肝脏是机体的代谢中枢，它合成血浆蛋白、调节糖原储存、生成激素，也是药物代谢和解毒的主要场所。肝脏毒性是化合物和药物常见的毒性反映，是临床前评估的一个重要指标。传统上，临床前评估通过动物实验进行检测，但是其昂贵的费用、耗时耗力、与人体反应对应性低以及动物福利等伦理方面的问题，使得寻求新型高效的体外评价方法成为一个重要的发展趋势。

仿生微流控器官芯片是2011年以来快速发展的一个新兴研究领域，通过在微型芯片上建立模仿人体器官的微组织，并加入高通量检测功能，从而使其成为一种高效、节约、仿生的生理毒理学研究与药物研发工具。在肝芯片方面，近年也开展了大量的研究工作，并取得了一系列重要成果。

仿生微流控肝芯片的设计理念

仿生微流控芯片集仿生、小巧、高效于一体。在肝芯片的设计中，芯片的尺寸大小仅有几厘米，通过微加工工具制造出精细的微通道网，驱动微量培养液在其中流动，精准地模拟着体内肝组织微环境，充分体现出细胞与细胞之间、细胞与生长因子之间的相互作用，从而仿制出类似于体内肝脏器官的功能。

为了更好地建立能模拟肝脏组织并能产生类似体内肝功能的生理学模型，研究人员还将三维肝细胞培养技术应用到了微流控芯片中。人体内的肝脏按照特定的组织结构整齐排列，在普通培养中肝细胞无法达到这种效果，因此采用了三维培养的方法来控制细胞的空间排列，以产生类似于天然肝脏的结构与功能。例如，Chao等用HepG2细胞和人主动脉内皮细胞，制造出类似于肝小叶3D结构的微组织，它能够代谢对乙酰氨基酚、异烟肼和利福平，并能够通过荧光素二乙酸酯或者碘化丙啶染色对肝毒性进行评估。Yum等将肝脏隔室与含有其他组织类型的细胞隔室相互连接，用以研究肝细胞如何影响其他类型的细胞。

除此之外，一些肝芯片还开发了高通量快速监测系统，以便快速评价药物和化合物的药效和毒性。例如，Riahi等在芯片中加入了一种高灵敏的微流控电化学免疫传感器，能够对芯片细胞产生的生物标志物进行在线检测，从而为肝毒性的长期体外评估和实时监测提供一个新的平台。

肝芯片的微通道灌流

肝芯片中的组织细胞是由微通道中灌流的培养液来滋养的，根据驱动这种灌流的动力来源来划分，主要有蠕动泵驱动、重力驱动和纸基虹吸法3种方法。

蠕动泵驱动的微通道灌流

微流控芯片外接蠕动泵驱动微通道灌流是目前最常用的灌流方法，它具有成本低、小型化、通用、准确和处理生物样品灵活等优点。蠕动泵驱动的微通道灌流能为微尺寸室中的活细胞提供可控的培养微环境，用于模拟组织和器官的生理功能。He等将肝脏的天然血管脉路复制于PDMS模上，构建出微血管通道网络，然后将包裹了HepG2人肝癌细胞的琼脂糖水凝胶导入芯片微通道中，用外接蠕动泵连续灌注形成单向流，以形成肝小叶样结构，这种芯片模拟体内血液真实的流动途径，能更好地体现肝脏作为代谢器官的机能。Zhou等将生物传感器与微通道灌流的肝细胞和星形细胞相连接，能动态监测乙醇损伤引起的肝星形细胞分泌TGF-β信号。

重力驱动的微通道灌流

Lee等对微流控系统的驱动系统进行改造，不使用外接蠕动泵，而是通过重力驱动将细胞灌注于芯片的微通道中。该通道具有类似于肝脏内皮层窗口的通孔，可以使相邻通道中的肝脏聚集体互相进行营养交换，其优点是芯片上的入口和出口储存器能够含有不同体积的培养基，并且由于不需要外部泵，简化了芯片的装置系统。Messner等利用重力灌流进行3D微组织肝球体培养，该芯片能够使肝细胞功能稳定保持5周以上，可用于对乙酰氨基酚和双氯芬酸等化合物进行长期的毒性评估。Esch等在芯片上种植带有微通道的3D肝细胞团，再将芯片置于摇摆平台，通过±12°角的摇摆运动，驱动微通道中液体流动。Ong等研发的无泵微流体3D灌注平台中，采用微柱阵列培养肝细胞，在培养室两侧分别设置入口贮存器和出口贮存器，通过控制入口贮存器和出口贮存器的高度差来实现培养液持续的静水压力驱动流动。这类重力驱动的微流控芯片不需要外部附加的蠕动泵驱动装置，因而制备成本较低。

纸基虹吸法的微通道灌流

纸基微流控芯片是2013年开始发展的又一种新型微流控分析方法，它以纸作为芯片基质，样品和培养液在毛细管虹吸力的驱动下自主流动，不需要辅助性驱动系统，具有易加工、低成本、易携带、操作方便等优点。例如，Vella等研制了一种基于纸基的微流控肝芯片，由塑料薄膜顶层、华氏1号层析纸制成的过滤层、雕刻有微通道的蜡膜疏水层和塑料薄膜底层4层结构组成，可用于测定血清碱性磷酸酶、谷草转氨酶、谷丙转氨酶和总血清蛋白。NR等则在纸基芯片上制备了图案化的疏水屏障和切割形成的亲水性纸通道，通过这些通道，微量样品和培养液被引导至特定的检测区，在纸基板上自主分离和滤过，从而快速、半定量地监测样本中谷草转氨酶和谷丙转氨酶的含量。然而，纸基芯片存在着一大缺点，就是仅能进行简单指标的测定，不适用于复杂和多步骤的检测。

比较上述3种灌流方式，由蠕动泵驱动的微通道灌流可以精确控制培养液的流动速度，为肝芯片培养室中的细胞提供可控的组织微环境，也减少了细胞受到的剪切力伤害，其主要缺点是需要连接复杂的设备，成本高，占据空间面积大；重力驱动的微通道灌流不需要复杂的外部连接装置，芯片的培养和后续观察比较方便，但是培养液的流速不够稳定，容易出现细胞脱落、细胞损伤等异常情况；纸基虹吸法微通道灌流发展时间最短，它利用毛细管虹吸力驱动引起介质流动，只需要微量培养液即可进行检测，成本低，操作简单方便，缺点是只适用于进行简单的检测。目前，蠕动泵驱动的微通道灌流仍是主要的微流控肝芯片作用模式，而重力驱动的微通道灌流正在快速发展和提高之中。