具有模拟组织功能性的三维细胞培养模型在预测真实体内微环境下细胞生长、增殖、迁移、代谢等生物反应以及疾病的发生发展过程展现出更大的应用潜力,为在体外研究复杂的生理和病理生理过程提供了可能性。然而,宏观条件下的三维细胞培养体系仍然难以实现生命科学中生理相关的筛选分析。利用微加工技术和微流控体系创造性地设计并制作,既支持组织分化和组织-组织界面再现,又提供仿生理条件物质时空分布梯度和仿活体器官周围微环境的“器官芯片”,允许在特定的组织-器官微环境中构建生理相关性更高的三维细胞体外疾病模型,研究更接近人体实际状况的生理病理演变过程。鉴于此,本论文利用可一步成型的3D打印技术制备了三种个性化的新型微流控芯片,在芯片上以肝癌细胞、神经细胞和骨髓间充质干细胞作为种子细胞构建三维细胞培养模型,结合酶联免疫吸附技术或电化学生物传感技术监测细胞在三维微环境中对药物刺激的反应,拓展了微体系下三维细胞模型的潜在应用领域,有助于开发其他更精确的三维细胞培养模型用于生物医药领域的研究。本论文的内容主要包括以下三个部分:第一章:浓度梯度芯片用于胰岛素抵抗细胞体外模型的构建和干预研究本章设计了一种浓度梯度可控的开放式微流控芯片,利用α-纤维素的毛细作用实现物质的混合和浓度梯度的形成,结合在芯片上设置的细胞三维培养区域,成功构建了用于三维细胞培养体系的高通量药物筛选平台。为了达到较稳定的物质浓度梯度分布效果,分别对3D打印材料的耗材性能和α-纤维素的形貌进行表征,比色实验结果表明该开放式芯片平台可以在无外加泵的情况下实现物质浓度梯度的可控调节且重现性良好。在此基础上,以Hep G2细胞为研究对象,琼脂糖水凝胶为三维培养支架模拟细胞生长体内微环境,在该芯片平台上构建了胰岛素抵抗三维细胞体外模型,考察了吡格列酮干预下胰岛素抵抗细胞的胰岛素敏感性改善情况和细胞葡萄糖消耗率水平,并以细胞活性氧成像实验加以佐证。实验结果表明,常规二维单层细胞培养方式和芯片平台上三维细胞培养方式下,细胞对外界刺激如胰岛素和吡格列酮产生的反应趋势相似,但反应程度差别较大;吡格列酮在三维微环境条件下可小幅度提高胰岛素抵抗细胞模型的胰岛素敏感性,远小于同等条件下常规单层培养细胞的胰岛素敏感性。第二章:聚乳酸/纸复合芯片用于阿尔兹海默病细胞体外模型的构建和干预研究本章利用3D打印和石蜡打印技术制作了一种通用型聚乳酸/纸复合芯片,结合电化学生物传感技术构建了电化学传感集成式三维细胞培养芯片平台。采用β-淀粉样蛋白、多奈哌齐和骨髓间充质干细胞（BMSCs）对PC12细胞施加刺激构建三维细胞损伤模型,通过电化学传感器实时监测胞泌多巴胺水平评估细胞活性。与生长在二维界面上的PC12细胞和BMSCs相比,接种在聚乳酸/纸复合芯片上的PC12细胞和BMSCs具有分布均匀、黏附性好、增殖良好及圆度降低的特点,证明聚乳酸/纸复合芯片可用于细胞的长期培养和复杂操作。在该芯片上培养的PC12细胞被分为5组,包括正常对照组,AD模型组,多奈哌齐干预组,BMSCs上清液干预组和BMSCs干预组,分别加药处理后,用纳米金修饰的丝网印刷电极检测5组模型细胞分泌多巴胺的水平以间接获得各模型组细胞存活率。实验结果显示,多奈哌齐、BMSCs上清液和BMSCs对β-淀粉样蛋白低聚物诱导的PC12细胞损伤具有较强的保护作用,可显著提高细胞活力;不同的纸基支架类型如滤纸和印刷纸,会导致细胞对药物产生不同程度的积极反应。第三章:熔融沉积型阵列微室芯片用于骨髓间充质干细胞微球的制备研究本章巧妙地利用熔融沉积成型3D打印机的打印模型在切片过程中通过调节填充密度即可直接调控三维结构的填充微室尺寸,成功制备了一系列不同形状、不同尺寸的阵列微室芯片用于细胞微球的制备。本章对影响芯片微室的关键因素如芯片几何形状、几何尺寸、打印层厚和打印耗材以及细胞捕获的离心条件进行系统考察,并在相同条件下对两台不同厂家的3D打印机制作的芯片进行对比。实验结果显示,不同厂家来源的3D打印机影响芯片微室的关键因素并不相同,提示研究人员需对不同3D打印机的打印参数进行优化才可达到最佳成型效果;通过使用离心法,3D打印所得梯度大小的微阵列芯片可成功获得梯度体积大小的细胞微球。