隨著電煙（vaping）作為傳統(tǒng)煙草替代品的日益流行，其長期健康影響的不確定性已成為一個緊迫的公共衛(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)的長期研究卻相對滯后。因此，開發(fā)能夠準確、可靠地評估電煙對人體（特別是肺部）健康影響的測試平臺至關(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，為藥物測試和疾病研究提供了比傳統(tǒng)動物實驗和二維細胞培養(yǎng)更貼近真實情況、更具倫理優(yōu)勢的替代方案。

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

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

2. 設(shè)計并制造一個適合培養(yǎng)肺細胞、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，并初步驗證這一完整平臺用于研究電煙毒理學的可行性。

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

研究者在詳細回顧了現(xiàn)有文獻的基礎(chǔ)上，提出了一套創(chuàng)新的設(shè)計。該系統(tǒng)并非簡單地用一個泵將煙霧抽到芯片上，而是考慮了實驗的精確性、無菌性和可重復性。

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

• 工作原理：系統(tǒng)設(shè)計了“標準模式”和“芯片模式”兩種操作模式。關(guān)鍵創(chuàng)新點在于采用“真空泵+注射泵”的雙泵組合。真空泵負責將電煙產(chǎn)生的蒸氣持續(xù)抽入一個緩沖儲罐中；隨后，注射泵從儲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)計有效解決了單一泵無法同時滿足“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：系統(tǒng)的運行通過ESP32微控制器和Python腳本實現(xiàn)半自動化控制，并通過空氣質(zhì)量傳感器實時監(jiān)測輸送至芯片的PM2.5和PM10顆粒物濃度，以確保實驗條件的穩(wěn)定和可重復。

  

  
  

2. 器官芯片設(shè)備的設(shè)計

與煙霧暴露系統(tǒng)配套，研究者設(shè)計并制造了一款簡化的“肺芯片”。

• 結(jié)構(gòu)：芯片采用標準的雙層結(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)人肺泡基底上皮細胞（A549細胞系），下層通道則灌注培養(yǎng)基。研究者有意簡化了設(shè)計，未采用氣-液界面（ALI）或共培養(yǎng)等更復雜的模型，目的是首先驗證系統(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，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打印極大簡化了制造流程，并允許快速迭代設(shè)計。

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

三、 主要測試與驗證結(jié)果

研究者對開發(fā)的系統(tǒng)進行了分步測試，以驗證其性能。

1. 煙霧暴露系統(tǒng)性能測試：

• 顆粒物濃度：測試表明，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生遠高于世界衛(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。

• 重復性：在對暴露室的測試中，系統(tǒng)表現(xiàn)出了優(yōu)異的重復性，多次實驗間的顆粒物濃度變異系數(shù)（CV）低于5%，達到了設(shè)計要求。然而，在直接對器官芯片進行暴露時，重復性略有下降（平均濃度CV為6.6%-7.0%），研究者推測這是由于芯片測試所需的低流速導致蒸氣在管路中冷凝所致，并建議在后續(xù)實驗中需定期清潔管路。

• 密封與無菌：泄漏測試和HEPA過濾器測試證實，該系統(tǒng)能夠有效防止蒸氣外泄污染實驗室環(huán)境，同時也能過濾進氣，保護細胞免受外部污染。

  

2. 對傳統(tǒng)培養(yǎng)板中細胞的暴露測試：

• 為驗證煙霧的生物學效應，研究者先將A549細胞接種在標準培養(yǎng)板上，并用該系統(tǒng)進行暴露。

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

  

  
  

3. 集成系統(tǒng)測試：

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

• 局限性：由于項目后期細胞培養(yǎng)出現(xiàn)困難（細胞老化、生長停滯），研究者未能完成“煙霧暴露系統(tǒng)+肺芯片+細胞”這一最終的綜合暴露實驗，這是本研究的主要遺憾點。

四、 研究結(jié)論與展望

結(jié)論：
本研究成功設(shè)計并制造了一套功能完整的“芯片上煙霧暴露”平臺。盡管最終的集成生物學測試未能完成，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，能夠支持肺細胞生長。

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

展望與未來工作建議：
作者指出了幾個未來改進的方向：

1. 提升芯片暴露的重復性：通過優(yōu)化管路設(shè)計、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. 解決細胞培養(yǎng)問題：在未來的工作中，需要更加嚴格地控制細胞傳代次數(shù)，確保在最佳狀態(tài)進行芯片集成實驗。

3. 增強芯片的生理相關(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)皮細胞），使其更真實地模擬人體肺泡。

4. 擴展系統(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、長期的暴露影響。

盡管論文作者成功驗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性。這正是德伯可以為研究者提供的價值所在。

德伯相關(guān)產(chǎn)品推薦

1. 電子香煙煙霧發(fā)生器E-ASG
一款符合ISO 3308及國標GB 41700-2022的標準化電煙煙霧發(fā)生設(shè)備，支持精確控制抽吸體積（15～80 mL，精度±0.1 mL）、抽吸時間和頻率，可無縫對接細胞暴露實驗。

2.香煙煙霧細胞暴露系統(tǒng)