細胞分析在理解生命過程和生物學機制方面起著重要作用。 微流控晶元結構設計靈活、低成本且易於整合和自動化，擴充套件了細胞生物學作為細胞分析工具的研究方式。 傳統微流控晶元的製造工藝複雜且昂貴，限制了微流控晶元在細胞生物學中的應用。
利用靈活、直接、快速的原型3D列印技術製造微流控晶元，將3D列印微流控晶元與生物相容性紙晶元和PDMS膜相結合，構建了一系列小細胞分析平台，可用於基於細胞的化合物活性分析。 研究氧和溶解氧濃度梯度對細胞的影響及其作用機制。
基於細胞的化合物活性
配置和分配不同濃度的刺激很麻煩細胞在多孔板中以 2D 方式生長，不能模擬體內的 3D 生長;多孔板是一種開放式培養系統，揮發性物質的濃度會隨時間而變化，從而給結果帶來不確定性。
我們用3D列印微流控晶元和紙晶元共同搭建了細胞分析平台，3D列印晶元由兩層組成，上層是嵌入“聖誕樹”網路結構中的濃度梯度形成層，下層是帶有培養室的細胞培養層，紙晶元作為細胞培養載體放置在3D列印晶元的下層培養室中。
上層流出物為下層細胞提供持續穩定的濃度梯度刺激。 上下層的結構設計將濃度梯度形成層與細胞培養層隔開，既方便了晶元內細胞的培養，又防止了滯留在培養室外的細胞管道堵塞流道。 紙片用作細胞培養和分析的培養基。
可實現與體內相似的三維細胞生長方法，節省細胞染色分析用藥量。 液體注射的流量為2在5 l min時，3D列印的微流控晶元可以形成良好的濃度梯度細胞培養結果表明，在該平台上培養的細胞具有良好的生長活力和細胞形態。
硫化氫是細胞內的氣體訊號分子
H2S對腫瘤細胞增殖活性的影響一直存在爭議，相關的H2S實驗通常在多孔板中進行，而在開放式多孔板細胞培養系統中，H2S易揮發，影響實驗結果的穩定性和可靠性。
在構建的3D列印微流控濃度梯度晶元和紙晶元復合平台上，研究了連續低濃度H2S對肝細胞癌細胞sMMC-7721的影響。 結果表明，低濃度的H2S通過誘導細胞凋亡持續作用於腫瘤細胞，抑制其增殖，作用機制如下：H2S進入腫瘤細胞後。
它與細胞內NO一起形成具有生物活性的多硫化物中間體，誘導腫瘤細胞發生一系列生理變化，最終導致細胞凋亡。 為了研究細胞在缺氧環境中的生理反應，採用缺氧灌注室來研究汙染引起的環境缺氧。
缺氧工作站用於建立缺氧環境，但這些裝置**價格昂貴，並且不提供生理缺氧梯度。 我們將空氣和氮氣同時注入3D列印微流控晶元中，產生氧濃度梯度，並結合纖維素薄膜紙晶元作為3D列印晶元中細胞培養的基板，構建了氧梯度細胞分析平台。
該平台可在短時間內產生穩定的線性氧濃度梯度。 高生物相容性NC薄膜紙晶元作為3D列印晶元中細胞培養和分析的基板，與僅依靠螢光成像的傳統PDMS氧濃度梯度細胞培養晶元不同，在該平台上加工的細胞可以通過螢光成像和流式細胞術進行處理。
Western blot、qPCR等方法進行分析。 以斑馬魚胚胎細胞系為模型，研究了氧梯度對斑馬魚細胞週期、細胞內訊號分子和基因表達的影響。 斑馬魚細胞在氧氣梯度平台上培養後，細胞內的氧氣水平也呈現梯度變化。
缺氧導致斑馬魚細胞內活性氧增加，並允許缺氧誘導因子HIF-1在細胞中積聚;HIF-1 進一步刺激細胞內血管內皮生長因子基因轉錄，產生更多血管並增加氧氣供應同時，缺氧阻止了斑馬魚細胞週期在G0 G1的程序。
細胞週期停滯導致細胞停止增殖，以在缺氧條件下維持細胞活力。 水體缺氧已成為乙個嚴重的環境問題，為了研究缺氧對水生動物的影響，迫切需要乙個簡單的缺氧平台。 我們使用3D列印技術，一步到位製作微流控晶元。
兩種不同溶解氧濃度的液體，通過3D列印晶元的“聖誕樹”結構管網，可以產生含有多種溶解氧濃度的溶解氧梯度，透明且生物相容的PDMS膜可以作為細胞培養的基質，水生動物的胚胎和幼蟲可以直接在3D列印晶元的生長室中培養。
接受具有不同濃度溶解氧的培養物。 經驗證，3D列印晶元中產生的溶解氧濃度梯度與理論溶解氧濃度具有良好的線性相關性該平台具有良好的生物相容性，斑馬魚細胞和胚胎在其內部長期處於良好狀態。 在構建的溶氧梯度平台上，胚胎孵育一小段時間。
以透明體斑馬魚為模型生物，研究不同溶解氧濃度對斑馬魚細胞、胚胎和幼蟲水平的影響。 研究發現，缺氧導致斑馬魚細胞、胚胎和幼蟲產生活性氧，最終導致細胞凋亡和發育障礙缺氧脅迫迫使斑馬魚細胞內一氧化氮含量增加。
NO可能是魚細胞在缺氧環境中產生的保護分子，以抵消缺氧的不利影響;缺氧會降低斑馬魚胚胎的孵化率，同時抑制胚胎的心率，但對幼魚的心率沒有顯著影響。
細胞是生命活動的基本單位
在細胞水平上研究生命活動可以帶來更細緻和真實的資訊。
隨著生命科學研究的不斷深入，近年來，對細胞的研究已經滲透到分子層面，不僅在形態學、細胞各部分的亞顯微、超微觀和分子結構方面，還在其化學成分、資訊傳遞等生命活動的生理功能方面，以期探索生命過程的基本規律。
該微流控晶元的通道尺寸在微公尺到公釐範圍內，與動物細胞的體積相匹配，適用於通道內單個細胞的操作和檢測微流控晶元的內部通道可以形成乙個類似於生物體的相對封閉的環境;通道尺寸小，不僅減少了樣品消耗，而且加快了傳質和傳熱速度。
有助於提高細胞分析的靈敏度;微流控晶元的靈活設計，可以整合多個細胞研究單元和多種細胞檢測方法，實現高通量和全面的細胞研究。 迄今為止，微流控晶元已廣泛應用於細胞培養、細胞分選、藥物篩選、腫瘤研究、組織器官工程等多個領域。
在生化分析領域，特別是在細胞分析領域，利用各種儀器裝置模擬生物體的生理環境，如溫度、生物因子濃度、機械力等，並對其中的細胞進行檢測和分析，將有助於人們深入認識和研究各種生物現象，因此， 建立模擬體外生理環境的細胞分析平台，將促進細胞生物學的發展。
醫學和其他相關學科的發展。 基於微流控晶元的細胞分析平台可以有效模擬生物體內細胞的微環境，對生物現象的深入研究和細胞生物學的發展具有重要意義。
微流控晶元又稱微總分析系統或晶元實驗室，是將樣品預處理、反應、分離、細胞培養、分選、裂解、檢測等基本操作單元整合或部分整合在一起的微型裝置。 微通道形成乙個網路結構，通過受控流體貫穿整個系統，並具有傳統生物或化學實驗室的一些功能。
微流控晶元的概念是Manz在20世紀90年代初提出的，經過30多年的發展，微流控晶元技術已廣泛應用於生化分析、高通量藥物篩選、床旁診斷等生化和醫學研究。
2024年，美國推出基於微流控晶元的“微生物山東師範大學博士學位管理系統”，確保在美國新藥發現領域的領先地位。 相信該專案可以大大降低新藥發現的成本和週期，這也標誌著學術界和工業界對微流控晶元在更高層次、更大範圍內的認可。
微流控晶元材料
微流控晶元的材料是微流控晶元發展的載體，對實現微流控晶元的各種功能具有重要意義。 早期的微流控晶元主要由玻璃製成。
隨著新材料的發明和製造技術的發展，越來越多的材料被用於微流控晶元的生產。 目前，微流控晶元的主要材料可分為無機材料、高分子材料和紙基材料三大類。 矽是第一種用於製造微流控晶元的無機材料。
矽具有良好的導熱性，並確保器件中的溫度分布均勻矽表面容易發生化學改性，其表面暴露的二氧化矽羥基可以與不同型別的矽烷化試劑結合，從而改變不同區域的親水性和疏水性有機矽材料具有化學惰性，耐有機溶劑，可以在表面加工高精度微通道。
矽材料也有明顯的缺點，如：彈性差、易碎，難以在其表面整合微幫浦、微閥等流體控制單元;該材料透明度差，不能與螢光檢測、影象採集等光學檢測方法結合使用，限制了其在生物分析領域的應用。 玻璃作為另一種應用廣泛的無機晶元材料，具有獨特的優勢。
玻璃透光性好，自發螢光背景低，可實時觀察玻璃表面非特異性吸附較少，其表面羥基經過生物改性，可用於生物分子的檢測該玻璃具有高電滲遷移率，並由電滲液驅動，無需外部幫浦閥即可注入樣品，並能夠快速分離混合物。
無機材料不是微流控晶元的主流材料，主要原因是每個無機材料晶元都要從頭開始製作，晶元的重複利用率低，同時無機材料微通道的表面加工需要氫氟酸等危險化學品;無機切屑的密封需要高溫、高壓的環境。
自 2000 年以來，聚合物一直用於微流控晶元的生產。 高分子材料種類繁多，可以改性和改性，因此在選擇上具有高度的靈活性聚合物的加工效能和可塑性好，合成成本低，適合大批量生產。 有機矽彈性體材料是目前製造微流控晶元的首選材料。
以聚二甲基矽氧烷為代表的液體PDMS單體，加入聚合引發劑後，在40-70下聚合形成固體物質。 PDMS具有良好的彈性效能，可以整合微型幫浦和微型閥門等控制單元與其他晶元材料相比，PDMS具有透氣性。
有利於其在細胞分析領域的應用;此外，PDMS具有良好的透光率，這使得晶元可以與各種顯微鏡技術相結合，實時觀察細胞。 基於以上優點，PDMS可廣泛應用於細胞培養、細胞分選等生化分析領域。 PDMS由於對有機溶劑不耐受，也具有一定的侷限性。
應用範圍僅限於水溶液系統;材料表面的疏水性容易引起藥物分子和生物分子的非特異性吸附PDMS的高透氣性會引起水分子的揮發，改變晶元中溶液的濃度，使其不適合製作與氣體相關的微環境晶元。
結論
熱固性分子會通過加熱或輻射交聯固化，形成剛性網狀結構，固化過程不可逆，代表Su-8光刻膠、聚醯亞胺、環氧塑料等具有耐高溫性的物質。
耐有機溶劑，透光性好，但這種材料固化後具有明顯的剛性特性，難以整合類似無機材料的微幫浦、微閥等功能單元。 熱塑性材料在高溫下可以重塑，可以反覆成型，在室溫下是固體，當達到玻璃相變溫度時，熱塑性材料軟化，可以成型。
具有代表性的熱塑性材料有聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯等，熱塑性材料較差，成型後剛性大，微閥、微幫浦等不能整合在晶元上，但熱塑性材料可以通過熱成型在短時間內批量生產，加工成本低，可大量用於商業化產品。