芯片上的肾，芯片上的人

MEMS · 公众号 · · 2017-07-19 00:00

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多家科研机构正在尝试把多个芯片器官整合到一起，得到一个“芯片上的人”。

芯片上的肾

在这项新的研究成果中，这张芯片严格意义上来说其实还算不上是一颗肾脏，因为从结构的完整性上来看，这张芯片并没有囊括肾脏的所有结构，从功能性上来看，这张芯片也没有囊括肾脏的所有功能。但是这项研究在芯片上重现了肾脏完成其功能所必需的一项活动：过滤。

以尿液的产生为例，血液在进入肾脏后会在肾脏的基本过滤单位肾小体中进行过滤。肾脏中有数百万个肾小体，它们以一种“人多力量大”的方式各自贡献自己的绵薄之力，帮助从血液中过滤掉各种代谢废物。这种过滤活动有一定的选择性：各类小分子物质能够被过滤掉，而各类大分子物质（比如蛋白质）和血细胞则不会。被滤出的部分在经过进一步的处理之后就形成了尿液。

这个选择性的过滤界面主要由三层构成，第一层是血管细胞（内皮细胞），第二层是一种有较大通透性的膜（肾小球基膜），最外一层是一类叫做足细胞的细胞。如果把这个由三层结构组成的过滤界面看成一个“筛子”，那么它的“网孔”的大小在很大程度上是由最外层的足细胞决定的，因为这些细胞会伸出很多不规则的突起，包裹住第二层的膜，只留出一些很小的间隙，供小分子物质通过。

利用材料科学、干细胞研究、药物学等多个领域的技术和方法，哈佛大学的科学家制造出的这张芯片长宽不足2厘米。他们在这张芯片上构建起了一个由三层结构组成的类似界面，使在更接近人体的条件下研究这种过滤过程成为了可能。

这张芯片的原理和结构非常简单。整张芯片由两条通道、一层膜，外加两个“气压舱”构成。科学家首先使用材料科学领域的技术手段在两块柔性材料上各“挖”出了一条显微级、类似露天水渠的通道，其中一条的横截面尺寸为1mm×1mm，另一条更小，只有1mm×0.2mm。这两条通道被面对面地上下叠在一起，中间仅仅被一层超薄、具有一定通透性的膜所隔开（由于两条通道都是“露天”的，因此如果去掉这层膜，两者将会联通）。

一方面这层膜为细胞的生长提供了支撑，另一方面，由于膜上的网孔较小，也使位于一侧的细胞无法穿越到另一侧。两条通道在芯片上的入口和出口分别与一根导管相连，彼此独立，从而使这张膜成为两条通道之间唯一能发生物质交换的界面。

为了更好地模拟人体的生理环境，科学家还在通道两侧各“挖”了一个“气压舱”，“气压舱”与一个抽气/泵气装置相连。抽气/泵气装置会周期性的抽气/泵气，降低/升高“气压舱”里的气压。由于整张芯片是由柔性材料制成的，因此当“气压舱”里的气压周期性的降低/升高时，这个过滤界面会出现周期性的拉伸/收缩，这种伸缩很好地模拟了在人体内由于心脏搏动导致的血压的周期性变化。