细胞体外培养作为当前生命科学领域中重要的研究技术,关键在于如何在体外构建与在体生长相似的细胞微环境。细胞微环境是一个动态的物理化学多因素影响的三维生态环境,其特性的变化直接影响细胞的生长状态和行为。传统的细胞体外培养不能再现细胞在体内三维空间中的生长。近年来,微流控芯片凭借其检测效率高、试剂消耗少等优势,成为细胞体外研究的重要实验平台。但是,芯片在建立动态可变的三维细胞微环境的研究方面还比较少,有待完善。本文设计了一种差异化三维微环境的细胞培养新型微流控芯片。芯片的设计采用生物水凝胶材料来构建微环境三维支架,设计微结构使水凝胶在芯片上精准图案化。针对芯片设计对水凝胶溶液包裹性能的影响,以及芯片设计能否达到差异化三维微环境的要求,本文开展了以下研究:(1)用于差异化三维微环境的微流控芯片结构设计。根据液体在微通道中流动原理,对芯片的微结构尺寸进行了分析设计。由于水凝胶在芯片上的图案化效果受表面张力与毛细力影响,对芯片材料进行选择,并利用有限元仿真模拟芯片中水凝胶溶液的封装过程,对比了四边形、六边形、八边形、圆形(外接圆均为150μm)微柱对溶液的封装效果,选定最佳的圆形微柱。对芯片上差异化微环境建立进行了三维建模和仿真分析,仿真结果显示芯片中小分子扩散能形成差异化的稳定浓度分布,验证了芯片内微环境的速度场稳定性。(2)芯片的制作与差异化微环境构建。选用软刻蚀加工方法制作芯片,设计了MEMS加工工艺流程,制作了SU-8胶模具,浇注模具完成PDMS结构片制作,通过表面处理,用键合的方法完成整体芯片制作。设计预聚合胶原溶液封装实验和荧光素钠小分子的扩散实验,验证了芯片上差异化小分子浓度三维微环境的建立。胶原溶液可封装在微柱间隙中形成稳定的气液界面不溢出,实现在芯片上图案化水凝胶的目的。用荧光素钠分子运动模拟生化因子在芯片中的扩散运动,用于研究差异化小分子浓度三维微环境的形成。(3)芯片的生物实验应用。在芯片上三维培养PC12细胞,芯片上培养的PC12细胞生长过程中出现伪足,可迁移过微柱间隙,呈现向单侧旁通道的高糖三维凝胶微环境中生长的趋势,芯片上细胞成活率高达92.21%。对细胞生长过程的葡萄糖浓度进行连续测定,在芯片两侧的三维微环境中,可形成稳定的46-47mmol/L高糖浓度和14-15mmol/L低糖浓度,实现芯片上差异化细胞微环境建立。