อุปกรณ์ Brain-on-a-chip คืออุปกรณ์ที่ช่วยให้สามารถเพาะเลี้ยงและจัดการเนื้อเยื่อที่เกี่ยวข้องกับสมองผ่านการผลิตระดับไมโครและการไหลของของเหลวระดับไมโครโดย: 1) ปรับปรุงความมีชีวิตในการเพาะเลี้ยง; 2) สนับสนุนการคัดกรองแบบความเร็วสูงสำหรับแบบจำลองอย่างง่าย; 3) จำลองสรีรวิทยาและโรคในระดับเนื้อเยื่อหรืออวัยวะในหลอดทดลอง /นอกร่างกายและ 4) เพิ่มความแม่นยำและความสามารถในการปรับแต่งของอุปกรณ์การไหลของของเหลวระดับไมโคร^{[ 11 ] [ 12 ]}อุปกรณ์ Brain-on-a-chip สามารถครอบคลุมระดับความซับซ้อนหลายระดับในแง่ของวิธีการเพาะเลี้ยงเซลล์ และสามารถรวมถึงเนื้อเยื่อสมองและ/หรือเนื้อเยื่อกั้นเลือด-สมอง^{[ 13 ]}อุปกรณ์เหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้แพลตฟอร์มที่หลากหลาย ตั้งแต่การเพาะเลี้ยงเซลล์ แบบ 2 มิติแบบดั้งเดิม ไปจนถึงเนื้อเยื่อ 3 มิติในรูปแบบของชิ้นส่วนสมองแบบออร์แกโนไทป์ และล่าสุดคือออร์แกนอยด์

ชิ้นส่วนสมองแบบออร์แกโนไทป์เป็น แบบ จำลองในหลอดทดลองที่จำลอง สรีรวิทยา ในร่างกายด้วยปริมาณงานและประโยชน์ทางแสงเพิ่มเติม^{[ 11 ]}จึงเข้ากันได้ดีกับอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิก ชิ้นส่วนสมองมีข้อดีเหนือกว่าการเพาะเลี้ยงเซลล์ปฐมภูมิตรงที่โครงสร้างของเนื้อเยื่อยังคงอยู่ และปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์หลายเซลล์ยังคงเกิดขึ้นได้^{[ 14 ] [ 15 ]}มีความยืดหยุ่นในการใช้งาน เนื่องจากชิ้นส่วนสามารถใช้ได้ทันที (น้อยกว่า 6 ชั่วโมงหลังจากการเก็บเกี่ยวชิ้นส่วน) หรือเพาะเลี้ยงเพื่อใช้ในการทดลองในภายหลัง เนื่องจากชิ้นส่วนสมองแบบออร์แกโนไทป์สามารถคงความมีชีวิตได้นานหลายสัปดาห์ จึงช่วยให้สามารถศึกษาผลกระทบในระยะยาวได้^{[ 14 ]}ระบบที่ใช้ชิ้นส่วนยังช่วยให้เข้าถึงการทดลองด้วยการควบคุมสภาพแวดล้อมภายนอกเซลล์อย่างแม่นยำ ทำให้เป็นแพลตฟอร์มที่เหมาะสมสำหรับการเชื่อมโยงโรคกับผลลัพธ์ทางพยาธิวิทยาประสาท^{[ 15 ]}ชิ้นส่วนสมองแบบออร์แกโนไทป์สามารถสกัดและเพาะเลี้ยงได้จากสัตว์หลายชนิด (เช่น หนู) แต่ยังรวมถึงจากมนุษย์ด้วย^{[ 16 ]}

อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์ถูกนำมาใช้ร่วมกับชิ้นส่วนออร์แกโนไทป์เพื่อปรับปรุงความมีชีวิตของเซลล์ในการเพาะเลี้ยง ขั้นตอนมาตรฐานสำหรับการเพาะเลี้ยงชิ้นส่วนสมองแบบออร์แกโนไทป์ (ความหนาประมาณ 300 ไมครอน) ใช้เยื่อกึ่งพรุนเพื่อสร้างส่วนต่อประสานระหว่างอากาศกับตัวกลาง^{[ 17 ]}แต่เทคนิคนี้ส่งผลให้เกิดข้อจำกัดในการแพร่กระจายของสารอาหารและก๊าซที่ละลายอยู่ เนื่องจากระบบไมโครฟลูอิดิกส์นำเสนอ การไหล แบบราบเรียบของสารอาหารและก๊าซที่จำเป็นเหล่านี้ การขนส่งจึงดีขึ้นและสามารถบรรลุความมีชีวิตของเนื้อเยื่อที่สูงขึ้นได้^{[ 12 ]}นอกเหนือจากการรักษาความมีชีวิตของชิ้นส่วนมาตรฐานแล้ว แพลตฟอร์มสมองบนชิปยังช่วยให้สามารถเพาะเลี้ยงชิ้นส่วนสมองที่หนาขึ้นได้สำเร็จ (ประมาณ 700 ไมครอน) แม้จะมีอุปสรรคในการขนส่งที่สำคัญเนื่องจากความหนา^{[ 18 ]}เนื่องจากชิ้นส่วนที่หนาขึ้นยังคงรักษาสถาปัตยกรรมของเนื้อเยื่อดั้งเดิมไว้ได้มากขึ้น ทำให้อุปกรณ์สมองบนชิปสามารถบรรลุคุณลักษณะที่ " เหมือน ในร่างกาย " มากขึ้นโดยไม่ลดทอนความมีชีวิตของเซลล์ อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์สนับสนุนการคัดกรองแบบความเร็วสูงและการประเมินความเป็นพิษทั้งในวัฒนธรรม 2 มิติและแบบชิ้น ทำให้เกิดการพัฒนายาบำบัดใหม่ที่มุ่งเป้าไปที่สมอง^{[ 11 ]}อุปกรณ์หนึ่งสามารถคัดกรองยาพิแทวาสแตตินและอิริโนเทแคนแบบผสมผสานในกลิโอบลาสโตมามัลติฟอร์ม (มะเร็งสมองชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดในมนุษย์) ^{[ 19 ]}แนวทางการคัดกรองเหล่านี้ได้ถูกรวมเข้ากับการสร้างแบบจำลองของอุปสรรคเลือด-สมอง (BBB) ​​ซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญที่ยาต้องเอาชนะเมื่อทำการรักษาสมอง ทำให้สามารถศึกษาประสิทธิภาพของยาข้ามอุปสรรคนี้ได้ในหลอดทดลอง [ ^{20 ] [ 21 ] [ 22 ] โพ}รบไมโครฟลูอิดิกส์ถูกใช้เพื่อส่งสีย้อมด้วยความแม่นยำสูงในระดับภูมิภาค ทำให้เกิดการไหลเวียนของไมโครในระดับท้องถิ่นในการใช้งานยา^{[ 23 ] [ 24 ]} แบบจำลอง BBB ในหลอดทดลอง แบบไมโครฟลูอิดิก จำลองสภาพแวดล้อม 3 มิติสำหรับเซลล์ที่ฝังอยู่ (ซึ่งให้การควบคุมที่แม่นยำของสภาพแวดล้อมของเซลล์และนอกเซลล์) จำลองแรงเฉือน มีสัณฐานวิทยาที่เกี่ยวข้องทางสรีรวิทยามากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแบบจำลอง 2 มิติ และช่วยให้สามารถรวมเซลล์ประเภทต่างๆ เข้ากับอุปกรณ์ได้ง่าย^{[ 25 ]}เนื่องจากอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกสามารถออกแบบให้สามารถเข้าถึงได้ด้วยแสง จึงทำให้สามารถมองเห็นสัณฐานวิทยาและกระบวนการในบริเวณเฉพาะหรือเซลล์แต่ละเซลล์ได้^{[ 26 ]}ระบบสมองบนชิปสามารถจำลองสรีรวิทยาในระดับอวัยวะในโรคทางระบบประสาท เช่นโรคอัลไซเมอร์โรคพาร์กินสันและ โรค ปลอกประสาทเสื่อมแข็งได้แม่นยำกว่าเทคนิคการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบ 2 มิติและ 3 มิติแบบดั้งเดิม^{[ 27 ] [ 28 ]}ความสามารถในการจำลองโรคเหล่านี้ในลักษณะที่บ่งชี้ถึง สภาวะ ในร่างกายเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการนำการบำบัดและการรักษาไปใช้^{[ 12 ] [ 11 ]}นอกจากนี้ อุปกรณ์สมองบนชิปยังถูกนำมาใช้ในการวินิจฉัยทางการแพทย์ เช่น การตรวจหา ไบโอมาร์กเกอร์สำหรับมะเร็งในชิ้นเนื้อสมอง^{[ 29 ]}

อุปกรณ์สมองบนชิปอาจทำให้เกิดแรงเฉือนต่อเซลล์หรือเนื้อเยื่อเนื่องจากการไหลผ่านช่องเล็กๆ ซึ่งอาจส่งผลให้เซลล์เสียหายได้^{[ 12 ]}ช่องเล็กๆ เหล่านี้ยังทำให้เกิดความเสี่ยงต่อการดักจับฟองอากาศ ซึ่งอาจขัดขวางการไหลและอาจทำให้เซลล์เสียหายได้^{[ 30 ]}การใช้ PDMS ( polydimethylsiloxane ) อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์สมองบนชิปมีข้อเสียอยู่บ้าง แม้ว่า PDMS จะมีราคาถูก อ่อนตัวได้ และโปร่งใส แต่โปรตีนและโมเลกุลขนาดเล็กสามารถถูกดูดซับเข้าไปและรั่วไหลออกมาในอัตราที่ไม่สามารถควบคุมได้^{[ 12 ]}

แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าในอุปกรณ์ BBB แบบไมโครฟลูอิดิก แต่อุปกรณ์เหล่านี้มักมีความซับซ้อนทางเทคนิคมากเกินไป ต้องใช้การตั้งค่าและอุปกรณ์เฉพาะทางสูง และไม่สามารถตรวจจับความแตกต่างเชิงเวลาและเชิงพื้นที่ในจลนศาสตร์การขนส่งของสารที่เคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางของเซลล์ได้ นอกจากนี้ การวัดการซึมผ่านโดยตรงในแบบจำลองเหล่านี้ยังมีข้อจำกัดเนื่องจากการไหลเวียนของเลือดที่จำกัดและรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนและไม่ชัดเจนของเครือข่ายหลอดเลือดฝอยที่เกิดขึ้นใหม่^{[ 25 ]}

ลำไส้จำลองของมนุษย์บนชิปประกอบด้วยไมโครแชนเนลสองช่องที่คั่นด้วย เยื่อเคลือบ เมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) ที่มีความยืดหยุ่นและมีรูพรุน ซึ่งบุด้วยเซลล์เยื่อบุลำไส้: Caco-2 ซึ่งถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางเป็นเกราะป้องกันลำไส้^{[ 31 ] [ 32 ]}เซลล์ Caco-2 ถูกเพาะเลี้ยงภายใต้การเปลี่ยนแปลงสภาพตามธรรมชาติของเซลล์ต้นกำเนิด ซึ่งเป็น มะเร็งต่อมอะเดโนคาร์ซิโนมา ของลำไส้ใหญ่ของมนุษย์ ซึ่งเป็นตัวแทนของแบบจำลองคุณสมบัติการป้องกันและการดูดซึมของลำไส้^{[ 31 ]}ไมโครแชนเนลถูกสร้างขึ้นจากพอ ลิเมอร์ โพลีไดเมทิลไซลอกเซน (PDMS) ^{[ 32 ]}เพื่อเลียนแบบสภาพแวดล้อมจุลภาคของลำไส้ จึงมีการออกแบบการไหลของของเหลวคล้ายการบีบตัวของลำไส้^{[ 32 ]}โดยการเหนี่ยวนำแรงดูดในห้องสุญญากาศตามทั้งสองด้านของเยื่อสองชั้นของช่องเซลล์หลัก ทำให้เกิดความเครียดเชิงกลแบบวงจรของการยืดและการคลายตัวเพื่อเลียนแบบพฤติกรรมของลำไส้^{[ 32 ]} นอกจากนี้ เซลล์ยังเกิดการสร้างและแบ่งตัวของวิลลัสโดยธรรมชาติ ซึ่งเป็นลักษณะทั่วไปของเซลล์ลำไส้^{[ 32 ] [ 33 ]}ภายใต้โครงสร้างวิลลัสสามมิติ เซลล์ไม่เพียงแต่เพิ่มจำนวนเท่านั้น แต่กิจกรรมการเผาผลาญยังเพิ่มขึ้นอีกด้วย^{[ 34 ]}อีกหนึ่งผู้เล่นที่สำคัญในลำไส้คือจุลินทรีย์ หรือที่เรียกว่าจุลินทรีย์ในลำไส้จุลินทรีย์หลายชนิดในจุลินทรีย์ในลำไส้เป็นแอนแอโรบิกอย่างเคร่งครัด เพื่อที่จะเพาะเลี้ยงแอนแอโรบิกที่ไม่ทนต่อออกซิเจนเหล่านี้ร่วมกับเซลล์ลำไส้ที่ต้องการออกซิเจน จึงได้ออกแบบลำไส้บนชิปที่ทำจากโพลีซัลโฟน^{[ 35 ]}ระบบนี้รักษาการเพาะเลี้ยงร่วมกันของเซลล์เยื่อบุลำไส้ใหญ่ เซลล์คล้ายโกเบล็ต และแบคทีเรียFaecalibacterium prausnitzii , Eubacterium rectaleและBacteroides thetaiotaomicron ^{[ 35 ]}

การให้ยาทางปากเป็นหนึ่งในวิธีการให้ยาที่พบได้บ่อยที่สุด ช่วยให้ผู้ป่วย โดยเฉพาะผู้ป่วยนอก สามารถรับประทานยาได้ด้วยตนเองโดยมีโอกาสเกิดปฏิกิริยาเฉียบพลันจากยาน้อยที่สุด และในกรณีส่วนใหญ่จะไม่เจ็บปวด อย่างไรก็ตาม การออกฤทธิ์ของยาในร่างกายอาจได้รับอิทธิพลอย่างมากจากผลของการผ่านครั้งแรกลำไส้ซึ่งมีบทบาทสำคัญในระบบย่อยอาหารของมนุษย์ จะเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของยาโดยการดูดซับคุณสมบัติทางเคมีและชีวภาพของยาอย่างเลือกสรร^{[ 36 ]}แม้ว่าการพัฒนายาใหม่จะมีค่าใช้จ่ายสูงและใช้เวลานาน แต่ข้อเท็จจริงที่ว่าเทคโนโลยีลำไส้บนชิปสามารถบรรลุระดับการประมวลผลที่สูงได้นั้น ช่วยลดต้นทุนและเวลาในการวิจัยและพัฒนายาใหม่ได้อย่างมาก^{[ 37 ]}

แม้ว่าสาเหตุของโรคลำไส้อักเสบ (IBD) จะยังไม่ชัดเจน แต่พยาธิสรีรวิทยาของโรคนี้เกี่ยวข้องกับจุลินทรีย์ในลำไส้^{[ 38 ]}วิธีการปัจจุบันในการเหนี่ยวนำให้เกิด IBD คือการใช้สัญญาณการอักเสบเพื่อกระตุ้น Caco-2 พบว่าเยื่อบุลำไส้มีการลดลงของหน้าที่กั้นและมีความเข้มข้นของไซโตไคน์เพิ่มขึ้น^{[ 37 ]}ระบบลำไส้จำลองบนชิปช่วยให้สามารถประเมินการขนส่ง การดูดซึม และความเป็นพิษของยา ตลอดจนการพัฒนาที่เป็นไปได้ในการศึกษาพยาธิกำเนิดและปฏิสัมพันธ์ในสภาพแวดล้อมจุลภาคโดยรวม^{[ 39 ]}เซลล์ภูมิคุ้มกันมีความสำคัญในการเป็นตัวกลางของกระบวนการอักเสบในความผิดปกติของระบบทางเดินอาหารหลายอย่าง ระบบลำไส้จำลองบนชิปเมื่อเร็วๆ นี้ยังรวมถึงเซลล์ภูมิคุ้มกันหลายชนิด เช่น แมโครฟาจ เซลล์เดนดริติก และเซลล์ CD4+ T ในระบบด้วย^{[ 40 ]}นอกจากนี้ ระบบลำไส้จำลองบนชิปยังช่วยให้สามารถทดสอบผลต้านการอักเสบของสายพันธุ์แบคทีเรียได้^{[ 35 ]}

ชิปนี้ใช้เพื่อสร้างแบบจำลองการบาดเจ็บของลำไส้ที่เกิดจากรังสีในมนุษย์ในหลอดทดลองเนื่องจากจำลองการบาดเจ็บทั้งในระดับเซลล์และเนื้อเยื่อ การบาดเจ็บรวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียง: การยับยั้งการผลิตเมือก การส่งเสริมให้วิลลัสแบนราบ และการบิดเบี้ยวของไมโครวิลลัส^{[ 41 ]}

ปอดจำลองกำลังได้รับการออกแบบเพื่อปรับปรุงความเกี่ยวข้องทางสรีรวิทยาของแบบจำลองอินเทอร์เฟซ ถุงลม - เส้นเลือดฝอย ในหลอดทดลองที่มีอยู่ ^{[ 42 ]} อุปกรณ์ไมโครอเนกประสงค์ดังกล่าวสามารถจำลองคุณสมบัติโครงสร้าง การทำงาน และกลไกที่สำคัญของอินเทอร์เฟ ซถุงลม -เส้นเลือดฝอยของมนุษย์ (เช่น หน่วยการทำงานพื้นฐานของปอดที่มีชีวิต)

Dongeun Huh จาก Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด อธิบายถึงการสร้างระบบที่มีไมโครแชนเนลสองช่องที่อยู่ใกล้กันมาก โดยมีเยื่อพรุน ยืดหยุ่นบาง (10 μm) ที่ทำจากPDMS คั่น อยู่^{[ 43 ]} อุปกรณ์นี้ประกอบด้วยไมโครฟลูอิดิกแชนเนลสามช่อง และมีเพียงช่องตรงกลางเท่านั้นที่มีเยื่อพรุน เซลล์เพาะเลี้ยงถูกเพาะเลี้ยงไว้ทั้งสองด้านของเยื่อ: เซลล์เยื่อบุผิวถุงลมของมนุษย์อยู่ด้านหนึ่ง และเซลล์เยื่อบุผนังหลอดเลือดฝอยในปอดของมนุษย์อยู่ด้านอีกด้านหนึ่ง

การแบ่งช่องภายในท่อไม่เพียงแต่ช่วยอำนวยความสะดวกในการไหลของอากาศในฐานะของเหลวที่นำพาเซลล์และสารอาหารไปยังพื้นผิวส่วนปลายของเยื่อบุผิวเท่านั้น แต่ยังช่วยให้เกิดความแตกต่างของความดันระหว่างช่องกลางและช่องด้านข้างอีกด้วย ในระหว่างการหายใจเข้าตามปกติในวงจรการหายใจของมนุษย์ความดันภายในช่องเยื่อหุ้มปอดจะลดลง ทำให้ถุงลมขยายตัว เมื่ออากาศถูกดึงเข้าไปในปอด เยื่อบุผิวของถุงลมและเยื่อบุผนังหลอดเลือดฝอยที่เชื่อมต่อกันจะถูกยืดออก เนื่องจากมีการเชื่อมต่อสุญญากาศกับช่องด้านข้าง การลดลงของความดันจะทำให้ช่องกลางขยายตัว จึงทำให้เยื่อหุ้มที่มีรูพรุนยืดออก และต่อมาก็ทำให้ส่วนเชื่อมต่อระหว่างถุงลมและหลอดเลือดฝอยทั้งหมดถูกยืดออก การเคลื่อนไหวแบบไดนามิกที่ขับเคลื่อนด้วยความดันซึ่งอยู่เบื้องหลังการยืดตัวของเยื่อหุ้ม หรือที่เรียกว่าความเครียดเชิงกล แบบวงจร (มีค่าประมาณ 10%) จะเพิ่มอัตราการเคลื่อนย้ายของอนุภาคนาโนผ่านเยื่อหุ้มที่มีรูพรุนอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์แบบคงที่ และระบบเพาะเลี้ยงแบบ Transwell

เพื่อให้สามารถตรวจสอบความถูกต้องทางชีวภาพของอุปกรณ์ได้อย่างสมบูรณ์ จำเป็นต้องประเมินการตอบสนองของอวัยวะทั้งหมด ในกรณีนี้ นักวิจัยได้สร้างความเสียหายให้กับเซลล์:

• การอักเสบในปอด : การตอบสนองการอักเสบในปอดเกี่ยวข้องกับกลยุทธ์หลายขั้นตอน แต่ควบคู่ไปกับการผลิตเซลล์เยื่อบุผิวที่เพิ่มขึ้นและการปล่อย ไซ โตไคน์ ในระยะเริ่มต้น อินเทอร์ เฟซควรมีโมเลกุลการยึดเกาะ ของ เม็ดเลือดขาว เพิ่มขึ้น ^{[ 44 ]}ในการทดลองของ Huh การอักเสบในปอดถูกจำลองโดยการนำตัวกลางที่มีสารสื่อกลางที่ก่อให้เกิดการอักเสบอย่างรุนแรงเข้าไป เพียงไม่กี่ชั่วโมงหลังจากเกิดการบาดเจ็บ เซลล์ในอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกที่ได้รับแรงดึงแบบวงจรจะตอบสนองตามการตอบสนองทางชีวภาพที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้
• การติดเชื้อในปอด : มีการใช้ แบคทีเรียอีโคไล ที่มีชีวิต เพื่อแสดงให้เห็นว่าระบบนี้สามารถเลียนแบบการตอบสนองของเซลล์ตามธรรมชาติต่อการติดเชื้อแบคทีเรียในปอด ได้อย่างไร โดยนำแบคทีเรียไปวางไว้บนพื้นผิวส่วนปลายของเยื่อบุผิวถุงลม ภายในไม่กี่ชั่วโมง ก็ตรวจพบ เซลล์เม็ดเลือดขาวชนิดนิวโทรฟิลในช่องถุงลม ซึ่งหมายความว่าพวกมันได้เคลื่อนย้ายมาจากช่องขนาดเล็กของหลอดเลือดที่เยื่อหุ้มที่มีรูพรุนได้กลืนกินแบคทีเรียเข้าไป

นอกจากนี้ นักวิจัยเชื่อว่าศักยภาพของระบบปอดจำลองบนชิปนี้จะช่วยในด้านพิษวิทยาได้ โดยการศึกษาการตอบสนองของปอดต่ออนุภาคนาโนนักวิจัยหวังว่าจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับความเสี่ยงต่อสุขภาพในสภาพแวดล้อมบางอย่าง และแก้ไขแบบจำลองในหลอดทดลองที่เคยเรียบง่ายเกินไป เนื่องจากปอดจำลองบนชิปแบบไมโครฟลูอิดิกสามารถจำลองคุณสมบัติทางกลของปอดมนุษย์ที่มีชีวิตได้อย่างแม่นยำกว่า การตอบสนองทางสรีรวิทยาจึงจะรวดเร็วและแม่นยำกว่า ระบบ เพาะเลี้ยงแบบ Transwellอย่างไรก็ตาม งานวิจัยที่ตีพิมพ์ยอมรับว่าการตอบสนองของปอดจำลองบนชิปยังไม่สามารถจำลองการตอบสนองของเซลล์เยื่อบุผิวถุงลมปอดตามธรรมชาติได้อย่างสมบูรณ์

ความพยายามในอดีตที่จะจำลองสภาพแวดล้อมของเนื้อเยื่อหัวใจในร่างกายจริงนั้นพิสูจน์แล้วว่าเป็นเรื่องท้าทาย เนื่องจากความยากลำบากในการเลียนแบบการหดตัวและ การตอบสนอง ทางไฟฟ้าสรีรวิทยาคุณสมบัติเหล่านี้จะช่วยเพิ่มความแม่นยำของการทดลองในหลอดทดลองได้อย่างมาก

ไมโครฟลูอิดิกส์มีส่วนช่วยในการทดลองในหลอดทดลองเกี่ยวกับเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจซึ่งสร้างแรงกระตุ้นทางไฟฟ้าที่ควบคุม อัตราการเต้น ของหัวใจ^{[ 45 ]}ตัวอย่างเช่น นักวิจัยได้สร้างอาร์เรย์ของ ไมโครแชมเบอร์ PDMSที่จัดเรียงด้วยเซ็นเซอร์และอิเล็กโทรดกระตุ้นเป็นเครื่องมือที่จะตรวจสอบการเผาผลาญของเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจด้วยวิธีทางเคมีไฟฟ้าและทางแสง^{[ 46 ]}แล็บออนอะชิปอีกตัวหนึ่งได้รวมเครือข่ายไมโครฟลูอิดิกส์ใน PDMS เข้ากับไมโครอิเล็กโทรดแบบระนาบในลักษณะเดียวกัน ในครั้งนี้เพื่อวัดศักยภาพภายนอกเซลล์จากเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจของหนูโต เต็มวัยเพียงเซลล์เดียว ^{[ 47 ]}

การออกแบบหัวใจบนชิปที่รายงานอ้างว่าได้สร้าง "วิธีการที่มีประสิทธิภาพในการวัดความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและหน้าที่ในโครงสร้างที่จำลองสถาปัตยกรรมเนื้อเยื่อแบบลำดับชั้นของกล้ามเนื้อหัวใจแบบแผ่น" ^{[ 48 ]} ชิปนี้กำหนดว่าการจัดเรียงของเซลล์กล้ามเนื้อในอุปกรณ์หดตัวที่ทำจากเนื้อเยื่อหัวใจและโปรไฟล์การแสดงออกของยีน (ได้รับผลกระทบจากรูปร่างและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเซลล์) มีส่วนช่วยในแรงที่เกิดขึ้นในการหดตัวของหัวใจ หัวใจบนชิปนี้เป็นโครงสร้างชีวไฮบริด: กล้าม เนื้อหัวใจ ห้องล่าง แบบ แอนไอโซ โทรปิก ที่ ได้รับการออกแบบ เป็นฟิล์มบางแบบยืดหยุ่น

กระบวนการออกแบบและการผลิตอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกชนิดนี้ เริ่มต้นด้วยการปิดขอบของพื้นผิวกระจกด้วยเทป (หรือฟิล์มป้องกันใดๆ) เพื่อให้ได้รูปทรงตามที่ต้องการของพื้นผิว จาก นั้นจึงเคลือบ ชั้นPNIPA ด้วยวิธีการ สปินโค้ทหลังจากที่ละลายแล้ว ฟิล์มป้องกันจะถูกลอกออก ทำให้ได้โครงสร้าง PNIPA ที่ตั้งได้เอง ขั้นตอนสุดท้ายคือการเคลือบพื้นผิวป้องกันPDMSบนแผ่นกระจกปิดด้วยวิธีการสปินโค้ทและทำให้แข็งตัว ฟิล์มบางของกล้ามเนื้อ (MTF) ช่วยให้สามารถสร้างชั้นโมโนเลเยอร์ของกล้ามเนื้อหัวใจบนพื้นผิว PDMS ที่บางและยืดหยุ่นได้^{[ 49 ]}เพื่อให้สามารถเพาะเลี้ยงเซลล์แบบ 2 มิติได้อย่างเหมาะสม จึงใช้เทคนิคการพิมพ์แบบไมโคร คอนแทคเพื่อสร้างลวดลาย "กำแพงอิฐ" ของไฟ โบรเนคตินบนพื้นผิว PDMS เมื่อเพาะเลี้ยงเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจห้องล่างบนพื้นผิวที่มีฟังก์ชันแล้ว ลวดลายไฟโบรเนคตินจะช่วยจัดเรียงเซลล์เหล่านั้นให้เกิดเป็นชั้นโมโนเลเยอร์แบบไม่สมมาตร

หลังจากตัดฟิล์มบางออกเป็นสองแถวที่มีฟันรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า และวางอุปกรณ์ทั้งหมดลงในอ่าง อิเล็กโทรดจะกระตุ้นการหดตัวของไมโอไซต์ผ่านการกระตุ้นด้วยสนาม ซึ่งทำให้แถบ/ฟันใน MTF โค้งงอ นักวิจัยได้พัฒนาความสัมพันธ์ระหว่างความเครียดของเนื้อเยื่อและรัศมีของความโค้งของแถบ MTF ในระหว่างรอบการหดตัว ซึ่งเป็นการตรวจสอบความถูกต้องของชิปที่แสดงให้เห็นแล้วว่าเป็น "แพลตฟอร์มสำหรับการวัดปริมาณความเครียด สรีรวิทยาไฟฟ้า และสถาปัตยกรรมของเซลล์" ^{[ 48 ]}

ในขณะที่นักวิจัยมุ่งเน้นไปที่ การ ^เพาะเลี้ยงเซลล์แบบ 2 มิติ [ ^{50 ] [ 51 ] [ 52 ]}โครงสร้างเซลล์แบบ 3 มิติเลียนแบบสภาพแวดล้อมในร่างกาย^{[ 53 ]}และปฏิสัมพันธ์ (เช่นเซลล์ต่อเซลล์ ) ที่เกิดขึ้นในร่างกายมนุษย์^{[ 54 ]}ได้ดีกว่า ดังนั้นจึงถือว่าเป็นแบบจำลองที่น่าสนใจสำหรับการศึกษา เช่นพิษวิทยา^{[ 55 ]}และการตอบสนองต่อยา^{[ 54} ] จากการศึกษาของ Chen et al. ^{[ 56 ]}ได้มีการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของเซลล์เยื่อบุผนังหลอดเลือด / เซลล์ เนื้อเยื่อเกี่ยวพันของลิ้นหัวใจ ( VECs / VICs ⁾ ผ่านอุปกรณ์ ไมโครฟลูอิดิกแบบ 3 มิติ ที่ ทำ จาก PDMSและแก้วโดยมีช่องด้านบนที่ไหลด้วยVECsภายใต้แรงเฉือน เม มเบรนที่มีรูพรุนสม่ำเสมอ และช่องด้านล่างที่บรรจุVIC- ไฮโดรเจล^{[ 56 ]} V ECsได้รับการตรวจสอบแล้วว่าสามารถยับยั้งการแยกตัวของไมโอไฟโบรบลาสต์^V IC ที่ผิดปกติโดยมีการยับยั้งที่เสริมแรงด้วยแรงเฉือน [ ^{56 ]}

การออกแบบ ไมโครฟลูอิดิกหัวใจบนชิปPDMS 3 มิติ อีกแบบหนึ่ง^{[ 54 ]}วัดได้ว่าสร้างความเครียดเชิงกลแบบวงจรแกนเดียว ได้ 10% ถึง 15% อุปกรณ์ประกอบด้วยการเพาะเลี้ยงเซลล์ ที่มี เสาแขวนสำหรับกรงและช่องการ ทำงานที่มี เสาโครงสร้างเพื่อหลีกเลี่ยงการโก่งงอของPDMSพร้อมกับการจำลองสัญญาณแรงดันวงจรหัวใจ^{[ 54 ]}เนื้อเยื่อ หัวใจที่สร้างขึ้นด้วย ไมโครวิศวกรรมของหนูแรกเกิด (μECTs) ที่ถูกกระตุ้นด้วยการออกแบบนี้แสดงให้เห็นถึงการเต้นที่ประสานกัน การแพร่กระจาย การเจริญเติบโต และความมีชีวิตที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุมที่ไม่ได้รับการกระตุ้น^{[ 54 ]}อัตราการหดตัวของ เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจที่ได้จาก เซลล์ต้นกำเนิดแบบเหนี่ยวนำให้เกิดความสามารถในการสร้างเซลล์หลายชนิดของมนุษย์ (hiPSC-CM) พบว่าเร่งขึ้นด้วย ไอโซพรีนาลีนน้อยลง 100 เท่าซึ่ง เป็นการรักษา ภาวะหัวใจหยุดเต้นเมื่อมี สัญญาณ กระตุ้น ไฟฟ้า (+ES) เมื่อเทียบกับกรณีที่ไม่มี ES ^{[ 54 ]}

หัวใจ จำลองไมโครฟลูอิดิก3 มิติบนชิปยังช่วยอำนวยความสะดวกในการวิจัยโรคหัวใจอีกด้วย ตัวอย่าง เช่น ภาวะหัวใจโตและพังผืด ในหัวใจ ได้รับการศึกษาผ่าน ระดับ ไบโอมาร์กเกอร์ ที่เกี่ยวข้อง ของ μECT ที่ถูกกระตุ้นด้วยกลไก เช่นเปปไทด์นาทริยูเรติกในหัวใจห้องบน (ANP) สำหรับภาวะหัวใจโต^{[ 57 ]}และทรานส์ฟอร์มิงโกรทแฟคเตอร์-β (TGF-β) สำหรับภาวะพังผืดในหัวใจ^{[ 58 ]}นอกจากนี้ ความรู้เกี่ยวกับภาวะขาดเลือดได้มาจากการสังเกตศักยภาพการกระทำ^{[ 59 ]}

วิธีการ ไมโครฟลูอิดิกที่ใช้ในการแยกแยะกลไกเฉพาะที่ระดับเซลล์เดี่ยวและระดับเนื้อเยื่อกำลังมีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อย ๆ เช่นเดียวกับวิธีการผลิต การแพร่กระจายอย่างรวดเร็วและความพร้อมใช้งานของ เทคโนโลยี การพิมพ์ 3 มิติ ความละเอียดสูงต้นทุนต่ำกำลังปฏิวัติวงการนี้และเปิดโอกาสใหม่ ๆ ในการสร้างระบบหัวใจและหลอดเลือดที่เฉพาะเจาะจงสำหรับผู้ป่วยแต่ละราย การผสมผสานระหว่างการพิมพ์ 3 มิติความละเอียดสูง เซลล์ iPSCที่ได้จากผู้ป่วยและปัญญาประดิษฐ์มีแนวโน้มที่จะก้าวหน้าอย่างมากไปสู่การสร้างแบบจำลองหัวใจเฉพาะบุคคลอย่างแท้จริง และท้ายที่สุดคือการดูแลผู้ป่วย^{[ 60 ]}

เซลล์ ไตและหน่วยไตได้รับการจำลองโดยอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกแล้ว “การเพาะเลี้ยงเซลล์ดังกล่าวสามารถนำไปสู่ความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับการทำงานของเซลล์และอวัยวะ และสามารถนำไปใช้ในการคัดกรองยาได้” ^{[ 61 ]}อุปกรณ์ไตบนชิปมีศักยภาพที่จะเร่งการวิจัยที่ครอบคลุมถึงการทดแทนการทำงานของไตที่ สูญเสีย ไป ปัจจุบันการฟอกไตต้องให้ผู้ป่วยไปที่คลินิกมากถึงสามครั้งต่อสัปดาห์ รูปแบบการรักษาที่พกพาได้และเข้าถึงได้ง่ายกว่าจะไม่เพียงแต่เพิ่มสุขภาพโดยรวมของผู้ป่วย (โดยการเพิ่มความถี่ในการรักษา) แต่กระบวนการทั้งหมดจะมีประสิทธิภาพและทนทานมากขึ้น^{[ 62 ]}การวิจัยไตเทียมกำลังมุ่งมั่นที่จะนำความสามารถในการพกพา การสวมใส่ และอาจรวมถึงความสามารถในการฝังเข้าไปในอุปกรณ์ผ่านสาขาวิชานวัตกรรม ได้แก่ ไมโครฟลูอิดิก การย่อขนาด และนาโนเทคโนโลยี^{[ 63 ]}

เนฟรอนเป็นหน่วยการทำงานของไตและประกอบด้วยโกลเมอรัสและส่วนประกอบของท่อ^{[ 64 ]} นักวิจัยที่ MIT อ้างว่าได้ออกแบบอุปกรณ์ชีวเทียมที่จำลองการทำงานของโกลเมอรัสท่อขดส่วนต้นและห่วงเฮ นเลของเน ฟ รอน

แต่ละส่วนของอุปกรณ์มีดีไซน์เฉพาะตัว โดยทั่วไปประกอบด้วยชั้นไมโครแฟบริเคชันสองชั้นคั่นด้วยเมมเบรน ทางเข้าเดียวของอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกได้รับการออกแบบมาเพื่อป้อน ตัวอย่าง เลือดในส่วนของโกลเมอรัสของเนฟรอน เมมเบรนจะยอมให้อนุภาคเลือดบางชนิดผ่านผนังของเซลล์เส้นเลือดฝอย ซึ่งประกอบด้วยเอนโดธีเลียม เยื่อฐาน และโพโดไซต์ของเยื่อบุผิว ของเหลวที่ถูกกรองจากเลือดในเส้นเลือดฝอยเข้าไปในช่องโบว์แมนเรียกว่าสารกรองหรือปัสสาวะ ขั้นต้น ^{[ 65 ]}

ในท่อไต สารบางชนิดจะถูกเพิ่มเข้าไปในสารกรองเพื่อสร้างปัสสาวะ และสารบางชนิดจะถูกดูดซึมกลับออกจากสารกรองและเข้าสู่กระแสเลือด ส่วนแรกของท่อไตเหล่านี้คือท่อขดส่วนต้น (proximal convoluted tubule) ซึ่งเป็นบริเวณที่สารอาหารสำคัญถูกดูดซึมเกือบทั้งหมด ในอุปกรณ์นี้ ส่วนนี้เป็นเพียงช่องทางตรง แต่โมเลกุลของเลือดที่ไปสู่สารกรองจะต้องผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และชั้นของเซลล์ท่อไตส่วนต้นที่กล่าวถึงไปแล้ว ส่วนที่สองของท่อไตคือห่วงเฮนเล (loop of Henle) ซึ่งเป็นบริเวณที่น้ำและไอออนจากปัสสาวะถูกดูดซึมกลับ ช่องทางที่เป็นรูปห่วงของอุปกรณ์นี้พยายามจำลองกลไกการไหลแบบทวนกระแสของห่วงเฮนเล ในทำนองเดียวกัน ห่วงเฮนเลต้องการเซลล์หลายชนิด เนื่องจากเซลล์แต่ละชนิดมีคุณสมบัติและลักษณะการขนส่งที่แตกต่างกัน ซึ่งรวมถึงเซลล์ส่วนลง (descending limb cells) เซลล์ ส่วนขึ้น บาง (thin ascending limb cells) เซลล์ ส่วนขึ้น หนา (thick ascending limb cells) เซลล์ ท่อรวมส่วนเปลือก (cortical collecting duct cells) และ เซลล์ท่อรวมส่วน ไขกระดูก (medullary collecting duct cells) ^{[ 64 ]}

ขั้นตอนหนึ่งในการตรวจสอบความถูกต้องของการจำลองพฤติกรรมการกรองและการดูดซึมกลับอย่างสมบูรณ์ของหน่วยไตทางสรีรวิทยาโดยอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิก จะต้องแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติการขนส่งระหว่างเลือดและสารกรองนั้นเหมือนกันในแง่ของตำแหน่งที่เกิดขึ้นและสิ่งที่ถูกปล่อยผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ตัวอย่างเช่น การขนส่งน้ำแบบพาสซีฟส่วนใหญ่เกิดขึ้นในท่อไตส่วนต้นและส่วนปลายที่บาง หรือการขนส่งNaClแบบแอคทีฟส่วนใหญ่เกิดขึ้นในท่อไตส่วนต้นและส่วนปลายที่หนา ข้อกำหนดการออกแบบของอุปกรณ์จะต้องกำหนดให้เศษส่วนการกรองในโกลเมอรูลัสแตกต่างกันระหว่าง 15 ถึง 20% หรือการดูดซึมกลับจากการกรองในท่อไตส่วนต้นที่แตกต่างกันระหว่าง 65 ถึง 70% และสุดท้ายความเข้มข้นของยูเรียในปัสสาวะ (ที่เก็บรวบรวมที่ทางออกหนึ่งในสองทางของอุปกรณ์) แตกต่างกันระหว่าง 200 ถึง 400 mM ^{[ 66 ]}

รายงานล่าสุดฉบับหนึ่งแสดงให้เห็นถึงหน่วยไตจำลองทางชีวภาพบนอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกไฮโดรเจล โดยสร้างฟังก์ชันการแพร่แบบพาสซีฟ^{[ 67 ]}ฟังก์ชันทางสรีรวิทยาที่ซับซ้อนของหน่วยไตเกิดขึ้นบนพื้นฐานของปฏิสัมพันธ์ระหว่างหลอดเลือดและท่อ (ทั้งสองเป็นช่องทางกลวง) ^{[ 68 ]}อย่างไรก็ตาม เทคนิคในห้องปฏิบัติการแบบดั้งเดิมมักมุ่งเน้นไปที่โครงสร้าง 2 มิติ เช่น จานเพาะเชื้อ ซึ่งขาดความสามารถในการจำลองสรีรวิทยาที่แท้จริงที่เกิดขึ้นใน 3 มิติ ดังนั้น ผู้เขียนจึงได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการสร้างไมโครแชนเนลที่มีฟังก์ชันการทำงาน เรียงตัวเซลล์ และสามารถส่งผ่านได้ภายในไฮโดรเจล 3 มิติ เซลล์บุผนังหลอดเลือดและเซลล์เยื่อบุผิวไตจะถูกเพาะเลี้ยงภายในไมโครแชนเนลไฮโดรเจลและสร้างการปกคลุมของเซลล์เพื่อเลียนแบบหลอดเลือดและท่อตามลำดับ พวกเขาใช้กล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอลเพื่อตรวจสอบการแพร่แบบพาสซีฟของโมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็กหนึ่งโมเลกุล (โดยปกติคือยา) ระหว่างหลอดเลือดและท่อในไฮโดรเจล การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่เป็นประโยชน์ในการเลียนแบบสรีรวิทยาของไตเพื่อการแพทย์ฟื้นฟูและการคัดกรองยา

ตับเป็นอวัยวะสำคัญในการเผาผลาญและเกี่ยวข้องกับการเก็บสะสมไกลโคเจน การสลายเม็ดเลือดแดง การสังเคราะห์โปรตีนและฮอร์โมนบางชนิด และการล้างพิษ [ ^{70 ] ใน}บรรดาหน้าที่เหล่านี้ การตอบสนองต่อการล้างพิษของตับมีความสำคัญต่อการพัฒนายาใหม่และการทดลองทางคลินิกนอกจากนี้ เนื่องจากมีหน้าที่หลายอย่าง ตับจึงเสี่ยงต่อโรคต่างๆ มากมาย และโรคตับได้กลายเป็นความท้าทายระดับโลก^{[ 71 ]}

อุปกรณ์ตับจำลอง (Liver-on-a-chip) ใช้ เทคนิค ไมโครฟลูอิดิกเพื่อจำลองระบบตับโดยเลียนแบบกลีบตับที่ ซับซ้อน ซึ่งเกี่ยวข้องกับหน้าที่ของตับ อุปกรณ์ตับจำลองเป็นแบบจำลองที่ดีที่ช่วยให้นักวิจัยทำงานเกี่ยวกับการทำงานผิดปกติและพยาธิกำเนิดของตับด้วยต้นทุนที่ค่อนข้างต่ำ นักวิจัยใช้เซลล์ตับ ของหนูทดลอง และเซลล์ที่ไม่ใช่เซลล์เนื้อเยื่อตับอื่นๆ^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]}วิธีการเพาะเลี้ยงร่วมนี้ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางและพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์ในการยืดอายุการอยู่รอดของเซลล์ตับและสนับสนุนการทำงานของหน้าที่เฉพาะของตับ^{[ 73 ]}ระบบตับจำลองหลายระบบทำจากโพลี(ไดเมทิลไซลอกเซน) (PDMS) ที่มีช่องและห้องหลายช่องตามการออกแบบและวัตถุประสงค์เฉพาะ^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]} PDMS ถูกนำมาใช้และได้รับความนิยมเนื่องจากมีราคาวัตถุดิบที่ค่อนข้างต่ำ และยังขึ้นรูปได้ง่ายสำหรับอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิก^{[ 75 ]}แต่ PDMS สามารถดูดซับโมเลกุลส่งสัญญาณที่สำคัญได้ รวมถึงโปรตีนและฮอร์โมน วัสดุเฉื่อยอื่นๆ เช่น โพลีซัลโฟนหรือโพลีคาร์บอเนตถูกนำมาใช้ในชิปตับ^{[ 76 ]}

การศึกษาวิจัยโดย นักวิจัยของ Emulateได้ประเมินข้อดีของการใช้ชิปตับในการทำนายการบาดเจ็บของตับที่เกิดจากยาซึ่งอาจช่วยลดต้นทุนและเวลาที่จำเป็นในกระบวนการพัฒนา / ขั้นตอน การทำงานของยา ซึ่งบางครั้งเรียกว่า"วิกฤตผลิตภาพ" ของอุตสาหกรรมยา^{[ 77 ] [ 69 ]}ต่อมา Zaher Nahle ได้สรุป "เหตุผล 12 ประการที่ทำให้ระบบไมโครสรีรวิทยา (MPS) เช่น ออร์แกนชิป เหมาะสมกว่าในการจำลองโรคของมนุษย์" ^{[ 77 ]}

การออกแบบหนึ่งจาก Kane et al. เพาะเลี้ยงเซลล์ตับหนูหลักและไฟโบรบลาสต์ 3T3-J2 ร่วมกัน ในอาร์เรย์ของบ่อไมโครฟลูอิดิก 8*8 องค์ประกอบ^{[ 72 ]}แต่ละบ่อแบ่งออกเป็นสองห้อง ห้องหลักประกอบด้วยเซลล์ตับหนูและไฟโบรบลาสต์ 3T3-J2 และทำจากแก้วเพื่อการยึดเกาะของเซลล์ แต่ละห้องหลักเชื่อมต่อกับเครือข่ายไมโครฟลูอิดิกที่จ่ายสารตั้งต้นทางเมตาบอลิซึมและกำจัดผลพลอยได้ จาก  เมตาบอลิซึม เยื่อ PDMS หนา 100 ไมโครเมตรคั่นระหว่างห้องหลักและห้องรอง ทำให้ห้องรองสามารถเชื่อมต่อกับเครือข่ายไมโครฟลูอิดิกอีกเครือข่ายหนึ่งที่ส่ง อากาศห้อง 37 °C ที่มีคาร์บอนไดออกไซด์ 10% และทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนอากาศสำหรับเซลล์ตับหนู การผลิตยูเรียและโปรตีนในสภาวะคงที่พิสูจน์ความสามารถในการใช้งานของอุปกรณ์นี้ในการศึกษาความเป็นพิษที่มีปริมาณมาก^{[ 72 ]}

การออกแบบอีกแบบหนึ่งจาก Kang et al. เพาะเลี้ยงเซลล์ตับและเซลล์บุผนัง หลอดเลือดของหนู ทดลอง^{[ 73 ]}ขั้นแรกสร้างช่องทางเดียว จากนั้นปลูกเซลล์ตับและเซลล์บุผนังหลอดเลือดลงบนอุปกรณ์และคั่นด้วย ชั้น Matrigel บางๆ สารตั้งต้นและผลพลอยได้จากการเผาผลาญจะใช้ช่องทางนี้ร่วมกันเพื่อป้อนหรือกำจัด ต่อมาสร้างช่องทางคู่ โดยเซลล์บุผนังหลอดเลือดและเซลล์ตับจะมีช่องทางของตนเองเพื่อป้อนสารตั้งต้นหรือกำจัดผลพลอยได้ การผลิตยูเรียและผลลัพธ์ที่เป็นบวกใน การทดสอบการจำลองแบบของ ไวรัสตับอักเสบ B (HBV) แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการศึกษาไวรัสที่ก่อให้เกิดโรคในตับ^{[ 73 ]}

มีการประยุกต์ใช้ตับบนชิปอีกหลายอย่าง Lu และคณะได้พัฒนาแบบจำลองเนื้องอกตับบนชิป แบบจำลองเนื้องอกตับบนชิปแบบเลียนแบบชีวภาพที่ใช้เมทริกซ์ตับที่ปราศจากเซลล์ (DLM) และเจลาตินเมทาคริลอยล์ (GelMA) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นการออกแบบที่เหมาะสมสำหรับการศึกษาต่อต้านเนื้องอกต่อไป^{[ 74 ]} Zhou และคณะได้วิเคราะห์ความเสียหายของแอลกอฮอล์ต่อเซลล์ตับ การส่งสัญญาณ และการฟื้นตัว^{[ 78 ]}นอกจากนี้ยังสามารถพัฒนาชิปแบบเพาะเลี้ยงร่วมที่สามารถใช้ในการศึกษาปฏิสัมพันธ์ทางเมตาบอลิซึมได้^{[ 79 ]}

ตับจำลองบนชิปได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพอันยอดเยี่ยมสำหรับการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับตับ เป้าหมายในอนาคตสำหรับอุปกรณ์ตับจำลองบนชิปมุ่งเน้นไปที่การจำลองสภาพแวดล้อมของตับที่สมจริงยิ่งขึ้น รวมถึงสารเคมีในของเหลว ประเภทของเซลล์ การยืดระยะเวลาการอยู่รอด ฯลฯ^{[ 73 ]}

การสร้างเยื่อบุผิวต่อมลูกหมากขึ้นใหม่ได้รับแรงจูงใจจากหลักฐานที่บ่งชี้ว่าเป็นแหล่งกำเนิดของการแพร่กระจาย ของมะเร็ง ^{[ 80 ] [ 81 ]}ระบบเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นขั้นตอนต่อไปในการพัฒนาการเพาะเลี้ยงเซลล์จากหนูไปสู่การเพาะเลี้ยงเซลล์มนุษย์แบบสองมิติและสามมิติในภายหลัง^{[ 82 ] [ 8 ]}การพัฒนา PDMS ทำให้สามารถสร้างระบบไมโครฟลูอิดิกส์ที่ให้ประโยชน์ในด้านภูมิประเทศที่ปรับได้การแลกเปลี่ยนก๊าซและของเหลวตลอดจนความสะดวกในการสังเกตผ่านกล้องจุลทรรศน์แบบธรรมดา^{[ 83 ]}

นักวิจัยที่มหาวิทยาลัย Grenoble Alpesได้วางโครงร่างวิธีการที่ใช้ระบบไมโครฟลูอิดิกดังกล่าวในความพยายามสร้างแบบจำลองเยื่อบุผิวต่อมลูกหมากที่ใช้งานได้จริง แนวทางนี้มุ่งเน้นไปที่การกำหนดค่าไมโครแชนเนลทรงกระบอก ซึ่งเลียนแบบสัณฐานวิทยาของท่อหลั่งของมนุษย์ ซึ่งเยื่อบุผิวตั้งอยู่^{[ 84 ] [ 85 ]}มีการประเมินเส้นผ่านศูนย์กลางไมโครแชนเนลต่างๆ เพื่อส่งเสริมการเพาะเลี้ยงเซลล์ที่ประสบความสำเร็จ และพบว่าเส้นผ่านศูนย์กลาง 150-400 ไมโครเมตรนั้น ประสบความสำเร็จมากที่สุด นอกจากนี้การยึดเกาะของเซลล์ยังคงอยู่ตลอดการทดลองนี้ แม้ว่าจะมีการนำความเครียดทางกายภาพ เข้ามา ผ่านการเปลี่ยนแปลงกระแสไมโครฟลูอิดิกก็ตาม

วัตถุประสงค์ของการสร้างเหล่านี้คือเพื่ออำนวยความสะดวกในการเก็บรวบรวมของเหลวจากต่อมลูกหมาก พร้อมทั้งวัดปฏิกิริยาของเซลล์ต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมจุลภาค^{[ 86 ] [ 87 ]}นอกจากนี้ ต่อมลูกหมากบนชิปยังช่วยให้สามารถจำลอง สถานการณ์ การแพร่กระจายซึ่งช่วยให้สามารถประเมินตัวยาและวิธีการรักษาอื่นๆ ได้^{[ 88 ] [ 89 ]}ความสามารถในการขยายขนาดของวิธีนี้ยังเป็นที่น่าสนใจสำหรับนักวิจัย เนื่องจากวิธีการใช้แม่พิมพ์ที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ช่วยให้ต้นทุนการผลิตต่ำ^{[ 90 ]}

โรคหัวใจและหลอดเลือดมักเกิดจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและหน้าที่ของหลอดเลือดขนาดเล็ก ตัวอย่างเช่นรายงานจากการสำรวจสุขภาพและโภชนาการแห่งชาติ ปี 2003 ระบุว่า อัตรา ความดันโลหิตสูง ที่รายงานด้วยตนเองบ่งชี้ว่าอัตราดังกล่าวกำลังเพิ่มขึ้น ^{[ 91 ]} แพลตฟอร์มไมโครฟลูอิดิกที่จำลองการตอบสนองทางชีวภาพของหลอดเลือดแดงไม่เพียงแต่จะช่วยให้ การตรวจคัดกรองตามอวัยวะเกิดขึ้นบ่อยขึ้นตลอดการทดลองพัฒนายาเท่านั้น แต่ยังช่วยให้เข้าใจกลไกพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังการเปลี่ยนแปลงทางพยาธิวิทยาในหลอดเลือดแดงขนาดเล็กได้อย่างครอบคลุม และพัฒนากลยุทธ์การรักษาที่ดีขึ้น Axel Gunther จากมหาวิทยาลัยโตรอนโตกล่าวว่า อุปกรณ์ MEMS ดังกล่าว อาจช่วยในการประเมินสถานะหลอดเลือดขนาดเล็กของผู้ป่วยในสถานพยาบาลได้ ( การแพทย์เฉพาะบุคคล ) ^{[ 92 ]}

วิธีการทั่วไปที่ใช้ในการตรวจสอบคุณสมบัติภายในของ หลอดเลือด ต้านทาน ที่แยกออกมา (หลอดเลือดแดงฝอยและหลอดเลือดแดงขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 30  ไมโครเมตรถึง 300  ไมโครเมตร) ได้แก่ เทคนิค การวัดความดันของหลอดเลือด (pressure myography ) อย่างไรก็ตาม วิธีการดังกล่าวในปัจจุบันต้องใช้บุคลากรที่มีทักษะและไม่สามารถขยายขนาดได้ หลอดเลือดเทียมบนชิป (artery-on-a-chip) สามารถเอาชนะข้อจำกัดหลายประการเหล่านี้ได้ โดยการจำลองหลอดเลือดเทียมลงบนแพลตฟอร์มที่สามารถขยายขนาดได้ ราคาไม่แพง และอาจเป็นระบบอัตโนมัติในกระบวนการผลิต

มีการพัฒนาแพลตฟอร์มไมโครฟลูอิดิกส์แบบอวัยวะขึ้นมาเพื่อใช้เป็นห้องปฏิบัติการบนชิป โดยสามารถยึดหลอดเลือดที่บอบบางไว้บนแพลฟอร์มนี้ ทำให้สามารถศึกษาปัจจัยที่ทำให้เกิดความผิดปกติของหลอดเลือดแดงต้านทานได้

สภาพแวดล้อมจุลภาคของหลอดเลือดแดงมีลักษณะเฉพาะด้วยอุณหภูมิโดยรอบความดันข้ามผนังและ ความเข้มข้นของยา ภายในและภายนอกหลอดเลือดปัจจัยนำเข้าหลายอย่างจากสภาพแวดล้อมจุลภาคทำให้เกิดการกระตุ้นทางกลหรือทางเคมีที่หลากหลายต่อเซลล์กล้ามเนื้อเรียบ (SMCs) และเซลล์บุผนังหลอดเลือด (ECs) ซึ่งเรียงตัวอยู่ตามผนังด้านนอกและด้านในของหลอดเลือดตามลำดับ เซลล์บุผนังหลอดเลือดมีหน้าที่ในการปล่อย สาร ที่ทำให้หลอดเลือดหดตัวและขยายตัวจึงปรับเปลี่ยนโทนของหลอดเลือด โทน ของหลอดเลือด ถูกกำหนดให้เป็นระดับการหดตัวภายในหลอดเลือดเมื่อเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด^{[ 93 ]} แนวคิด ทางพยาธิวิทยา ในปัจจุบันเชื่อว่าการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในสภาพแวดล้อมจุลภาคนี้มีผลกระทบอย่างมากต่อโทนของหลอดเลือดแดงและ สามารถเปลี่ยนแปลงความต้านทานของหลอดเลือดส่วนปลาย ได้อย่างรุนแรง วิศวกรที่อยู่เบื้องหลังการออกแบบนี้เชื่อว่าจุดแข็งเฉพาะอย่างหนึ่งคือความสามารถในการควบคุมและจำลอง อิทธิพลเชิงพื้นที่และเวลา ที่ไม่สม่ำเสมอ ที่พบในสภาพแวดล้อมขนาดเล็ก ในขณะที่โปรโตคอลไมโอกราฟีได้สร้าง สภาพแวดล้อมขนาดเล็กที่เป็นเนื้อเดียวกันเท่านั้นตามการออกแบบ^{[ 92 ]} พวกเขาพิสูจน์แล้วว่าโดยการส่งฟีนิลเอฟรินผ่านช่องทางเพียงหนึ่งในสองช่องที่ให้การไหลเวียนของเลือดไปยังผนังด้านนอก ด้านที่หันเข้าหายาจะหดตัวมากกว่าด้านตรงข้ามของยามาก

หลอดเลือดแดงบนชิปได้รับการออกแบบสำหรับการฝังตัวอย่างแบบย้อนกลับได้ อุปกรณ์ประกอบด้วยเครือข่ายไมโครแชนเนล พื้นที่สำหรับบรรจุหลอดเลือดแดง และพื้นที่ตรวจสอบหลอดเลือดแดงแยกต่างหาก มีไมโครแชนเนลที่ใช้สำหรับบรรจุส่วนของหลอดเลือดแดง และเมื่อปิดผนึกช่องบรรจุแล้ว ก็ยังใช้เป็น ช่องทางการ ไหลเวียนเพื่อจำลองกระบวนการส่งสารอาหารของเลือดแดงไปยังหลอดเลือดฝอยในเนื้อเยื่อชีวภาพ^{[ 94 ]} ไมโครแชนเนลอีกคู่หนึ่งใช้สำหรับยึดปลายทั้งสองข้างของส่วนของหลอดเลือดแดง สุดท้าย ไมโครแชนเนลคู่สุดท้ายใช้เพื่อให้อัตราการไหลเวียนของสารละลาย เพื่อรักษาการทำงานทางสรีรวิทยาและการเผาผลาญของอวัยวะโดยการส่งตัวกลางที่คงที่ผ่านผนังด้านนอก ฮี ตเตอร์เทอร์โม อิเล็กทริกและตัวต้านทานความร้อนเชื่อมต่อกับชิปและรักษาอุณหภูมิทางสรีรวิทยาที่พื้นที่ตรวจสอบหลอดเลือดแดง

ขั้นตอนการใส่และยึดตัวอย่างเนื้อเยื่อลงในบริเวณตรวจสอบช่วยให้เข้าใจว่าวิธีการนี้คำนึงถึงการทำงานของอวัยวะทั้งหมดอย่างไร หลังจากจุ่มส่วนของเนื้อเยื่อลงในช่องใส่แล้ว กระบวนการใส่จะถูกขับเคลื่อนโดยกระบอกฉีดยาที่ดูดสารละลายบัฟเฟอร์ในอัตราการไหล คงที่ ที่ปลายอีกด้านของช่องใส่ ซึ่งจะทำให้หลอดเลือดแดงเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งที่กำหนดไว้ การดำเนินการนี้ทำโดยใช้สายการตรึงและการไหลเวียนของสารละลายแบบปิด หลังจากหยุดปั๊มแล้ว จะมีการใช้แรงดันต่ำกว่าบรรยากาศผ่านช่องตรึงช่องหนึ่ง จากนั้นหลังจากปิดผนึกช่องใส่แล้ว ช่องตรึงที่สองจะได้รับแรงดันต่ำกว่าบรรยากาศ ตอนนี้หลอดเลือดแดงได้รับการจัดวางอย่างสมมาตรในบริเวณตรวจสอบ และส่วนของเนื้อเยื่อจะรู้สึกถึงแรงดันผ่านผนัง ช่องที่เหลือจะถูกเปิดออก และการไหลเวียนของสารละลายและการไหลเวียนของสารละลายจะถูกปรับโดยใช้ปั๊มกระบอกฉีดยาแยกกัน^{[ 92 ]}

แบบจำลองหลอดเลือดบนชิปถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาหลายกระบวนการของโรค ตัวอย่างเช่น Alireza Mashaghi และเพื่อนร่วมงานได้พัฒนาแบบจำลองเพื่อศึกษาโรคเลือดออกที่เกิดจากไวรัส ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสูญเสียความสมบูรณ์ของหลอดเลือดที่เกิดจากไวรัส แบบจำลองนี้ถูกนำมาใช้เพื่อศึกษา โรคไวรัส อีโบลาและศึกษาเกี่ยวกับยาต้านไวรัสอีโบลา^{[ 95 ]}ในปี 2021 แนวทางนี้ได้รับการปรับปรุงเพื่อสร้างแบบจำลองไข้ลาสซาและเพื่อแสดงผลการรักษาของเปปไทด์ FX-06 สำหรับโรคไวรัสลาสซา^{[ 96 ]}

ผิวหนังของมนุษย์เป็นด่านแรกในการป้องกันเชื้อโรคหลายชนิด และตัวผิวหนังเองก็อาจเกิดโรคและปัญหาต่างๆ ได้ เช่น มะเร็งและการอักเสบ ดังนั้น การประยุกต์ใช้ผิวหนังบนชิป (SoC) จึงรวมถึงการทดสอบยาและเครื่องสำอางเฉพาะที่ การศึกษาพยาธิวิทยาของโรคผิวหนังและการอักเสบ^{[ 97 ]}และ "การสร้างการทดสอบ เซลล์อัตโนมัติแบบไม่รุกราน " เพื่อทดสอบการมีอยู่ของแอนติเจนหรือแอนติบอดีที่อาจบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของเชื้อโรค^{[ 98 ]}แม้ว่าจะมีศักยภาพในการใช้งานที่หลากหลาย แต่การวิจัยเกี่ยวกับการพัฒนาผิวหนังบนชิปกลับมีค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับอวัยวะบนชิปอื่นๆ เช่น ปอดและไต^{[ 99 ]}ปัญหาต่างๆ เช่น การหลุดออกของ โครงสร้าง คอลลาเจนจากไมโครแชนเนล^{[ 99 ]}การแยกเซลล์ที่ไม่สมบูรณ์^{[ 100 ]}และการใช้โพลี(ไดเมทิลไซลอกเซน) (PDMS) เป็นหลักในการผลิตอุปกรณ์ ซึ่งพบว่าสามารถปล่อยสารเคมีลงในตัวอย่างทางชีวภาพและไม่สามารถผลิตได้ในปริมาณมาก^{[ 101 ]}ทำให้การกำหนดมาตรฐานของแพลตฟอร์มเป็นไปได้ยาก ความยากลำบากอีกประการหนึ่งคือความแปรปรวนของโครงสร้างเพาะเลี้ยงเซลล์ หรือสารพื้นฐานที่ใช้ในการเพาะเลี้ยงเซลล์ ซึ่งใช้ในอุปกรณ์ผิวหนังบนชิป ในร่างกายมนุษย์ สารนี้เรียกว่าเมทริกซ์นอกเซลล์

เมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) ประกอบด้วยคอลลาเจนเป็นหลัก และมีการทดสอบโครงสร้างคอลลาเจนหลายชนิดในแบบจำลอง SoC คอลลาเจนมีแนวโน้มที่จะหลุดออกจาก โครงสร้าง ไมโครฟลูอิดิกในระหว่างการเพาะเลี้ยงเนื่องจากการหดตัวของไฟโบรบลาสต์งานวิจัยหนึ่งพยายามแก้ไขปัญหานี้โดยการเปรียบเทียบคุณสมบัติของโครงสร้างคอลลาเจนจากแหล่งสัตว์สามชนิดที่แตกต่างกัน ได้แก่ หนังหมู หางหนู และเท้าเป็ด^{[ 99 ]}งานวิจัยอื่นๆ ก็ประสบปัญหาการหลุดลอกเนื่องจากการหดตัว ซึ่งอาจเป็นปัญหาได้เมื่อพิจารณาว่ากระบวนการสร้างความแตกต่างของผิวหนังอย่างสมบูรณ์อาจใช้เวลานานหลายสัปดาห์^{[ 99 ]}ปัญหาการหดตัวได้รับการหลีกเลี่ยงโดยการแทนที่โครงสร้างคอลลาเจนด้วย เมทริกซ์ผิวหนังที่ทำจาก ไฟบรินซึ่งไม่หดตัว^{[ 101 ]}มีรายงานว่าการแยกแยะ และการก่อตัวของชั้นเซลล์ ที่มากขึ้นเกิดขึ้น ในการเพาะเลี้ยงแบบไมโครฟลูอิดิกเมื่อเปรียบเทียบกับการเพาะเลี้ยงแบบคงที่แบบดั้งเดิม ซึ่งสอดคล้องกับผลการค้นพบก่อนหน้านี้เกี่ยวกับการโต้ตอบระหว่างเซลล์กับเซลล์และเซลล์ กับ เมทริกซ์ที่ดีขึ้นเนื่องจากการไหลเวียนแบบไดนามิก หรือการซึมผ่านช่องว่างระหว่างเซลล์ที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากแรงดันจากการไหลของตัวกลางอย่างต่อเนื่อง ^{[ 11 ] [ 102 ]}เชื่อกันว่าการแยกแยะและการเจริญเติบโตที่ดีขึ้นนี้เป็นผลส่วนหนึ่งมาจากแรงเฉือน ที่เกิดจาก ความแตกต่างของแรงดันตามไมโครแชนเนลเนื่องจากการไหลของของเหลว^{[ 103 ]}ซึ่งอาจช่วยปรับปรุงการจัดหาธาตุอาหารให้กับเซลล์ที่ไม่ได้อยู่ติดกับตัวกลาง โดยตรง ในการเพาะเลี้ยงแบบคงที่ที่ใช้ในแบบจำลองผิวหนังแบบดั้งเดิม เซลล์จะได้รับธาตุอาหารในตัวกลางผ่านการแพร่กระจายเท่านั้น ในขณะที่การไหลเวียนแบบไดนามิกสามารถปรับปรุงการไหลของธาตุอาหารผ่านช่องว่างระหว่างเซลล์ได้^{[ 103 ]}การไหลเวียนนี้ยังแสดงให้เห็นว่าช่วยปรับปรุงการสร้างรอยต่อแน่นของชั้นเคราตินซึ่งเป็นชั้นนอกสุดที่แข็งแรงของหนังกำพร้า ซึ่งเป็นอุปสรรคหลักในการแทรกซึมของชั้นผิวหนังด้านบน^{[ 104 ]}

การไหลเวียนแบบไดนามิกอาจช่วยเพิ่มความมีชีวิตของเซลล์ได้ ดังที่แสดงให้เห็นโดยการวางผิวหนังเทียมเชิงพาณิชย์ในแพลตฟอร์มไมโครฟลูอิดิกซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานที่คาดไว้ได้หลายสัปดาห์^{[ 105 ]}การศึกษาเบื้องต้นนี้ยังแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของรูขุมขนในแบบจำลองผิวหนังเทียม รูขุมขนเป็นเส้นทางหลักในการเข้าสู่ชั้นใต้ผิวหนังสำหรับครีมทาเฉพาะที่และสารอื่นๆ ที่ใช้กับผิวหนัง ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่การศึกษาล่าสุดมักไม่ได้คำนึงถึง^{[ 105 ]}

การศึกษาหนึ่งได้พัฒนา SoC ที่ประกอบด้วยสามชั้น ได้แก่ชั้นหนังกำพร้าชั้นหนังแท้และ ชั้น เยื่อบุผนังหลอดเลือด ซึ่งคั่นด้วยเยื่อพรุน เพื่อศึกษาอาการบวมน้ำซึ่งเกิดจากการสะสมของของเหลวนอกเซลล์ ซึ่งเป็นปฏิกิริยาทั่วไปต่อการติดเชื้อหรือการบาดเจ็บ และเป็นขั้นตอนสำคัญในการซ่อมแซมเซลล์ พบว่าการใช้ Dex ซึ่งเป็น ครีม สเตียรอยด์ที่มีคุณสมบัติต้านการอักเสบก่อน ช่วยลดอาการบวมใน SoC ได้^{[ 97 ]}

เยื่อบุโพรงมดลูกได้รับการจำลองขึ้นเพื่อบทบาทในการฝังตัวและขั้นตอนอื่นๆ ของ การ ตั้งครรภ์^{[ 106 ]}