体外模拟细胞生长所需的三维生理微环境,并研究细胞在可控的因子浓度及梯度影响下的形态及功能变化在生物医学研究中具有重要的意义。然而,传统的体外细胞培养方式只能提供静态、二维的细胞培养环境,与细胞所处的三维生长微环境相差甚远,并且难以准确定位特定因素对细胞状态的影响。循环系统中,血管网络将氧气、营养成分和信号分子等输送到身体各部分的组织器官中,同时将其产生的代谢废物排出体外,在维持人体细胞生长微环境稳定等方面具有重要作用。因此,在体外构建三维血管网络模型,模拟细胞的生长微环境,对其所处微环境中的因子浓度、梯度等进行精确调控,并考察细胞在不同种类的因子刺激下的行为变化等,在血管新生、肿瘤转移等研究方面均具有良好的指导意义。随着微加工技术的不断进步,微流控芯片技术在人造器官的模拟中发挥了越来越重要的作用。水凝胶具有优异的生物兼容性、良好的光学性质及渗透性,为其作为微流控芯片材料在体外构建具有三维血管网络结构的微流控装置提供了良好的基础。水凝胶微流控装置可以在体外提供三维动态的因子梯度,模拟细胞的生长微环境,能够直观地研究细胞在血液动力学、因子梯度等作用下的行为变化,对血液疾病、肿瘤治疗等具有良好的指导意义。因此,本文开展了以下研究：1.以玻璃毛细管为模板,用化学凝胶法构建了具有一字型通道的纤维素水凝胶芯片,对荧光物质的扩散行为进行了研究,同时研究了内皮细胞在纤维素水凝胶表面的生长状态。实验结果表明,用化学凝胶法得到的纤维素水凝胶具有较大的孔隙率,良好的结构复制性。胶原蛋白的填充有效改善了纤维素水凝胶的生物相容性,使其能够作为微流控芯片的制作材料,模拟细胞的三维生长微环境。此外,以壳聚糖为可牺牲模板,PEO为致孔剂,采用物理凝胶法制备了多孔性的纤维素水凝胶。同时,向凝胶中填充不同浓度的胶原蛋白,得到了具有良好生物相容性与力学性质的管状结构。此血管支架利用可牺牲的壳聚糖模板得来,价格低廉、易于制得、操作简单、孔隙可调节。同时,在血管模拟方面,纤维素管状支架透明性好,易于观察,内径以及血管壁厚度可调节,具有良好的弹性,可望作为人造血管的组织工程支架。2.利用纤维素管与胶原蛋白结合的方式形成人造血管,并将其植入3D水凝胶微流控系统,模拟了肿瘤细胞经血管的转移过程。纤维素管优良的生物相容性、分子渗透性以及良好的机械性能,使得体外模拟天然血管的结构及功能并提供不同的血液动力学条件成为可能。将此多孔的纤维素管完全浸入充满肿瘤细胞的胶原蛋白凝胶中,成功构建了模拟肿瘤侵袭的体外微流控模型,研究了肿瘤细胞在内皮细胞表面的粘附及其穿过内皮细胞单层的过程。3.利用海藻酸钠遇钙离子交联形成凝胶并且此凝胶快速溶于EDTA溶液的原理,制备了海藻酸钠可牺牲模板,并将其用于构建具有三维血管网络的水凝胶芯片。将海藻酸钠溶液灌入PDMS微流控芯片通道中,通入钙离子使其交联,得到海藻酸钠模板。将模板封装在水凝胶中,通过EDTA与钙离子的络合作用将模板溶解,得到具有不同结构微流通道的水凝胶芯片,并用其模拟血管网络。通道大小可通过PDMS模板的尺寸及形状来调控,同时采用此法可得到具有三维多层微通道结构的水凝胶芯片。将内皮细胞培养在通道内表面后得到了三维网状的血管网络。通过改变流体流速等方式研究了通道表面内皮细胞对不同流体剪切力的应力响应情况,同时研究了血管网络内皮单层的分子屏障功能。实验结果表明,利用可牺牲模板在体外构建具有复杂血管网络的水凝胶芯片,在组织工程以及器官模拟方面具有良好的优势和应用前景。