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微流控芯片：解锁动脉粥样硬化研究的新钥匙

一、引言

1.1研究背景与意义

动脉粥样硬化（Atherosclerosis，AS）是一种严重威胁人类健康的慢性疾病，其引发的心脑血管事件，如心肌梗死、脑卒中等，具有高发病率和高死亡率的特点，已然成为全球范围内的主要死亡原因之一。据世界卫生组织（WHO）统计，每年因心脑血管疾病死亡的人数占总死亡人数的比例高达30%以上。在中国，随着人口老龄化进程的加快以及生活方式的改变，动脉粥样硬化相关疾病的发病率也呈逐年上升趋势。

动脉粥样硬化的发展是一个渐进且复杂的过程，涉及多种细胞和分子机制。传统上对动脉粥样硬化的研究主要依赖于动物模型和体外细胞实验。动物模型虽能较好地模拟体内生理病理环境，但存在成本高、周期长、个体差异大以及伦理等问题。例如，构建一个稳定的动脉粥样硬化动物模型可能需要数月时间，且不同动物个体对相同处理的反应可能不尽相同，这给实验结果的准确性和重复性带来挑战。体外细胞实验虽然操作简便、成本较低，但难以完全模拟体内复杂的血流动力学环境、细胞间相互作用以及血管微环境。常规的细胞培养是在静态条件下进行，无法真实反映血管内血液流动对细胞产生的剪切力等力学刺激，而这些力学因素在动脉粥样硬化的发生发展过程中起着关键作用。

微流控芯片技术的出现，为动脉粥样硬化研究带来了新的契机。微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程中的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，可自动完成分析全过程。有着体积轻巧、使用样品及试剂量少，且反应速度快、可大量平行处理样品和可即用即弃等优点。该技术能够在微尺度上精确操控流体，模拟体内复杂的生理微环境，包括血流动力学、细胞间相互作用以及物质传输等，为深入研究动脉粥样硬化的发病机制提供了有力工具。通过微流控芯片，研究人员可以精确控制流体的流速、压力等参数，模拟不同的血流动力学状态，观察其对血管内皮细胞、平滑肌细胞等的影响，从而揭示血流动力学因素在动脉粥样硬化发生发展中的作用机制。此外，微流控芯片还可实现多种细胞在芯片上的共培养，更好地模拟体内细胞间的相互作用，有助于深入理解动脉粥样硬化过程中细胞通讯和信号传导的复杂网络。利用微流控芯片技术研究动脉粥样硬化，有望突破传统研究方法的局限，为动脉粥样硬化的早期诊断、治疗靶点的发现以及药物研发提供新思路和新方法，具有重要的理论意义和临床应用价值。

1.2微流控芯片技术概述

微流控芯片技术，又被称为芯片实验室（Lab-on-a-Chip）技术，是一门融合了生物、化学、医学、流体力学、微电子机械系统（MEMS）等多学科的新兴交叉技术。其基本概念是将生物医学分析过程中的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元，通过微机电加工技术，集成到一块尺寸通常在平方厘米至平方毫米量级、内部含有微米级通道网络的芯片上，从而实现分析全过程的自动化和微型化。

从原理层面来看，微流控芯片利用微尺度下流体独特的物理性质来操控和处理流体。在微尺度环境中，流体的流动呈现出与宏观尺度下不同的特性，如层流现象显著，惯性力相对较小，粘性力起主导作用。基于这些特性，研究人员可以通过巧妙设计芯片上的微通道结构、尺寸以及施加外部驱动力，实现对流体的精确控制。常用的驱动方式包括电渗流驱动、压力驱动、离心力驱动等。以电渗流驱动为例，当在微通道两端施加直流电场时，由于微通道内壁表面电荷与溶液中反离子形成的双电层结构，溶液会在电场作用下整体定向移动，从而实现流体的输送和混合。在微流控芯片中，物质的传输和反应也具有独特的规律。由于微通道尺寸微小，物质的扩散距离短，扩散速率相对较快，这使得反应能够在较短时间内达到平衡，大大提高了分析效率。同时，通过精确控制微通道内的流体流速和流型，可以实现对化学反应过程的精准调控，例如控制反应物的混合比例和反应时间，以满足不同实验的需求。

微流控芯片技术的核心特点在于其高度集成化和微型化。高度集成化体现在能够将多种功能模块集成在同一芯片上，如样品进样模块、反应模块、分离模块、检测模块等，各个模块之间通过微通道相互连接，形成一个完整的分析系统。这种集成化设计不仅减少了传统实验中繁琐的样品转移和操作步骤，降低了实验误差，还提高了实验的通量和效率。微型化则使得芯片的尺寸大幅缩小，相应地减少了样品和试剂的消耗，通常仅需微升甚至纳升级别的样品和试剂，这对于珍贵样品的分析以及降低实验成本具有重要意义。此外，微流控芯片还具备快速响应的优势，由于微尺度下物质传输和反应速度快，整个分析过程能够在短时间内完成，从几分钟到几十分钟不等，大大提高了实验效率。同时，微流控芯片可以实现大量平行处理样品，通过在芯片上设计多个独立的微通道或反应单元，能够同时对多个样品进行相同或不同的实验操作，这在高通量药物筛选、基