用于模拟肺泡呼吸过程的仿生肺泡器官芯片

呼吸系统与外界环境直接相通，因此，空气中的病原体或者细菌极易引起疾病，并且在大规模范围内传播。现有肺部研究多利用动物模型，但是，由于物种差异，人类肺部疾病难以在动物模型中模拟。因此，迫切需要具有人体生理结构和功能的肺器官芯片，产生可转化为人体所用的数据。然而，构建体外肺泡器官芯片主要有以下几个难点：（1）控制不同区域应变，模拟肺泡多种多样的变形结构；（2）构建气体-液体交换界面，以模拟气体/养分交换过程；（3）构建三维仿生结构，以用于模拟肺泡基底膜多细胞结构；（4）提供合适的生物材料，以模拟细胞生长环境；（5）施加机械刺激，以模拟肺泡呼吸过程。因此，如何选择合适的材料，通过新颖的结构设计及组装是解决上述难点的关键。

近期，浙江大学机械工程学院的研究人员从剪纸艺术中得到灵感，在平面设计制造网格结构，并通过网格结构控制三维应变，从而构建了具有局部力学调控能力，可以模拟肺泡重要结构和功能的仿生肺泡器官芯片。相关论文以“A Biomimetic Controllable Strain Membrane for Cell Stretching at Air-Liquid Interface Inspired by Papercutting” 为题发表在International Journal of Extreme Manufacturing期刊上。浙江大学机械工程学院贺永教授为论文通讯作者，李元戎博士为第一作者。

图1 仿生肺泡器官芯片的构建

受剪纸拉花艺术启发的仿生肺泡基底膜

仿生肺泡基底膜由聚己内酯（PCL）网格和涂敷的水凝胶组成，受“剪纸拉花”艺术启发，研究人员设计了一系列结构用于调控局部应变。PCL网格由不同半径的同心圆和向外发散的曲线构成，在形变时圆环基本不发生改变，而不同弧度的曲线用于控制附近水凝胶的形变程度，通过改变曲线弧度实现模拟多种肺泡变形的能力。

图2 利用网格结构调控局部应变

利用重力与表面张力的平衡构建气液界面

该研究利用水凝胶多孔结构实现了“透而不漏”的特性，表现为细胞无法穿透水凝胶，但是气体/营养物质可以穿透水凝胶，并实现液体的重力与表面张力在仿生基底膜上相平衡。仿生肺泡芯片由液体（血液）腔室、气体（肺泡）腔室以及带有血管细胞和肺部细胞的仿生基底膜构建完整的气血屏障结构。

图3 气液屏障构建

此外，甲基丙烯酸化水凝胶（GelMA）具有很好的细胞粘附性和机械性能，能够穿透4 kDa-500 kDa的物质。在该研究中，研究人员通过材料工艺优化得到了最贴近肺泡基底膜硬度、厚度和渗透率的参数。

图4 仿生基底膜材料优化

利用正负压强交替实现仿生呼吸

通过在液体腔室和气体腔室进行正压和负压交替，该研究成功驱动仿生基底膜的鼓起和下降，以用于模拟肺泡呼吸过程。

图5 肺器官芯片机械刺激

构建完整气血屏障的机械通气模型并进行药物评估

机械通气是借助呼吸机建立气道口与肺泡间的压力差，给呼吸功能不全的病人以呼吸支持。但在很多情况下，肺的病变是不均一的，在机械通气过程中，过度膨胀的肺组织与正常肺组织之间、反复开闭的肺组织与正常肺组织之间以及扩张程度不同的肺组织之间，都会产生较大的剪切力，造成肺损伤。

图6 构建气血屏障并用于药物评估

在该研究中，研究人员利用肺泡器官芯片在36%面形变率条件下构建了机械肺损伤病理模型。随后，研究人员模拟口服/注射方式通过血液（液体腔室）给洛匹那韦/利托那韦药物治疗疾病。结果表明洛匹那韦/利托那韦可降低过拉伸状态下Lamin A的表达，有效预防机械通气所致肺损伤。

总体而言，该研究提供了一种调节局部应变的复合材料的思路，可以指导体外肺泡模型的设计。相信这项工作有助于直观观察仿生肺泡的工作状态，并促进药物开发新方法的提出。

审核编辑：刘清