1. 微流控细胞培养
1) 三维培养
传统细胞培养多采用二维方式，即细胞在基底上形成单层生长。该方法操作简便且成本较低，但无法准确模拟体内细胞的三维生长环境，难以维持生理相关的表型特征。因此，从二维培养向三维培养的转变成为模拟体内微环境的关键步骤。
微流控芯片为三维细胞培养提供了先进技术支持，其核心策略是将细胞包裹于水凝胶中进行培养。
常用的水凝胶材料包括琼脂糖、海藻酸钠、胶原蛋白和Matrigel凝胶等，这些材料具备良好的生物兼容性和透气性，支持气体、养分及代谢物的扩散和交换，同时有效模拟细胞与细胞外基质的相互作用。
在具体操作中，通常会在微流控芯片中设置脊、柱或桩等结构，以保证水凝胶在通道或腔室中的稳定填充。将水凝胶加入芯片并凝固定型后，再引入细胞悬液，细胞即可附着于水凝胶表面并进行生长。
2) 细胞共培养
基于微流控芯片的细胞共培养可分为接触式和非接触式两种模式。
接触式共培养通过微液滴技术或陷阱捕获技术，将不同细胞控制在同一微小空间中，实现细胞间的直接接触，适用于研究各种细胞间的相互作用。
非接触式共培养利用微阀、水凝胶、半透膜或窄通道等结构，将不同细胞分隔在芯片的不同区域，避免直接接触的干扰，更适用于旁分泌和内分泌信号的传导研究。
在共培养体系中，半透膜被广泛使用，常见材料包括聚碳酸酯（PC）膜和聚乙烯（PE）膜。这些膜带有孔径为0.1-12.0μm的微孔，允许小分子和蛋白质通过，但阻止细胞穿过。
通过微流体技术，可分别在半透膜两侧接种细胞，一种细胞位于芯片底部，另一种位于半透膜上。微流控芯片的分层结构支持细胞的长期稳定共培养。
3) 肿瘤微环境
肿瘤微环境是指肿瘤在发生和发展过程中所处的内外部环境的总和，是一个复杂多变的系统，区别于正常细胞和组织的生存环境。
其主要特征包括组织缺氧、周围间质高压以及大量细胞生长因子、趋化因子、蛋白水解酶和免疫炎症因子的聚集。肿瘤微环境在肿瘤的生长、增殖、侵袭、转移及血管生成中起着关键作用。
微流控芯片因其微纳结构与细胞大小相匹配，密封灌注培养可模拟生理环境，同时具备高效的传质、传热性能和灵活可控的微流体网络，能够模拟生理中的化学和物理因素。
通过结构设计和功能集成，微流控芯片可实现多类型细胞的共培养，并以浓度梯度方式引入可溶性细胞因子，从而在体外构建复杂的肿瘤微环境。由于能够高度模拟近生理环境，微流控芯片已成为肿瘤微环境研究的重要平台。
2. 组织/器官芯片
随着微流控芯片技术的普及，以及基于其发展的三维细胞培养和共培养技术，能够模拟人类组织或器官主要功能的仿生系统——即“组织/器官芯片”应运而生。
组织/器官芯片通过微流控技术实现精确可控的流体剪应力和机械力。在这些芯片中，细胞以单独或共培养的形式置于特定微结构内，并受到多种生物因子和机械作用的刺激，从而模拟组织或器官的多细胞结构及体内微环境。
与动物模型相比，组织/器官芯片更具人体相关性，解决了动物实验的伦理争议，同时克服了动物实验周期长、成本高、以及难以准确预测人体药物反应等问题。
这一技术为临床前试验提供了减少、替代动物实验的可能，并在降低研发成本的同时加速了药物发现的进程。
目前，已建立多种类型的组织/器官芯片，包括血管、肠道、肾脏、肺、心脏等。组织/器官芯片结合细胞生物学、工程学和生物材料学等多学科技术，模拟多种组织和器官的主要结构与功能特征，广泛应用于生物医学研究、环境毒理检测、药物筛选和个性化治疗等领域。
3. 微流控单细胞分离
1) 微坑和微坝分离
机械捕获是一种高效的物理方法，通过设计特殊的微结构，如微坑和微坝，实现单细胞的捕获与分离。
在微坑捕获中，液体进入微坑并从底部孔隙流出。流体动力将单个细胞引导至微坑中心的小孔处。
由于细胞尺寸大于孔径，当细胞进入微坑后，会堵住底部孔隙，阻止液体继续通过该微坑，迫使剩余细胞悬液流向其他微坑，从而实现单细胞的快速均匀分布。
另一种常用方法是微坝捕获。微坝采用U形杯结构，在微流控芯片内捕获单个细胞，并结合“Quake阀”技术——通过气体压力关闭通道，将单个细胞封闭在独立的腔室中，实现细胞的分离。
在芯片内，这些单细胞可被进一步裂解，并支持重复处理和洗涤步骤，从而对目标蛋白进行定量分析。
2) 液滴分离法
近年来，液滴分离单细胞成为一种流行的方法。大量研究采用T形交叉结构或聚焦流结构生成液滴，将细胞悬浮于溶液中。当细胞悬液被疏水缓冲液包裹时，细胞间的联系被切断，完成单细胞的封装与分离。
由于细胞在空间中的分布具有随机性，生成的液滴中包含的细胞数量不均，呈泊松分布，因此需对液滴进行进一步分选。
4. 微流控单细胞基因测序
微流控技术为单细胞研究带来了新突破。微流控芯片体积小，操作体积在微升至纳升范围内，不仅能保持较高的样品浓度，还可减少试剂消耗，降低实验成本。同时，微流控装置的封闭操作空间有效避免了试剂间的交叉污染。
单细胞测序通常包括以下步骤：单细胞分离、基因组DNA/RNA提取、全基因组/全转录组扩增、测序以及后续分析。
由于单个细胞中基因含量仅为pg级，传统基因测序仪难以直接检测，因此需先对基因组进行扩增。单细胞全基因组扩增（WGA）需生成足够的DNA副本以适应当前测序协议的文库制备需求。
常用的WGA技术包括三类：基于PCR的扩增（如引物延伸预扩增PCR、PEP-PCR和简并寡核苷酸引物PCR）、多重置换扩增（MDA）和多次退火环状循环扩增（MALBAC）。
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