随着组织工程的迅速发展，能够模拟人体微环境的三维细胞培养技术应运而生，逐渐显示出比传统二维细胞培养方式更加全面的优势。将三维细胞培养技术应用到肿瘤研究中，可探索肿瘤侵袭机制、肿瘤微环境、肿瘤药物筛选等系列领域，有效解决了二维培养实验结果准确性低的问题。微流控芯片技术凭借微尺度、高效率等众多优势，在细胞研究中应用广泛，通过设置合理的培养结构，可以实现一种或多种细胞的芯片在线长期培养，为生命科学领域的细胞水平研究提供了良好的实现平台。
　　本文将微流控技术与三维细胞培养技术相结合，设计并制作了两种不同结构参数的微流控芯片，可以实现芯片上的肿瘤细胞三维培养及后续的功能应用。综合考虑细胞培养要求、芯片研制工艺优化等因素，设计了具有单层流道配置圆形培养池的芯片结构，能够有效减少对细胞的直接剪切应力。在芯片设计理论中，提出了细胞聚集体参数、初始细胞均匀性、高通量等三维培养芯片功能评价指标，用于评价芯片培养的功能效果。采用计算流体力学(CFD)的方法对两种芯片进行了数值模拟，对比分析不同结构参数对芯片流场特性的影响，探究细胞流入单个培养池时的速度及位移变化过程，观察成形的肿瘤微球给药时的剪切力大小，为实际芯片使用提供有力的参考。在实验研究过程中，搭建了基于微流控芯片的细胞实验平台，选取HeLa细胞作为肿瘤细胞的代表进行三维培养实验及肿瘤微球给药实验，通过控制通液时间(1h)和细胞初始浓度(1×107个/ml)等变量，从不同芯片功能评价指标的角度研究讨论结构参数和注射速度对三维培养效果的影响。在三维细胞培养实验基础上继续芯片的功能开发，对成形肿瘤微球进行抗癌药物筛选，得到不同药物浓度条件下肿瘤微球直径大小与药物效果的内在关系，验证芯片给药功能的实用性。
　　通过对研究结果的讨论分析，获得了更适于三维细胞培养的结构参数和注射速度（0.15μL/min、3μL/min），以及肿瘤微球直径和药物浓度与药物作用下细胞存活率的线性关系。本研究建立了一种三维培养芯片的结构优化方法，为实现低成本药物开发和高通量肿瘤机理研究提供了重要的参考价值，为未来三维培养芯片结构的更多优化设计起到了明确的指导作用。