-MB-231-GFP细胞基因表达的影响,发现分别在各向异性和各向同性胶原纤维中培养的MDA-MB-231-GFP细胞有932个差异表达基因。与各向同性胶原纤维相比,各向异性胶原纤维促进了MDA-MB-231-GFP细胞溶酶体、代谢、抗原加工提呈和鞘磷脂类信号通路相关基因的表达下调,说明癌细胞在各向异性胶原纤维中的高效迁移,并不需要上调与内吞、代谢以及信号传导相关的基因。也就是说,各向异性胶原纤维为癌细胞的快速、高效迁移铺设了一条“低能耗迁移路径”,使得它能够沿着胶原纤维进行快速、高效的迁移。该模型的建立不仅提供了一种简单且可靠的快速制备定向胶原纤维的方法,以更好地模拟肿瘤周围的胶原蛋白微环境,而且还为各向异性胶原纤维促进癌细胞的迁移提供了新见解。其次,论文第二部分工作以乳腺癌化疗患者癌巢组织具有复合生长因子和药物的特征为出发点,采用微流控技术构建了一种基于细胞外基质（Extracellular matrix,ECM）的高通量生物芯片,用于侵袭性乳腺癌细胞MDA-MB-231-RFP和正常乳腺上皮细胞MCF-10A-GFP的共培养。同时,利用芯片独特的结构设计和ECM能够渗透小分子化合物的特性,通过在芯片四周的通道内加载人表皮生长因子EGF、盘状结构域受体1抑制剂7rh和基质金属蛋白酶抑制剂Batimastat,可以形成复合生化条件,实现对乳腺癌化疗患者癌巢组织中复合生化微环境的模拟。基于该芯片,研究了复合生化微环境下细胞的增殖行为,发现MDA-MB-231-RFP细胞和MCF-10A-GFP细胞在生长因子和药物的联合作用下表现出不同的时空增殖行为。此外,本论文还基于实验数据开发了一个包含药物扩散的元胞自动机模型来描述实验现象,并利用香农熵探索了药物扩散系数对细胞增殖的影响。结果表明,细胞的空间差异化生长与药物扩散系数有关,说明复合生化环境在调控细胞增殖行为中起重要作用。总的来说,本研究开发的仿生性、高通量细胞共培养芯片以及相应的计算模型,可以作为癌症研究和药物高通量筛选的有效工具。最后,论文第三部分工作考虑到临床上缺乏一种可以模拟血管植入支架的体外模型,用于研究动态血流、支架以及药物对内皮细胞的影响,开发了一套基于可编程电磁阀的数字脉冲流量系统（Digital pulse flow system,DPFS）,用于模拟人体左冠状动脉血管的动态血流。同时,采用人脐静脉内皮细胞构筑了基于聚二甲基硅氧烷的弹性人工血管（Elastic artificial vessel,EAV）,用于模拟血管的生物特征。基于该平台,通过在EAV管内植入临床级的裸金属支架（Bare metal stent,BMS）和药物洗脱支架（Drug-eluting stent,DES）,重点研究了静态和脉冲两种条件下,内皮细胞在EAV、EAV-BMS和EAV-DES中增殖和功能表达情况。结果表明,EAV管中适当的流体剪切力有利于内皮细胞的粘附和生长。同时,与裸金属支架相比,药物洗脱支架不仅对内皮细胞增殖的抑制作用更加明显,也对内皮细胞合成一氧化氮合酶的功能影响更大,这说明药物洗脱支架在降低血管二次狭窄病变发生率的同时,也可能会增加血管痉挛的风险。因此,支架的评估既要考虑心血管狭窄病变发生再狭窄的风险,也要考虑支架对内皮细胞增殖和功能的影响。显然,本研究构建的数字脉冲流量系统和弹性人工血管模型,不仅为研究冠脉支架介入手术可能产生的术后风险建立了一个真实的体外模型,还为未来新型支架的临床评估以及动脉粥样硬化患者的个体化治疗提供了一个系统性研究平台。综上所述,本论文基于微流控技术开发的两款生物芯片以及数字脉冲流量系统和弹性人工血管模型,可以成功模拟乳腺癌组织中各向异性胶原纤维和复合生化梯度,以及人体相位性左冠状动脉血管的生物特征。这些体外模型的建立,不仅为研究乳腺癌和心血管疾病的发展提供了实验平台,也证明了微流控技术有潜力为生命科学和医学研究的发展提供技术支持。