隨著電煙（vaping）作為傳統(tǒng)煙草替代品的日益流行，其長(zhǎng)期健康影響的不確定性已成為一個(gè)緊迫的公共衛(wèi)生問題。尤其是在年輕群體中，電煙的使用率急劇上升，而相關(guān)的長(zhǎng)期研究卻相對(duì)滯后。因此，開發(fā)能夠準(zhǔn)確、可靠地評(píng)估電煙對(duì)人體（特別是肺部）健康影響的測(cè)試平臺(tái)至關(guān)重要。

器官芯片（Organ-on-a-Chip）技術(shù)是近年來生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的一大突破。這種微流控設(shè)備能夠在體外模擬人體器官的生理環(huán)境，為藥物測(cè)試和疾病研究提供了比傳統(tǒng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和二維細(xì)胞培養(yǎng)更貼近真實(shí)情況、更具倫理優(yōu)勢(shì)的替代方案。

在此背景下，南非斯泰倫大學(xué)的碩士生在其導(dǎo)師的指導(dǎo)下，開展了一項(xiàng)旨在開發(fā)一套能與“肺芯片"兼容的“煙霧暴露系統(tǒng)"的研究。該研究的主要目標(biāo)是：

1. 設(shè)計(jì)并制造一個(gè)能夠產(chǎn)生電煙蒸氣、并以可控和可重復(fù)的方式將其輸送到器官芯片設(shè)備的系統(tǒng)。

2. 設(shè)計(jì)并制造一個(gè)適合培養(yǎng)肺細(xì)胞、并能與上述暴露系統(tǒng)無縫連接的肺芯片設(shè)備。

3. 將兩者集成，并初步驗(yàn)證這一完整平臺(tái)用于研究電煙毒理學(xué)的可行性。

該研究的核心工作是開發(fā)兩大關(guān)鍵部分：煙霧暴露系統(tǒng)和器官芯片設(shè)備。

1. 煙霧暴露系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

研究者在詳細(xì)回顧了現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出了一套創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)并非簡(jiǎn)單地用一個(gè)泵將煙霧抽到芯片上，而是考慮了實(shí)驗(yàn)的精確性、無菌性和可重復(fù)性。

• 核心組件：系統(tǒng)主要由一個(gè)電煙裝置、兩個(gè)不同功能的泵（一個(gè)真空泵用于產(chǎn)生并抽取蒸氣，一個(gè)注射泵用于精確控制流向芯片的流量）、一個(gè)蒸氣儲(chǔ)罐、多個(gè)用于切換氣路的閥門、一套空氣過濾系統(tǒng)（HEPA過濾器）以及一個(gè)空氣質(zhì)量傳感器（Sensirion SPS30）構(gòu)成。

• 工作原理：系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“標(biāo)準(zhǔn)模式"和“芯片模式"兩種操作模式。關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)在于采用“真空泵+注射泵"的雙泵組合。真空泵負(fù)責(zé)將電煙產(chǎn)生的蒸氣持續(xù)抽入一個(gè)緩沖儲(chǔ)罐中；隨后，注射泵從儲(chǔ)罐中精確抽取固定量的蒸氣（例如5 mL），并以極低的流速（例如1 mL/min）平穩(wěn)地推過器官芯片。這種設(shè)計(jì)有效解決了單一泵無法同時(shí)滿足“大流量快速生成"和“微小流量精確輸送"的矛盾。

• 控制與監(jiān)測(cè)：系統(tǒng)的運(yùn)行通過ESP32微控制器和Python腳本實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化控制，并通過空氣質(zhì)量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸送至芯片的PM2.5和PM10顆粒物濃度，以確保實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定和可重復(fù)。

  

  
  

2. 器官芯片設(shè)備的設(shè)計(jì)

與煙霧暴露系統(tǒng)配套，研究者設(shè)計(jì)并制造了一款簡(jiǎn)化的“肺芯片"。

• 結(jié)構(gòu)：芯片采用標(biāo)準(zhǔn)的雙層結(jié)構(gòu)，中間夾有一層多孔的PET膜（孔徑1 µm，厚12 µm）。上層通道用于培養(yǎng)人肺泡基底上皮細(xì)胞（A549細(xì)胞系），下層通道則灌注培養(yǎng)基。研究者有意簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，未采用氣-液界面（ALI）或共培養(yǎng)等更復(fù)雜的模型，目的是首先驗(yàn)證系統(tǒng)集成的可行性。

• 制造：芯片使用ASIGA MAX X27高精度樹脂3D打印機(jī)，采用生物相容性GR-10樹脂一次成型。相比傳統(tǒng)的光刻和PDMS澆筑方法，3D打印極大簡(jiǎn)化了制造流程，并允許快速迭代設(shè)計(jì)。

• 細(xì)胞培養(yǎng)：研究選用A549細(xì)胞系作為模型。在將細(xì)胞接種到芯片前，需用聚-L-賴氨酸包被PET膜以促進(jìn)細(xì)胞貼壁。初步的細(xì)胞活力測(cè)試（MTT法）證明，該芯片能夠成功維持A549細(xì)胞的活性，證明了其生物相容性。

三、 主要測(cè)試與驗(yàn)證結(jié)果

研究者對(duì)開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行了分步測(cè)試，以驗(yàn)證其性能。

1. 煙霧暴露系統(tǒng)性能測(cè)試：

• 顆粒物濃度：測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)高于世界衛(wèi)生組織（WHO）安全閾值的PM2.5和PM10顆粒物濃度，證明了其能夠模擬“有害"水平的暴露。

• 重復(fù)性：在對(duì)暴露室的測(cè)試中，系統(tǒng)表現(xiàn)出了優(yōu)異的重復(fù)性，多次實(shí)驗(yàn)間的顆粒物濃度變異系數(shù)（CV）低于5%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。然而，在直接對(duì)器官芯片進(jìn)行暴露時(shí)，重復(fù)性略有下降（平均濃度CV為6.6%-7.0%），研究者推測(cè)這是由于芯片測(cè)試所需的低流速導(dǎo)致蒸氣在管路中冷凝所致，并建議在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中需定期清潔管路。

• 密封與無菌：泄漏測(cè)試和HEPA過濾器測(cè)試證實(shí)，該系統(tǒng)能夠有效防止蒸氣外泄污染實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，同時(shí)也能過濾進(jìn)氣，保護(hù)細(xì)胞免受外部污染。

  

2. 對(duì)傳統(tǒng)培養(yǎng)板中細(xì)胞的暴露測(cè)試：

• 為驗(yàn)證煙霧的生物學(xué)效應(yīng)，研究者先將A549細(xì)胞接種在標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)板上，并用該系統(tǒng)進(jìn)行暴露。

• MTT細(xì)胞活力測(cè)試結(jié)果顯示，與未暴露的對(duì)照組相比，暴露于電煙蒸氣的細(xì)胞在所有觀察時(shí)間點(diǎn)（2、6、24、48小時(shí)）活力均出現(xiàn)下降，尤其是在2小時(shí)和48小時(shí)。這直接證明了該系統(tǒng)產(chǎn)生的電煙蒸氣確實(shí)對(duì)細(xì)胞具有毒性效應(yīng)。

  

  
  

3. 集成系統(tǒng)測(cè)試：

• 研究者分別驗(yàn)證了芯片的無泄漏性、蒸氣可通過芯片、以及芯片可支持細(xì)胞生長(zhǎng)。

• 局限性：由于項(xiàng)目后期細(xì)胞培養(yǎng)出現(xiàn)困難（細(xì)胞老化、生長(zhǎng)停滯），研究者未能完成“煙霧暴露系統(tǒng)+肺芯片+細(xì)胞"這一最終的綜合暴露實(shí)驗(yàn)，這是本研究的主要遺憾點(diǎn)。

四、 研究結(jié)論與展望

結(jié)論：
本研究成功設(shè)計(jì)并制造了一套功能完整的“芯片上煙霧暴露"平臺(tái)。盡管最終的集成生物學(xué)測(cè)試未能完成，但現(xiàn)有結(jié)果充分證明了：

1. 煙霧暴露系統(tǒng)能夠產(chǎn)生可控、可重復(fù)且濃度相關(guān)的電煙蒸氣。

2. 器官芯片設(shè)備具有良好的生物相容性，能夠支持肺細(xì)胞生長(zhǎng)。

3. 該平臺(tái)在技術(shù)上具備了用于電煙毒理學(xué)研究的可行基礎(chǔ)。

展望與未來工作建議：
作者指出了幾個(gè)未來改進(jìn)的方向：

1. 提升芯片暴露的重復(fù)性：通過優(yōu)化管路設(shè)計(jì)、增加加熱元件防止蒸氣冷凝等方式，提高系統(tǒng)在低流速下向芯片輸送蒸氣的穩(wěn)定性。

2. 解決細(xì)胞培養(yǎng)問題：在未來的工作中，需要更加嚴(yán)格地控制細(xì)胞傳代次數(shù)，確保在最佳狀態(tài)進(jìn)行芯片集成實(shí)驗(yàn)。

3. 增強(qiáng)芯片的生理相關(guān)性：可在現(xiàn)有芯片基礎(chǔ)上引入氣-液界面（ALI）培養(yǎng)和共培養(yǎng)（例如加入內(nèi)皮細(xì)胞），使其更真實(shí)地模擬人體肺泡。

4. 擴(kuò)展系統(tǒng)功能：為煙霧暴露系統(tǒng)增加濕度、溫度和CO?控制功能，使其能用于研究慢性、長(zhǎng)期的暴露影響。

盡管論文作者成功驗(yàn)證了自研煙霧暴露系統(tǒng)的可行性，但自研路徑存在明顯門檻：需要自行改裝設(shè)備、設(shè)計(jì)控制電路、編寫軟件、3D打印接頭，且在低流速下容易因蒸氣冷凝影響重復(fù)性。這正是德伯可以為研究者提供的價(jià)值所在。

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