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高通量药物筛选是新药研发的主要模式,但现有的高通量筛选系统常以多孔板为分析平台,存在细胞培养条件单一、耗时费力、试剂消耗量大等不足,且较难实现复杂的药物组合筛选。微流控技术作为一种在微米尺寸通道中操纵和控制微流体的技术,具有微量、高效、高通量和自动化的特点,能较好地克服多孔板筛选系统的不足。而且微流控系统在细胞培养材料、芯片结构设计、流体控制等方面都可以灵活变化,实现细胞生长微环境控制和模拟以及三维(3-Dimensional,3D)细胞培养,使细胞培养更接近于人体内的环境,在研究细胞的行为和反应、研发和筛选新药等方面都具有重要意义。然而现有的微流控药物筛选系统受限于芯片复杂性和流体控制装置,较难应用于基于3D培养模式的大规模药物筛选或者药物联用筛选。基于此,本论文工作利用侧壁液滴和悬滴技术分别发展了两种基于液滴的3D细胞培养方法,并结合毛细管内对流扩散形成的药物浓度梯度,构建了高通量的药物筛选系统,应用于基于3D细胞培养的抗肿瘤药物筛选及药物联用研究。在第一章中,综述了微流控高通量药物筛选系统的研究进展,主要分为基于二维(2-Dimensional,2D)细胞和基于3D细胞培养的高通量药物筛选。在第二章中,我们提出了一种新的基于侧壁液滴的3D细胞培养方法,该方法利用尺度效应在聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)基片的侧壁形成纳升级液滴阵列,可有效避免细胞吸附于基片表面,在液滴中实现了 3D细胞球的培养。并且该方法所形成的液滴处于半开放状态,便于顺序完成细胞实验所需的试剂加入、细胞染色、原位观察、共聚焦显微镜扫描多步操作等。我们考察了液滴体积、细胞密度和PDMS基片加工方法等不同条件对细胞成球培养效果的影响,并基于该方法开展了 HepG2细胞3D培养和阿霉素对细胞球的刺激实验,结果显示3D培养的HepG2细胞较2D培养条件下的耐药性更强。在第三章中,我们发展了一种基于微流控悬滴的细胞成球方法,该方法利用PDMS通孔阵列芯片和顺序操作液滴阵列(Sequential operation droplet array,SODA)系统,自动化完成悬滴细胞点样和药物浓度梯度形成操作,实现了细胞球阵列的培养和快速高通量加药过程。我们研究了两种细胞球对阿霉素的反应,结果显示在一定的阿霉素浓度下,同型细胞球(SGC-7901)和联合培养细胞球(SGC-7901+3T3)表现出不同的结果。在第四章中,我们利用SODA系统顺序完成液体量取、混合、输运和注射等多步操作,在毛细管内形成了主要基于对流扩散的药物浓度梯度,浓度范围可达4个数量级,并实现了 576个细胞液滴的药物联用筛选。实验以索拉菲尼(Sorafenib)、喜树碱(Camptothecin,CPT)、木犀草素(Luteolin)、反式-查耳酮(trans-Chalcone)、3-吲哚甲醇(Indole-3-carbinol)、褪黑素(Melatonine)、粉防己碱(Tetrandrine)为模型药物,以肝癌细胞HepG2为模型细胞,进行上述七种药物联用条件下的刺激实验,以筛选具有协同效果的药物组合。实验最终确定Sorafenib+trans-Chalcone、Sorafenib+Tetrandrine、CPT+Tetrandrine 这三组药物组合对肝癌细胞HepG2表现出协同作用,前两个组合的结果和文献报道相符,而后者的协同作用则是首次观察到,表明了 SODA系统具有形成生成大范围药物浓度梯度的能力,在大规模药物联用筛选实验中具有广泛的应用前景。