细胞的三维培养是一种在体外通过保持细胞生长的三维立体结构,从而维持细胞表型和分化功能的技术。与传统的二维细胞培养相比,三维细胞培养可以模拟体内复杂的细胞间相互作用和机体内微环境,因而有望在体外实现三维组织结构的复原,并实现一定的生理功能。因此,细胞三维培养在细胞生物学、药物筛选以及组织工程等领域具有重要应用价值。细胞微载体,作为一种生物材料的支撑基质,由于其合适的化学成分、表面形貌、多孔性以及高比表面积等优点,掀起了微载体应用于三维细胞培养的新高潮。它能够兼具贴壁培养和悬浮培养的特点,在保证细胞获得充足营养传输的条件下,实现细胞的大规模三维培养。光刻、微模板、电喷、微流控、三维打印等多种方法都可用于细胞微载体的制备。其中,基于微流控技术制备的细胞微载体具有单分散性高、尺寸控制精准、高通量、细胞微环境可控等优点,是一种相当具有前景的三维细胞培养平台。然而,传统细胞微载体存在着易受剪切力侵袭、中心细胞物质交换不充分、功能结构过于单一等问题亟需解决。基于此,本论文以微流控为技术手段,以改进传统细胞微载体结构功能为目标,构筑多孔微载体用于细胞的培养研究。此外,基于微流控液滴操控技术还实现了微孔板上精准的液滴加样功能的开发,改善了细胞生物学检测中微孔板加样操作过于繁琐的问题。具体研究内容如下:(1)基于双乳液液滴模板,通过微流控技术对液滴尺寸的精准控制,制备具有内外贯通孔洞结构的多孔微载体用于细胞球聚体的培养。多孔微载体的支架结构不仅能够避免细胞遭受流体剪切力的侵袭,还可以连同微载体孔洞内的基质填充材料一起,为细胞的自组装提供一个限定的细胞外基质微环境,从而促进多细胞球聚体的形成。该研究在生物材料相容性评价方面也具有重要应用价值。(2)基于毛细管阵列微流控技术,在通道内生成纤维串连液滴的复合结构,并以此为模板,通过去除纤维结构制备具有中央大孔结构的微载体用于细胞的三维包裹。通过调节微流控通道中各相流速,大孔微载体中心孔径尺寸高度可控,从而解决了包裹在载体内部的细胞培养过程中氧气、营养物质传输不充分的问题。此外,通过将分散有不同细胞的预凝胶溶液分别注入毛细管阵列的不同管道中,还能实现多组分复合微载体的制备,并进一步应用于细胞共培养和体内复杂生理结构功能模拟等方面。(3)以微流控单乳液液滴为模板,制备具有近红外响应性的智能水凝胶微载体,用于细胞的捕获与释放。通过对载体成分、近红外照射等条件的优化,可实现细胞的无损伤释放。该研究可应用于免疫活性小鼠肿瘤建模中,微载体能够有效降低释放前肿瘤细胞的损伤,进而促进肿瘤生长与血管形成。这一工作对肿瘤以及药物的研究具有重要意义。(4)构建浸润性可调控的表面对液滴的滑动路径进行操控,实现液滴在微孔板中的精准加样,改善多孔微载体的细胞培养研究中基于微孔板技术的细胞生物学检测操作过于繁琐的问题。该设计具有良好的可重复性,快速响应性,以及便捷而高效的可调控性,在生物化学检测等领域中具有重要应用价值。