微流控芯片內(nèi)單元構(gòu)件的尺度使它有可能同時(shí)容納分子、細(xì)胞、仿生的組織，甚至器官，而芯片特殊的操控體系又使它能同時(shí)測(cè)量物理量、化學(xué)量和生物量，因此，微流控芯片已被業(yè)界公認(rèn)為當(dāng)今哺乳動(dòng)物細(xì)胞及其微環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)操控的主流平臺(tái)，而細(xì)胞是生命存在的基礎(chǔ)。

21世紀(jì)第一個(gè)十年的后期，哈佛大學(xué)Ingber等開展了一系列芯片器官的研究工作，并于2010年發(fā)表了關(guān)于芯片肺的代表性的文章。2011年9月16日，美國總統(tǒng)奧巴馬親自宣布啟動(dòng)由NIH，F(xiàn)DA和國防部牽頭，104億美金的基于芯片器官的“微生物系統(tǒng)研究項(xiàng)目”，“以確保美國未來20年在新藥發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位”，并認(rèn)為，“仿生微流控芯片”能夠以令人難以想象的幅度降低新藥發(fā)現(xiàn)的成本和周期，給新藥開發(fā)帶來一次革命。項(xiàng)目自2012年啟動(dòng)，經(jīng)費(fèi)在此后的執(zhí)行過程中被不斷追加，哈佛、MIT、UC Berkley、Cornell等十余個(gè)名校團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了其中的主要工作。

差不多在同一個(gè)時(shí)間段，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的微流控芯片團(tuán)隊(duì)先后在微流控芯片上完成了一系列的細(xì)胞培養(yǎng)，多種細(xì)胞的共培養(yǎng)和三維共培養(yǎng)，免軟骨組織培養(yǎng)，以及帶有肝微粒體的藥物代謝等工作，進(jìn)而于2010年10月的香山會(huì)議上正式提出并啟動(dòng)微流控芯片仿生組織——器官的研究。

組織—器官芯片是繼細(xì)胞芯片之后一種更接近仿生體系的模式。組織—器官芯片的基本思想是設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)，可包含人體細(xì)胞、組織、血液、脈管，組織—組織界面以及活器官的微環(huán)境，或者說，在一塊數(shù)平方厘米的芯片上模擬一個(gè)活體的行為，并研究活體中整體和局部的種種關(guān)系，驗(yàn)證以至發(fā)現(xiàn)生物體中液體的種種流動(dòng)狀態(tài)和行為。

微流控組織—器官芯片可被看成是一個(gè)由微流控芯片組建的仿生實(shí)驗(yàn)室，它提供了一種在相對(duì)簡(jiǎn)單的生物體體外對(duì)極其復(fù)雜的生物體體內(nèi)開展模擬研究的途徑。如果我們隊(duì)實(shí)際問題的把握足夠準(zhǔn)確，而物理抽象過程又盡可能合理的話，對(duì)于類似于藥物毒性，個(gè)性治療這樣的困惑現(xiàn)代制藥工業(yè)和現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)的瓶頸問題，芯片上的仿生實(shí)驗(yàn)無異于一種天賜良機(jī)。“實(shí)際問題物理化，物理模型數(shù)學(xué)化”，以偏微分方程為代表的數(shù)學(xué)模擬曾經(jīng)在解決一系列重大科學(xué)技術(shù)問題上作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，類似于仿生模擬這樣的專一性芯片實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)，實(shí)際上可能催生另一種重要的研究模式，也即：“實(shí)際問題物理化，物理模型芯片化”。

從物理模型確定后，首先要做的是在芯片上構(gòu)建生理模型并對(duì)它進(jìn)行表征。以Ingber等的以芯片肺為例，從人的氣孔中取出細(xì)胞，置于膜的前部培養(yǎng)，而將人肺血管內(nèi)皮細(xì)胞置于同一膜的背部培養(yǎng)，其間有介質(zhì)流過，由此構(gòu)建了一個(gè)組織—組織界面。此外，他們又設(shè)計(jì)了一個(gè)由彈性橡膠做成的側(cè)孔，施加了循環(huán)的負(fù)壓，是處于中間的膜及其兩側(cè)的細(xì)胞按人呼吸的頻率不斷舒張和收縮。這樣，他們就把兩種或兩種以上的組織放在一起，實(shí)際上是創(chuàng)造了一個(gè)生理環(huán)境，使這些細(xì)胞能顯示出其在人體內(nèi)相似的功能，因此具備了人體器官的基本特征。

當(dāng)然，所有的器官都不可能脫離身體的其他部位而孤立存在，因此最終我們必需考慮人體這個(gè)整體。大連微流控芯片團(tuán)隊(duì)的另一極，大連理工大學(xué)藥學(xué)院羅勇等構(gòu)建一個(gè)有高集成度的三維組織—器官微流控芯片系統(tǒng)，用于藥物研發(fā)中的臨床前試驗(yàn)。

      這一模型的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多組織、器官集成的微流控芯片具有部分代替小白鼠功能的潛在可能，是開展微流控芯片藥學(xué)研究的重要平臺(tái)，特別是，對(duì)于諸如抗輻射試劑和抗病菌試劑這一類通常難以在生物實(shí)體上開展試驗(yàn)的藥劑，芯片器官的出現(xiàn)更無疑是一個(gè)天賜良機(jī)。