Научное приборостроение, 2019, том 29, № 4

ISSN 0868–5886          
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 4, c. 3–18

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ  ДЛЯ  БИОЛОГИИ  И  МЕДИЦИНЫ

3

УДК 543.07+621.389

 П. К. Афоничева, А. Л. Буляница, А. А. Евстрапов, 2019

"ОРГАН-НА-ЧИПЕ" — МАТЕРИАЛЫ  И  МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

(ОБЗОР)

В последние годы новые технологии изготовления микро- и наноразмерных структур существенно повлияли 
на прогресс в различных областях науки. Так, микрофлюидные технологии заняли нишу как инструмент для 
разнообразных применений, особенно в биоинженерных и биомедицинских исследованиях. Например, технологии микрофлюидики успешно используются при подготовке биологических образцов, в тканевой инженерии, в молекулярной диагностике и при скрининге лекарств и т.д. Помимо таких применений, эти технологии являются важным вспомогательным средством при моделировании различных органов и их 
свойств. Сочетание микрофлюидики и методов формирования клеточных 3D-струткур повлекло за собой 
создание нового направления "орган-на-чипе". Основная идея  "орган-на-чипе" заключается в том, чтобы 
предоставить искусственный объект тестирования, имитирующий живой человеческий орган. Развитие микрофлюидных технологий помогает преодолеть разрыв между in vitro и in vivo, предлагая новые современные 
подходы к медицинским, биологическим и фармакологическим исследованиям. Устройства "орган-на-чипе" 
могут представлять собой не только целый орган, но и имитировать отдельные процессы, протекающие 
в организме. Клетки выращиваются внутри камер и каналов для создания тканей или органов, чтобы имитировать их работу. Достичь полной функциональности можно за счет поддержания конкретных условий, 
обеспечивающих функционирование органа или ткани, таких как давление, скорость потока, рН, осмотическое давление, содержание питательных веществ, присутствие токсинов и других свойств. 
В обзоре приводятся данные по анализу публикационной активности исследователей в последнем десятилетии по тематике "орган-на-чипе" и родственной ей, индексируемых в библиометрической базе данных 
SCOPUS. Эти данные свидетельствуют не только о повышенном внимании, уделяемом данной тематике, но 
и о мультидисциплинарности этого направления. Помимо распределения публикаций по годам, представляет интерес сравнение публикационной активности представителей различных стран (лидеры — США, Китай 
и Южная Корея, почти по всем направлениям).
В статье освещаются общие вопросы, касающиеся основных и вспомогательных технологий систем "органна-чипе", материалов и методов изготовления устройств и элементов этих систем, а также рассматриваются 
примеры некоторых устройств. Для получения адекватных результатов исследования при использовании 
систем "орган-на-чипе" необходимо создать максимально близкие к естественным условия для функционирования модельных систем, в том числе обеспечить требуемые температурные режимы; условия формирования напряжения сдвига в потоке, омывающем клетки, механического сжатия, циклической деформации 
или воздействия других физических сил; создать нужную среду для изучаемых объектов. Все это приводит 
к усложнению систем, необходимости применения различных материалов (а следовательно, и методов изготовления), датчиков и микро-электромеханических устройств, созданию многоэтапных алгоритмов исследования. Системы "орган-на-чипе" динамично развиваются, а затрачиваемые исследователями усилия позво-
ляют получать впечатляющие результаты в виде новых знаний об организме.

Кл. сл.: микрофлюидика, "орган-на-чипе", "печень-на-чипе", "легкое-на-чипе", полимеры, технология 
изготовления

ВВЕДЕНИЕ

Микрофлюидные технологии в настоящее вре
мя являются развивающимся направлением для 
многочисленных приложений, особенно при биологических и биомедицинских исследованиях. 
Преимуществами микрофлюидики при управлении частицами являются: снижение объемного 
расхода жидкости (более низкие затраты на реагенты, меньшее количество отходов, небольшие 
эксплуатационные затраты); портативность уст
ройств; возможность тотального контроля и гибкого управления процессами в микрофлюидном 
устройстве; высокие скорости протекания реакций 
в микромасштабе и т.д.  Поскольку микрофлюидный поток является, как правило, ламинарным, то 
практически не происходит смешивания между 
соседними потоками в одном канале (только 
за счет диффузии). В конвергенции клеточной 
биологии это редкое свойство жидкости используется для лучшего изучения сложных клеточных 
поведений, таких как подвижность клеток в ответ

П. К. АФОНИЧЕВА, А. Л. БУЛЯНИЦА, А. А. ЕВСТРАПОВ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 4

4

Табл. 1. Распределение публикаций по областям знаний

Область знаний
"Орган-на
чипе"

("organ on a 

chip")

"Печень-на
чипе"

("liver on a 

chip")

"Сердце-на
чипе"

("heart on a 

chip")

"Легкие-на
чипе"

("lungs on a 

chip")

"Тело-на
чипе"

("body on a 

chip")

Техника
262
31
28
12
35

Биохимия, генетика и молекулярная биология

259
43
25
14
44

Химическая инженерия
160
25
12
7
28

Математические науки
139
13
16
4
11

Химия
115
6
9
5
18

Медицина
87
8
7
14
13

Фармакология и токсикология

85
7
4
9
12

Физика и астрономия
54
3
5
2
8

Иммунология и микробиология

24
9
—
—
7

Компьютерные науки
19
—
—
—
3

Нейронауки
—
2
—
—
—

Здравоохранение
—
2
—
—
—

Сельскохозяйственные 
и биологические науки

—
—
1
—
—

Окружающая среда
—
—
—
4
—

Мультидисциплинарная 
тематика

—
—
—
1
—

Всего
1105
149
107
72
179

на химико-тактические стимулы [1], дифференцировка стволовых клеток [2], аксональное наведение, передача биохимических сигналов в субклеточных системах и эмбриональное развитие [3].

На основе разработок "лаборатория-на-чипе"

(ЛНЧ) была предложена концепция "орган-начипе" (ОНЧ), которая быстро завоевала популярность среди исследователей по всему миру. 
Совмещение техники "лаборатория-на-чипе" и методов клеточной биологии позволяет изучать физиологические процессы в организме человека на 
новых моделях многоклеточных человеческих органов in vitro [4].

ОНЧ 
представляет 
собой 
многоканальный 

трехмерный микрофлюидный чип, позволяющий 
с определенным масштабированием моделировать 
органы, тем самым заменяя живой организм тех
ническим устройством или моделью и уменьшая 
время и стоимость исследований. Это делает ОНЧ 
крайне важным инструментом для поиска функциональных свойств, патологических состояний 
и исследований развития органов [5].

Популярность и востребованность в разработ
ках ОНЧ и исследованиях с использованием этих 
систем подтверждается наличием множества публикаций по данной теме. В табл. 1 приводятся 
данные по публикационной активности исследователей в разных областях знаний, связанных 
с разработками и исследованиями на системах 
ОНЧ. Использованы данные с сайта Scopus.com 
за период 10 лет, начиная с 2010 г. Эти области 
входят в предлагаемый сайтом перечень направлений исследований. 

Из таблицы следует достаточно  тривиальный

"ОРГАН-НА-ЧИПЕ" — МАТЕРИАЛЫ  И  МЕТОДЫ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 4

5

Табл. 2. Распределение публикаций по государственной принадлежности авторов

Страна
"Орган-на
чипе"

"Печень-на
чипе"

"Сердце-на
чипе"

"Легкие-на
чипе"

"Тело-на
чипе"

США
266
30
26
25
41

Китай
79
7
9
6
2

Южная Корея
74
11
3
5
13

Германия
58
6
3
1
9

Япония
38
4
—
—
11

Канада
34
—
5
1
—

Голландия
34
4
—
5
—

Швейцария
27
—
7
2
12

Великобритания
26
—
—
2
—

Франция
20
—
—
—
—

Испания
—
3
—
—
—

Россия
—
6
—
—
—

Польша
—
—
6
—
—

Швеция
—
5
—
—
—

Саудовская Аравия
—
4
4
—
—

Италия
—
—
6
—
—

Иран
—
—
2
3
—

Австралия
—
—
—
1
—

Австрия
—
—
—
—
3

вывод о том, что при предложенном наборе областей знаний, исследования по ОНЧ пока не затронули лишь "народнохозяйственные" области —
строки от "Здравоохранение" и ниже.

Анализируя публикационную активность раз
ных стран по тематике ОНЧ (табл. 2) можно отметить, что лидирующее положение занимают США. 
В то же время в пятерку лидеров также входят Китай, Южная Корея, Германия и Япония. Что касается российских авторов, то их публикации относятся только к направлению "печень-на-чипе", 
и количество статей русских авторов несопоставимо с ведущими странами в этой области.

С 2010 г. наблюдается непрерывный рост числа 

публикаций (табл. 3). Статистика показывает, что 
интерес к теме ОНЧ с каждым годом только растет. Динамика числа публикаций хорошо описывается уравнением логистического роста первого 
порядка 

0

( )
1
exp(
(
))

a
y t
k t
t





с параметрами: a = 198.87 ±36.21,

k = 0.619 ±0.093,
t0 = 7.62 ±0.67.

При t = 10, что соответствует 2019 г., средняя 

прогнозируемая численность числа публикаций 
161.79.

Здесь y — численность публикаций по темати
ке "орган-на-чипе" в год с номером t. Началу отсчета (t = 0) соответствует 2009 г. 

Коэффициент детерминации указанной зависи
мости превышает 0.985, что свидетельствует о высокой адекватности аппроксимирующей зависимости.

Сопоставляя суммарные по столбцам данные 

табл. 1 и 3  можно отметить следующую тенденцию — каждая статья относится к двум областям

П. К. АФОНИЧЕВА, А. Л. БУЛЯНИЦА, А. А. ЕВСТРАПОВ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 4

6

Табл. 3. Распределение публикаций по годам (по данным scopus.com на 01.08.2019)

Год
"Орган-на
чипе"

"Печень-на
чипе"

"Сердце-на
чипе"

"Легкие-на
чипе"

"Тело-на-чипе"

2010
2
—
—
1
3

2011
5
—
1
2
2

2012
7
1
1
5
4

2013
24
4
2
4
6

2014
39
3
3
6
10

2015
47
5
7
5
14

2016
77
12
11
3
11

2017
118
18
12
3
12

2018
137
12
8
10
14

2019
111
10
7
5
9

Итого
567
65
53
45
85

знаний. 
Например, 
столбец 
"Орган-на-чипе" 

в табл. 1 суммарно имеет 1105 публикаций, а в 
табл. 3 — 567. Это свидетельствует, что в среднем 
каждая статья на эту тему в табл. 1 учтена дважды. 
Исключение составляют публикации по "легкиена-чипе", где такое соотношение примерно 1.5, т.е. 
статья может быть конкретнее отнесена к одной из 
обозначенных областей.

Сопоставление суммарных по столбцам данных 

табл. 1 и  3 позволяет соотнести число публикаций 
на тему с количеством авторов и сделать вывод, 
что публикации — результат работы коллективов. 

КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМ "ОРГАН-НА-ЧИПЕ"

Микрофлюидика (микрогидродинамика) — это 

междисциплинарная область знаний, которая связана с описанием поведения малых объемов и потоков жидкостей при их нахождении (движении) 
в микроразмерных пространствах. Успехи в области микро- и нанотехнологий позволили создавать устройства, обеспечивающие возможность 
точных и воспроизводимых манипуляций с небольшими объемами жидкости и объектами, находящимися в ней (клетки, молекулы и т.д.). Особое 
внимание исследователи стали уделять развитию
клеточных технологий в формате микрофлюидных 
устройств.

Двухмерные (2D) системы клеточной культуры 

не всегда являются надежными для прогнозирования многих клеточных функций, таких как, например, оценка эффективности лекарств, для кон
троля точных физических и химических параметров микросред. Эти системы не отвечают основным требованиям клеточных микросред in vivo, 
вследствие чего они постепенно заменяются трехмерными (3D) системами, которые более адекватно отражают сложность тканей. Тем не менее органоиды, образованные в трехмерных клеточных 
культурах, имеют разные формы и размеры, что 
вызывает определенные трудности при их исследовании. Функциональный анализ, трансцеллюлярный транспорт, секреция и абсорбция, а также 
биохимический и генетический анализы культивируемых клеток также затруднительны в 3D-системах. Во многих из них отсутствуют разномасштабные архитектуры, не учитывается воздействие механических сигналов, таких как напряжение, сжатие и напряжение сдвига потока для клеток, которые играют большую роль для развития и 
функционирования органов как во время болезни, 
так и в здоровом состоянии. Микрофлюидные системы предлагают решения для преодоления этих 
ограничений, так как трехмерные системы на основе микрофлюидики обладают огромным потенциалом для проектирования конструкций, обеспечивающих размещение клеток / тканей с целью 
создания физиологически релевантной среды [6].

Основная идея систем "орган-на-чипе" (ОНЧ) 

состоит в том, чтобы предоставить искусственный 
объект тестирования, который во всех аспектах 
напоминает органы человеческого тела. Развитие 
микрофлюидных технологий позволяет устранить 
разрыв между моделями in vitro и in vivo, предлагая новые подходы к исследованиям в области медицины, биологии и фармакологии. Хотя орган 

"ОРГАН-НА-ЧИПЕ" — МАТЕРИАЛЫ  И  МЕТОДЫ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 4

7

представляет собой сложную единицу различных 
тканей, а эти ткани в свою очередь состоят из различных типов клеток с различными функциями, 
тем не менее органы человеческого тела могут 
быть смоделированы микрофлюидными устройствами 
(МФУ). 
Реакционные 
камеры 
таких 

устройств заполняются живыми клетками. Для 
простейшей системы используется только один 
клеточный слой, используя который можно имитироватьсоответствующие функции ткани, а для 
сложных систем культивируются различные типы 
клеток, относящиеся к различным тканям. Эти 
клетки соединены с мембранами и расположены 
с противоположных сторон для правильного моделирования органов. Микрофлюидные устройства для имитации функций органа реализуются 
с помощью многоклеточной архитектуры, сопряженной с тканями и физико-химическими микросистемами, такими же как системы кровообращение организма. 

Для получения адекватных результатов анали
зов распределения лекарств и реакций организма, 
клетки разных органов сопрягаются на чипе соответствующим образом, создавая условия для формирования напряжения сдвига в потоке, омывающем клетки, механического сжатия, циклической 
деформации или других физических сил. Электрохимический контроль и сенсорные системы для 
регистрации электрохимических преобразований, 
образования ферментов и биомаркеров в МФУ 
могут быть реализованы путем внедрения соответствующих микросистем в эти устройства [7].

Хотя лучшие результаты по сравнению с тра
диционными подходами могут быть достигнуты 
путем имитации микросреды in vivo с использованием микрофлюидных систем, для моделирования 
от клеточного уровня до ткани требуются более 
сложные условия окружающей среды. Так, для 
моделирования органов, где две или более неоднородные ткани связаны друг с другом, вызывая 
ткань-тканевое взаимодействие, условия становятся более сложными. При моделировании болезни 
органа степень сложности только растет. Таким 
образом, при добавлении в модель новых параметров одними лишь средствами микрофлюидики 
их невозможно точно контролировать. Для решения многих практических задач нет необходимости создавать полный рабочий орган, достаточно 
синтезировать функциональную единицу, отражающую основную функцию органа. Однако 
в ряде случаев для точного создания системы и 
контроля ее параметров необходимы некоторые 
дополнительные решения.

Так, для изготовления ОНЧ помимо микро
флюидных технологий могут быть привлечены 
вспомогательные технологии. Ниже будут перечислены некоторые из них. 

Технологии 3D-биопечати. Технологии 3D
биопечати используются в создании клеточных 
структур, где функции и жизнеспособность клеток 
сохраняются в конструкциях путем послойного 
нанесения различных биоматериалов и клеточных 
композиций [8]. Биопечать может производить 
органоподобные 
и 
тканеподобные 
структуры 

сложной топологии, которые могут быть использованы в исследованиях. Возможна полная 3Dпечать ОНЧ. При совмещении биопечати ОНЧ и 
микрофлюидики удается получить сложные искусственные ткани. Например, этим методом для 
тестирования лекарств была разработана "печеньна-чипе" [9]. Также 3D-биопечать может использоваться для изготовления сердечной мышцы для 
изучения и моделирования заболеваний. Помимо 
этого существует возможность печати микрофлюидных систем со сложными системами биологической культуры, например, чтобы получить лучшую структуру эпителия. Также известно использование варианта 3D-печати на основе экструзии 
для моделирования нервной системы [10]. 

Биосенсорные технологии. Объединение био
сенсоров с микрофлюидными устройствами помогает обеспечить точный контроль за работой систем и тем самым улучшить транспортировку аналитов. Маленькие объемы и расстояния в микрофлюидике облегчают биораспознавание элементов. Некоторые микрофлюидные биосенсоры, основанные на электрохимических реакциях, могут 
применяться в ОНЧ при создании сердца и нервов. 
Микрокамеры из полидиметилсилоксана (ПДМС) 
с электродами и датчиками помогают контролировать кардиомиоциты оптическим и электрохимическим методами. Применение электрического 
поля используется для сокращения клеток и в целях заживления ран [11]. 

Электрохимическая тканевая инженерия. 

Тканевая инженерия включает в себя производство тканей для медицинских целей. Клеточноклеточные взаимодействия, т.е. гомотипические 
или гетеротипические взаимодействия, поддерживают тканевые функции и структуры, и многие 
клетки реагируют на эти взаимодействия. Например, "печень-на-чипе" имитирует гетеротипические взаимодействия с помощью разделения гепатоцитов, культивируемых при низком напряжении 
сдвига и диффузионных преобладающих микросредах при высокой гомотипической плотности 
клеток. Так, в работе [12] была представлена 
структура, подобная печени, изготовленная на чипе методами биоинженерии и микрофлюидных 
технологий, которая использовалась для исследования печеночной ткани и оценке токсичности, 
вызванной лекарственными средствами. Равномерная клеточная агрегированная совместная 

П. К. АФОНИЧЕВА, А. Л. БУЛЯНИЦА, А. А. ЕВСТРАПОВ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 4

8

культура гепатоцитов и фибробластов инкапсулировалась в трехмерные гидрогели для создания 
печеночных микротканей, которые были индивидуально собраны в устройстве и подвержены воздействию лекарств и жидкостей.

Микротехнологии, микроэлектроника и микро
флюидные технологии предлагают разные перспективные решения проблем при имитации 
сложных физиологических реакций in vitro в точно 
смоделированных условиях. ОНЧ может быть использован не только для исследования физиологии 
и болезни органов, но также для изучения структуры ткани и зависящих от кровоснабжения биологических механизмов. На одном чипе может 
производиться множество экспериментов с различной вариацией условий воздействия на изучаемый объект — орган. Большое количество образцов легче обрабатывать на чипе, вследствие 
чего повышается надежность и достоверность результатов исследования. Благодаря возможности 
тотального контроля условий эксперимента и потока жидкости жизнеспособность клеток и их 
дифференцирование существенно улучшаются;
например, "легкое-на-чипе" можно культивировать в течение одного месяца [13]. 

В перспективе ОНЧ может помочь в изучении 

хронических патофизиологических реакций, вычислительном
моделировании 
жидкостно
динамических взаимодействий с метаболитами 
и взаимодействия клеток и газов с циркулирующими клетками, например кровью, опухолью, иммунными клетками и бактериями [14].

Создание надежных искусственных органов 

требует не только точных клеточных манипуляций, но и детального понимания фундаментально 
сложной реакции человеческого организма на любое явление. Общая проблема с органами на чипе 
заключается в изоляции каждого органа во время 
тестирования. 

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МИКРОФЛЮИДНЫХ 

УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ "ОРГАН-НА-ЧИПЕ"

Говоря о материалах для МФУ и систем ОНЧ, 

будем рассматривать следующие основные варианты устройств: 

− для имитации физико-химических процессов 

в биологических системах;

− для имитации функций органов.
В первом варианте, как правило, не предпола
гается культивирование клеток на поверхности 
структур, что существенно снижает требования 
биосовместимости. 

Среди множества полимерных материалов по
лидиметилсилоксан (ПДМС), полиметилметакрилат (ПММА), поликарбонат (ПК), полистирол 
(ПС), поливинилхлорид (ПВХ), полиимид (ПИ) 

и семейство циклических олефиновых полимеров 
широко используются в микрофлюидике [15]. 
Уникальные характеристики ПДМС позволяют 
достаточно просто формировать сеть микроканалов и реакционных камер для создания высокоточных микрофлюидных устройств [16]. Кроме 
того, у этого материала есть свойства, которые 
делают его идеальным выбором для изготовления 
микроустройств 
для 
культивирования 
клеток 

и тканей. ПДМС обладает хорошей газопроницаемостью и эластичностью для обеспечения подачи
кислорода к клеткам в микроканалах, что устраняет необходимость в отдельных устройствах для 
генерации кислорода, необходимых в кремниевых, 
стеклянных и пластиковых устройствах, и что 
особенно важно — для поддержания дифференцированной функции первичных клеток с высокой 
метаболической потребностью [17]. Микрофлюидные системы из ПДМС позволили сформировать жизнеспособные и функциональные ткани 
человека. Хотя ПДМС был основным материалом 
при создании ОНЧ из-за относительно низкой 
стоимости, оптических свойств и отработанных 
технологий "мягкой" литографии, он часто неадекватно моделировал имитируемые ткани [18]. 
К недостаткам ПДМС относят его высокую жесткость (для решения некоторых задач) и временнýю 
нестабильность свойств при модификации поверхности, что ограничивает продолжительность 
жизни культивируемых клеток. Наиболее проблематичным является поглощение материалом белков, молекул лекарств и гидрофобных молекул, 
что усложняет исследования фармакокинетики и 
фармакодинамики и затрудняет точную дозировку 
лекарств [19]. Использование ПДМС ограничивает 
модели, которые можно исследовать с помощью 
ОНЧ.

Учитывая вышеотмеченное, непрестанно ве
дутся исследования по поиску и разработке новых 
полимерных материалов, подходящих для применения в микрофлюидных приложениях  

Выбор того или иного материала предполагает 

и определенные технологии изготовления микроструктур устройств ОНЧ. Были разработаны и на 
данный момент достаточно широко используются 
несколько методов для изготовления микрофлюидных систем. Среди них основными считаются: 
1) методы горячего тиснения [20], 2) литье под 
давлением [21] и 3) варианты "мягкой" литографии [22]. 

Метод горячего тиснения очень похож на тер
мическую 
наноимпринтную 
литографию 
[23] 

и может совместно с ней использоваться для создания отпечатков в микроструктурах с высоким 
аспектным 
отношением 
(отношение 
глубины 

к ширине сечения). 

При литье под давлением структуры для уст

"ОРГАН-НА-ЧИПЕ" — МАТЕРИАЛЫ  И  МЕТОДЫ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 4

9

ройства получают путем впрыскивания расплавленного материала в форму, где он охлаждается 
и затвердевает, принимая конфигурацию формы. 
Этот метод наиболее подходит для создания серийных устройств.  

Как правило, материалы с относительно низкой 

вязкостью в форме раствора являются предпочтительными, потому что во время литья они имеют 
хороший 
контакт 
с 
пресс-формой 
(мастер
формой), что приводит к формированию четких 
и точных реплик [24]. Методы инжекционного 
литья используются преимущественно для изготовления структур в таких материалах как ПММА 
и ПК [25]. Каждый способ изготовления имеет определенные ограничения из-за свойств материала 
(например, температуры плавления, температуры 
стеклования, коэффициента теплового расширения 
и др.). Эти параметры не только важны для изготовления, но также играют ключевую роль при 
герметизации, когда материалы термически или 
химически прочно соединяются друг с другом.

Гидрогели, которые механически перестраива
ются и химически функционализированы для прикрепления клеток, такие как альгинат, являются 
альтернативным "строительным" материалом, который лучше имитирует микросреды мягких тканей и обеспечивает возможность долгосрочного 
культивирования [26]. Белковые или смешанные 
белок-синтетические 
полимерные 
нановолокна 

также являются химически и механически перестраиваемыми субстратами с наноразмерными 
свойствами, подобными нативной матрице [27]. 
С такими материалами можно моделировать 
сложные физиологические состояния на OНЧ. 

Для создания ОНЧ необходим набор методов 

изготовления, подходящий для массового производства. Развитие "мягкой" литографии привело 
к микроконтактной печати субстратов для контроля клеточной и тканевой структуры in vitro, а также недорогому и относительно упрощенному производству МФУ для скрининга лекарств и клеточных культур [28]. Эти методы, подходящие для 
лаборатории, в основном являются "ручными"
и требуют автоматизации для обеспечения серийного производства. На новый уровень выходят 
технологии 3D-печати; так, достижения в этой области позволили изготовить тканевой микроциркулятор 
с 
использованием 
синтетических 

и биологических полимеров, напечатанных со 
встроенными клетками и без них [29, 30]. 

Анализируя материалы, используемые при из
готовлении систем ОНЧ (табл. 4), следует отметить, что наиболее часто для формирования "каркасных" конструкций органов применяются эластичные полимеры, например уже ставший популярным в микрофлюидике ПДМС, гидрогели, сти
рол-этилен-бутилен-стирольные
каучуки. 
При 

создании пористых мембран и подобных элементов используются пленки из коллагена, полимолочной и полигликолевой кислот, желатина и т.д.,
на которых могут выращиваться клетки. Для "жестких" элементов в ОНЧ применяются ПММА, 
полиуретанметакрилат, фотоотверждаемые смолы. 
В последнем случае необходимо тестировать выбранную смолу на биосовместимость, поскольку 
разнообразный компонентный состав смол может 
препятствовать росту клеток. Имеется ряд материалов, у которых можно регулировать некоторые 
свойства (например, биоразлагаемость) — полигидроксиалканоаты, полиэфиры, полиолсебацианаты [31].  

Производство систем ОНЧ в больших масшта
бах требует внедрения мер контроля качества 
и стандартов, которые в настоящее время окончательно не разработаны. Если формируется ОНЧ, 
то генотип, фенотип и зрелость развития применяемых клеточных линий должны быть согласованными и контролироваться [55]. Также и среда, 
используемая для культивирования клеток в ОНЧ, 
должна быть стандартизирована. 

Поскольку цель ОНЧ заключается в том, чтобы 

наиболее близко имитировать ответ человеческого 
организма in vitro, то показания ОНЧ должны соответствовать стандартной клинической диагностике. Однако корреляция показаний ОНЧ с клиническими аналогами затруднена из-за различий 
в методах и способах измерения. Открытым остается вопрос: как данные, которые мы получаем 
от ОНЧ, должны быть сопоставлены с физиологией органов и патофизиологией? В настоящее время ведутся исследования по созданию микрофлюидных систем следующего уровня сложности, 
чтобы получить представление о взаимодействии 
между тканями, физически разделенными in vivo
[56]. В связи с этой задачей необходимо создавать 
новые микрофлюидные конструкции, в которых 
ткани должны быть способны выполнять функцию, необходимую для поддержки других тканей. 
Это диктует несколько иные подходы к выбору 
конструкционных материалов для чипов, обеспечивающих более высокую биосовместимость и 
инертность. 

Изначально ткани одного органа были изучены 

отдельно [57], и теперь проводятся исследования 
с несколькими органами на чипе [58]. Сначала парами, такими как фибробласты печени, кишечника—печени и печени—поджелудочной железы,
а затем путем включения большего числа органов 
с фактором интеграции, учитывающим однократную и рециркуляционную перфузию, поскольку 
системы органов связываются посредством секретирования химических факторов и пузырьков [59]. 

П. К. АФОНИЧЕВА, А. Л. БУЛЯНИЦА, А. А. ЕВСТРАПОВ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 4

10

Табл. 4. Материалы, применяемые в микрофлюидных технологиях

№ 
п/п

Материал
Соответствующие свойства
Предлагаемое приложение
Ссыл
ка

1
2
3
4
5

1
Коллаген (Хитозан)
Биосовместимость, 
универ
сальный контроль структуры и 
химия

Биосеноры, 
сборка 
пленок.

ОНЧ

[32, 
33]

2
Шелкопряд 
(BombyxMori)

Биосовместимость, 
механиче
ская стойкость, гибкость, высокий 
механический 
модуль, 

прочность

Изготовление 
микрофлюид
ных каналов. Элементы ОНЧ

[34]

3
Агарозный гидрогель
Низкая цитотоксичность, биоразлагаемость, 
механическая 

стабильность при низком содержании твердых фракций

Культивирование клеток, датчики и исполнительные механизмы. ОНЧ

[35]

4
Гидрогели 
Набухание и сокращение, возможность действия как датчиков и исполнительных механизмов

Саморегулирующиеся клапаны, массивы микролинз, системы 
высвобождения 
ле
карств, связывание антигенов, 
белков и глюкозы. Датчики 
расхода, регуляторы pH, охлаждающие устройства. ОНЧ

[36]

5
Тефлон
Простота изготовления с максимальной химической стойкостью

Высокоточный анализ, сверхчистые инструменты, изготовление клапанов и насосов

[37]

6
Акрилонитрилбутадиен-стирол 

Высокое разрешение, различные варианты обработки поверхности

Изготовление литейной формы, микрофлюидные интерфейсы, обнаружение патогенов, биологический анализ. 
Элементы ОНЧ (ограниченно)

[3839]

7
ABS, поликарбонат, 
полифенилсульфон, 
эластомеры

Дешевый материал, простота 
использования

Обнаружение 
патогенных 

микроорганизмов и вирусов.
ОНЧ (ограниченно)

[40, 
41]

8
Фотоотверждаемая 
смола / полимер

Высокое пространственное разрешение 

Биологическое наблюдение за 
ростом клеток. ОНЧ

[42]

9
Полиамид (ПА)
Высокая скорость сборки, многокомпонентная печать, прочный и устойчивый к высоким 
температурам материал

Изготовление мастер-формы
[43]

10
Полиуретанметакрилат (ПУМА)

Экономичен в производстве, 
биосовместим, нетоксичен, позволяет реализовать 
условия 

разделения с высокой электроосмотической подвижностью

Микроструктуры с высоким 
аспектным отношением. ОНЧ

[44]

11
Полиэтиленгликоли 
(ПЭГ)

Относительно недорогой материал, доступный в широком 
спектре 
молекулярных 
масс, 

биосовместимый, незначительная цитотоксичность

Микрожидкостные 
клапаны, 

элементы микрочипов.
Эле
менты ОНЧ (ограниченно)

[45]

"ОРГАН-НА-ЧИПЕ" — МАТЕРИАЛЫ  И  МЕТОДЫ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 4

11

Табл. 4. (продолжение)

1
2
3
4
5

12
Полигидроксиалканоаты (ПГА), термопластичные 
разру
шаемые 
линейные 

полиэфиры 
микро
биологического происхождения

Биосовместимость, перестраиваемая биоразлагаемость

Микропленочный барьер для 
пара и кислорода. ОНЧ

[46]

13
Желатин метакрилат 
(гель-МА)

Фотополимеризуемая, пористая 
мембрана

Механическая матрица для 
поддержки клеток, для сосудистой биологии. ОНЧ

[47]

14
Полимолочная 
ки
слота и полигликолевая кислота 

Перестраиваемая 
биодеграда
ция

Пористый каркас для клеточной культуры с лучшей адгезией. ОНЧ

[48]

15
Полиолсебацинаты, 
синтетически 
био
разлагаемые полимеры, 
состоящие 
из 

структурных звеньев, 
эндогенных для метаболизма человека. 
Свойства материала 
полимеров 
можно 

настраивать

Биосовместимость, 
адаптив
ность конструкции, механическая совместимость, низкая цитотоксичность, разлагаемость

3D-микрофлюидная система, 
микробиореакторы. ОНЧ

[49]

16
Поли(этиленгликоль) 
диакрилат (ПЭГДА) 

Биосовместимость, 
потенциал 

неоваскуляризации, 
возмож
ность изготовления нескольких 
материалов при высоком пространственном разрешении

Тканевая инженерия, регенеративная медицина и биосенсорика. ОНЧ

[50]

17
ПММА
Благоприятная механическая и 
термическая стойкость, химическая совместимость

Геномный анализ. ОНЧ
[51]

18
Стирол-этиленбутилен-стирольные 
каучуки. Форма термопластичного 
эла
стомера с добавлением стирола 

Биосовместимость, электрические 
свойства 
поверхности 

(стабильная 
и 
относительно 

высокая 
величина 
дзета
потенциала), слабое поглощение лекарств, высокое светопропускание, механические характеристики

Изготовление сложных систем 
микрофлюидных 
каналов,

микроустройства для электрокинетических 
применений,

устройства для культивирования клеток. ОНЧ

[52–
54]

Несмотря на современное развитие технологий, 

некоторые критические проблемы для интеграции 
всех органов в чипе все еще не решены. Например, 
биологические проблемы: соответствующее масштабирование органов, васкуляризация тканей, 
включение иммунных компонентов, создание универсальной среды, индуцированное выделение 
плюрипотентных стволовых клеток и т.д. [60]. 
Существуют и технические проблемы: подключение платформ для поддержания стерильности 
и предотвращения образования пузырьков, ад
сорбция лекарств и связывание с ПДМС, различия 
в скорости потока между платформами и создание 
идеальных уровней оксигенации и питательных 
веществ для различных органов и др. [61]. 

ПРИМЕРЫ УСТРОЙСТВ "ОРГАН-НА-ЧИПЕ"

Состояние разработок

Изучение функций органов с использованием 

микрофлюидики все еще находится в "зачаточ

П. К. АФОНИЧЕВА, А. Л. БУЛЯНИЦА, А. А. ЕВСТРАПОВ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 4

12

ном" состоянии [62]. Таким образом, новые разработки "органа-на-чипе" будут отличаться друг от 
друга по дизайну и подходу в разных исследованиях, а повышение достоверности и оптимизация 
имитации работы органов потребуют значительного времени. На данный момент существует ряд 
органов, которые были смоделированы с применением МФУ: сердце, легкое, почка, артерия, 
кость, хрящ, кожа и т.д.

"Легкое-на-чипе"

"Легкое-на-чипе"
воспроизводит 
ключевые 

структурные, функциональные и механические 
свойства альвеолярно-капиллярного интерфейса 
человека (т.е. основной функциональной единицы 
живого легкого).

В Институте биологической инженерии Wyss 

в Гарварде изготовили систему, содержащую 
близкорасположенные микроканалы, разделенные 
тонкой (10 мкм) пористой гибкой мембраной, изготовленной из ПДМС [13]. Устройство состоит 
из трех полых микрофлюидных каналов, из которых средний канал содержит горизонтальную пористую мембрану. Культуры клеток выращивали 
с обеих сторон такой мембраны: человеческие 
альвеолярные эпителиальные клетки с одной стороны и человеческие легочные микрососудистые 
эндотелиальные клетки с другой. Боковые каналы 
были соединены с вакуумом и поэтому могли 
имитировать растяжение мембраны. Сокращение 
диафрагмы вызывает снижение внутриплеврального давления, что приводит к расширению альвеол. Это явление имитируется легким на чипе.

Чтобы полностью подтвердить биологическую 

точность устройства должна быть рассмотрена 
реакции всего органа. Воспаление легких моделируется путем введения среды, содержащей мощный медиатор воспаления. Только через несколько 
часов после травмы клетки в МФУ, подвергшиеся 
циклической деформации, реагировали, как при 
воспалительном процессе.  

Живые бактерии кишечной палочки были ис
пользованы для демонстрации того, как система 
может имитировать врожденный клеточный ответ 
на бактериальную легочную инфекцию. Бактерии 
были введены на апикальную поверхность альвеолярного эпителия. В течение нескольких часов 
нейтрофилы были обнаружены в альвеолярном 
отделении, что означает, что они переселились из 
сосудистого микроканала, где пористая мембрана 
захватывала бактерии. 

Кроме того, исследователи полагают, что по
тенциальная ценность такой системы, как "легкоена-чипе", проявится в токсикологических исследованиях. Исследуя реакцию легких на наночастицы, 
ученые надеются узнать больше о рисках для здоровья в определенных условиях и улучшить ранее 

упрощенные модели in vitro [63]. Поскольку микрофлюидное "легкое-на-чипе" может более точно 
воспроизводить механические свойства легкого
живого  человека, его физиологические реакции 
будут более быстрыми и точными, чем при использовании культуральных сред. Тем не менее 
опубликованные исследования признают, что реакции "легкого-на-чипе" еще не полностью воспроизводят реакции естественных альвеолярных 
эпителиальных клеток.

"Печень-на-чипе"

Печень, обладая высокой метаболической ак
тивностью, имеет большое значение для жизни. Ее 
ткань обладает быстрой регенеративной способностью, но подвержена хроническим заболеваниям и 
вирусным инфекциям. Для исследования взаимодействия гепатоцитов было разработано МФУ для 
выращивания трехмерных культур клеток печени. 
"Печень-на-чипе" может состоять из монокультуры и культуры гепатоцитов и печеночных звездчатых клеток для изучения ее взаимодействия с потоком и без него [64]. Несколько исследований из 
обзора [65] свидетельствуют о возможности применения устройства "печень-на-чипе" для анализа 
лекарств, оценки токсичности, патофизиологии 
и физиологии человека.

Мониторинг метаболической функции является 

проблемой для существующих моделей in vivo, в 
то же время микрофлюидные системы ОНЧ, дополненные датчиками, обладают рядом преимуществ для отслеживания биологических процессов. Соединение "печени" и сенсора в работе Бавли и др. [66] обеспечили возможность исследования адаптации к митохондриальной дисфункции. 
Датчик был разработан для наблюдения за изменениями глюкозы и лактата. "Печень-на-чипе"
часто применяется для испытаний токсичности 
лекарственных средств. 

Следует отметить, что публикации российских 

исследователей касаются главным образом изучения именно систем "печень-на-чипе" (см. табл. 2).

"Сосуды-на-чипе"

Развиваются и технологии изготовления искус
ственных кровеносных сосудов. Так, инженеры 
Fraunhofer IWS (Materials
&
BeamTechnology, 

Germany) использовали прецизионную лазерную 
резку при создании системы искусственных кровеносных сосудов для разработки так называемого 
"мультиорганового" чипа для имитации биологических процессов в живых системах. Эта разработка, удостоенная премии EARTO Innovation
Awards 2018 в Брюсселе, имитирует процессы 
кровообращения в органах животных или людей, 
что может содействовать завершению экспери