器官芯片（Organ-on-a-chip）和微生理系统（Micro-physiological system, MPS）是生物工程领域的前沿技术。这些平台通过生物打印、微流控芯片和组织工程技术的融合，在微尺度上模拟人体器官的功能，为药物筛选和疾病研究提供了接近人体生理条件的模型，旨在更准确地再现器官的生理和病理特性。
MPS进一步拓展了这一概念，通过模拟细胞和组织的三维环境，弥补了传统二维细胞培养和动物模型的不足。微流控系统在MPS中起着关键作用，能够在微尺度上精确控制流体，为细胞提供动态流体力学环境，尤其在模拟血管系统时显得尤为重要。
因此，体外重建血管系统成为器官芯片和MPS构建的核心挑战，其中微血管网络设计尤为关键。
微流控技术在重构血管系统中具有显著优势：一是它可以在时间和空间上精确控制通道内的流体流动，为内皮细胞提供可控的刺激，从而研究血管系统的机理；二是其通道尺寸可以与血管的微观结构相匹配，结合三维培养和组织工程技术，能够在体外重建具有功能性的血管网络。
微流控芯片中进行血管体外重构的方法
微流控芯片在体外重构血管方面具有广泛应用，通常被称为“微血管芯片”，它可以准确模拟人体血管系统的功能，可以用于构建疾病模型、进行药物筛选和毒性评估等。
1) 微流控芯片中二维平面上直接培养血管内皮细胞形成单层屏障
在微流控芯片上直接培养或利用多孔膜培养血管内皮细胞以形成单层屏障，是体外重建血管、模拟人体血管功能的重要手段之一。研究人员通过特定的表面处理和细胞培养技术，使内皮细胞附着于微通道的内壁，形成连续的细胞单层。
利用多孔膜还可以构建具有特定孔隙大小和分布的屏障，模拟血管壁的基础结构。这些内皮细胞表现出类似体内的形态和功能，如紧密连接的形成，从而模拟真实的血管屏障，广泛应用于研究细胞间相互作用、血管通透性、药物输送及病理状态下的血管功能。此方法不仅支持细胞附着与生长，还能控制细胞间的物质交换。
通过光刻和微加工技术制造微流控芯片并集成多孔膜，由于工艺可控且重复性好，便于观测，因此成为当前器官芯片领域中形成内皮屏障的主流方法之一。然而，这种方式形成的内皮细胞层为二维单层，缺乏三维管腔结构，难以全面再现体内血管的三维形态及其相关功能。
此外，由于缺乏类似体内的细胞外基质包裹，血管新生、出芽等许多生理现象也难以在这种模型上重现。因此，开发能够在体外可控构建血管三维管腔形态的技术和方法，正越来越受到关注。
2) 利用凝胶微塑形的中空管道中贴壁培养内皮细胞形成血管
不同于在二维平面或多孔膜上构建内皮细胞单层，利用软光刻和其他微加工技术，可以在硅片或PDMS模具上精确制作胶原蛋白或其他基质的微结构。
移除模具并封装凝胶形成通道后，再接种血管内皮细胞，便可形成体外血管模型。通过微加工技术，研究者能够构建复杂的血管网络，为深入理解血管系统机制及开发新治疗方法提供重要工具。
这种基于微加工塑形的方法能精确控制血管网络的尺寸、形状和模式，确保高度重复性，并兼容多种材料，在模拟体内血管结构、组织工程、疾病模型和药物测试方面非常有效。
然而，该技术存在一些不足，如步骤繁琐、成本高、管道几何形状非圆形以及潜在的生物相容性问题。此外，所形成的血管仍是单层细胞构成，难以重现体内血管组织新生等特殊生理现象。
3) 利用可牺牲模具或凝胶形成管腔后贴壁培养内皮细胞形成血管
为了简化微加工塑形的繁琐步骤并提升实验效率，研究人员开发了模板成型后去除模板的方法，用于在体外形成微血管模型。该方法通常分两步：首先，利用可牺牲模具创建微通道或网络；然后在通道内接种内皮细胞，形成完整的内皮层。
当前的模板成型与去除技术主要包括基于针的模板成型法和牺牲模板胶原成型法，这也是当前生物3D打印领域构建血管或其他腔道结构的主流技术。
与简单的微针去除式模板成型法相比，牺牲模板法能在体外形成更复杂的血管网络。在这种方法中，首先使用易溶解的凝胶或固体材料制作二维或三维血管网络模具，将其封装于三维水凝胶中。待模具成型后，通过溶解或融化可降解模板，模板材料从固化的水凝胶中流出，从而在水凝胶内形成相互连接的通道网络。
4) 微流控芯片胶原中直接培养细胞自发形成微血管网络
基于微血管形成机制的研究发现，在层黏连蛋白和纤连蛋白等胶原基质中，内皮细胞在特定的培养条件和信号诱导下，能够自行组织成类似真实血管的管状结构。这些水凝胶，如胶原蛋白、基质凝胶、明胶和纤维蛋白等，含水量高达90%~99%，对生物分子渗透性强。
目前的研究主要是通过在体外的胶原或纤维蛋白凝胶中共同培养血管内皮细胞和成纤维细胞，后者分泌血管内皮生长因子（VEGF）等细胞因子，诱导内皮细胞在胶原中自发形成微血管及内腔，使微流体可以在体外血管中流动。
体外血管模型的另一个重要应用是在疾病研究，特别是肿瘤生物学领域。癌症发展经历多个阶段，包括肿瘤初始生长、免疫细胞浸润、血管生成、肿瘤细胞内渗、癌细胞血管转运、远端外渗及转移瘤生长。微血管肿瘤模型能够在体外再现这些过程，为癌症研究提供了重要工具，并作为低成本抗癌药物筛选的平台。
基于内皮细胞和基质细胞的旁分泌机制，在胶原中自组装血管网络的方法已在体外实现了稳定且可灌注的微血管网络。
其主要优势在于多细胞生态系统能在三维培养中长期存活，并可应用于微流控芯片上进行组织工程实验，更紧密地模拟人体微血管的自然形成过程。这种技术在药物筛选和疾病模型，尤其是肿瘤研究中，具有重要应用价值。
然而，这种方法也面临挑战，如难以精确控制血管网络的几何结构和分布、结构复杂性有限、长期稳定性和生理功能不足，以及水凝胶的物理和化学特性可能对网络形成和功能产生限制。
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