细胞及其周围微环境之间的相互作用是组织工程和再生医学领域中的重要基本问题。其中，机械转导（即细胞感知和响应机械微环境的行为）是一个复杂的过程，迫切需要开发简单有效的细胞实验微器件进行相关研究。复旦大学高分子科学系丁建东的研究小组利用先进的微加工技术和有限元分析来设计并成功制造出了一种简化但功能齐全且适用的微流控细胞拉伸芯片。常规的微流体拉伸芯片由三层组成，即，弹性膜层夹在两个微通道层之间。这种微流控芯片的生产需要对准和多重键合，并且还需要去除两侧空腔的薄膜，这大大增加了制备芯片的难度。丁建东的研究小组设计了一种独特的两层微流控拉伸芯片。其工作机理是，当侧腔在负压下发生弹性变形时，中间腔的弹性膜被拉伸。芯片的优点在于它不需要芯片对准，只需要一次性粘结，并且不需要去除两个侧腔的弹性膜。在显微镜下观察弹性膜上的细胞时，其工作距离比传统的三层芯片的工作距离短（图1）。图1.用于细胞拉伸的新型微流控芯片和传统微流控芯片的示意图。传统的微流体芯片由三层组成（称为“三层芯片”），而新的微流体芯片仅由两层组成（称为“两层芯片”）。在表面上，这样的双层芯片是不可行的。这是由于以下事实：当双层结构由负压驱动时，双层结构的中间腔的弹性膜将不可避免地在z方向上改变。不足以满足细胞拉伸刺激的要求。丁建东的研究小组介绍了一种将有限元分析与正交实验设计相结合的新方法。在此基础上，设计了最佳的芯片结构参数（图2），这有望使z方向仅引起较小的变化。图2.通过有限元分析和正交实验设计优化芯片结构。为了简化模型的计算，我们简化了切屑的结构，然后通过有限元分析研究了负压下切屑的变形。最后，通过正交实验设计，我们可以仅使用计算机模拟而不是实验来获得最佳的结构参数。 W1：执行腔的宽度，W2：侧壁的宽度，T：膜的厚度，H：微通道的高度。随后，结合微电子光刻技术和其他技术，成功地通过实验制备了相关的硅橡胶（PDMS）聚合物芯片，这证实了理论上的假设。丁建东的研究小组进一步使用双层芯片来实现多种拉伸模式（即单轴拉伸，径向拉伸和梯度拉伸）。可以使用简单的光掩模设计和制造工艺来制备这三种类型的微流控芯片。细胞实验发现，细胞在不同的拉伸模式下会经历不同的方向变化（图3）。单元的取向与膜拉伸位移场垂直相关。这是因为细胞趋向于以最小扰动的方向排列以实现稳态。图3.三种拉伸模式及其细胞实验结果。该图从左到右显示了拉伸模式，拉伸后的单元状态和单元方向统计。比例尺：200μm。丁建东的研究小组还利用双层芯片的短工作距离，清楚地观察了单轴拉伸前后细胞的微管和微丝（图4）。图4.细胞骨架结构的荧光显微照片及其统计数据。 （A）单轴拉伸前后微管（左列）和微丝（中列）的荧光显微照片，以及两个细胞骨架丝的取向（右列）由作者开发的计算机程序标记。 （B）左图显示了单轴拉伸后微管和微丝的取向统计。右图显示了单轴拉伸前后细胞骨架的顺序参数。图中的星星表示标志