化学品使用日趋广泛,传统化学品毒性评价方法已无法满足有害化学物质暴露急剧增加及大量新化合物的评价需求。作为传统实验动物可替代的评价方法,体外活体细胞模型可以高灵敏地感知细胞外界环境的变化,并且通过多种细胞参数变化直接反映出来。故利用细胞在化学品、药品、环境毒素等外界刺激下,相应的代谢、阻抗等细胞生理参数的变化,可以间接监测毒性大小。本论文以微流控技术和电化学生物传感技术为基础,构建了化学品间接毒性监测平台,可用于化学品暴露的高效毒性预警和评价,以及加快新药研发过程中药物毒副作用及机理的研究进程。主要工作如下:平台理论及设计部分,重点介绍了化学品间接毒性监测平台中所涉及的细胞阻抗、细胞培养、细胞代谢、微流控系统等基本原理,确定了化学品间接毒性监测平台中两个核心传感芯片即生物反应器和细胞代谢监测芯片的结构,其中两个芯片之间由微通道和外部管道连接,并用微注射泵系统控制。生物反应器为可拆卸设计,能实现细胞培养,保证快速、简便、实时细胞阻抗监测,同时方便重复使用过程中芯片的清洗等操作。该反应器由透明或半透明材料制成,方便光学显微镜对细胞的生长状态的观察。细胞代谢监测芯片,为三明治可拆卸结构,其中检测电极为葡萄糖氧化酶和乳酸氧化酶修饰的丝网印刷电极,用于细胞外环境中葡萄糖和乳酸同时在线含量检测。平台制作及测试部分,基于以上设计方案,采用计算机辅助设计(Computer-aided design,CAD)制图软件设计芯片,使用溅射、光刻、计算机数字控制(Computer numerical control,CNC)等微加工工艺对其进行制作,并对所制备的芯片进行形貌和性能的考察。生物反应器主要包括:聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)细胞培养腔、叉指电极层和聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate,PMMA)夹具。叉指电极层中电极条完整,电极宽度为15μm和电极间距为30μm。细胞培养腔与叉指电极层进行生物相容性封装,无死腔。细胞代谢监测芯片包括:PMMA夹具、PDMS通道层和丝网印刷电极。所制备电极的葡萄糖检测范围为0~25 m M,乳酸检测范围为0~20 mM。样品测量前通过微流控系统自动进行标准液校准、空气吹扫、PBS稳定,整个循环为10 min。化学品间接毒性监测平台细胞阻抗采样间隔为10 s,细胞代谢监测采样间隔为10 min。实验分析部分,基于所构建的化学品间接毒性监测平台,考察了Hep G2细胞生长过程中的细胞阻抗,细胞代谢随时间的变化。结合细胞阻抗和细胞代谢过程中葡萄糖摄取率和乳酸产生率三种参数评价了D-山梨醇、对乙酰氨基酚、环磷酰胺、胺碘酮和鱼藤酮对HepG2细胞毒性,验证了平台间接评价化学品毒性可行性,并提出了相应的风险评估策略。此外,通过监测多种细胞参数,能更好地解释和区分不同化学品对细胞作用的机理。本研究所构建的间接毒性监测平台有望应用于细胞代谢生理学、线粒体呼吸功能测定、细胞培养条件优化等生物医药领域,为相关化学品和生态风险评估体系的建立提供了方法依据,在生命健康安全、生态文明建设等方面有着深远的意义。