隨著電煙（vaping）作為傳統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，而相關的長期研究卻相對滯后。因此，開發能夠準確、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重要。

器官芯片（Organ-on-a-Chip）技術是近年來生物醫學工程領域的一大突破。這種微流控設備能夠在體外模擬人體器官的生理環境，為藥物測試和疾病研究提供了比傳統動物實驗和二維細胞培養更貼近真實情況、更具倫理優勢的替代方案。

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一套能與“肺芯片"兼容的“煙霧暴露系統"的研究。該研究的主要目標是：

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

2. 設計并制造一個適合培養肺細胞、并能與上述暴露系統無縫連接的肺芯片設備。

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兩大關鍵部分：煙霧暴露系統和器官芯片設備。

1. 煙霧暴露系統的設計

研究者在詳細回顧了現有文獻的基礎上，提出了一套創新的設計。該系統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（HEPA過濾器）以及一個空氣質量傳感器（Sensirion SPS30）構成。

• 工作原理：系統設計了“標準模式"和“芯片模式"兩種操作模式。關鍵創新點在于采用“真空泵+注射泵"的雙泵組合。真空泵負責將電煙產生的蒸氣持續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）平穩地推過器官芯片。這種設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。

• 控制與監測：系統的運行通過ESP32微控制器和Python腳本實現半自動化控制，并通過空氣質量傳感器實時監測輸送至芯片的PM2.5和PM10顆粒物濃度，以確保實驗條件的穩定和可重復。

  

  
  

2. 器官芯片設備的設計

與煙霧暴露系統配套，研究者設計并制造了一款簡化的“肺芯片"。

• 結構：芯片采用標準的雙層結構，中間夾有一層多孔的PET膜（孔徑1 µm，厚12 µm）。上層通道用于培養人肺泡基底上皮細胞（A549細胞系），下層通道則灌注培養基。研究者有意簡化了設計，未采用氣-液界面（ALI）或共培養等更復雜的模型，目的是首先驗證系統集成的可行性。

• 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，并允許快速迭代設計。

• 細胞培養：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、 主要測試與驗證結果

研究者對開發的系統進行了分步測試，以驗證其性能。

1. 煙霧暴露系統性能測試：

• 顆粒物濃度：測試表明，該系統能夠產生遠高于世界衛生組織（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，系統表現出了優異的重復性，多次實驗間的顆粒物濃度變異系數（CV）低于5%，達到了設計要求。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，該系統能夠有效防止蒸氣外泄污染實驗室環境，同時也能過濾進氣，保護細胞免受外部污染。

  

2. 對傳統培養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板上，并用該系統進行暴露。

• MTT細胞活力測試結果顯示，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）活力均出現下降，尤其是在2小時和48小時。這直接證明了該系統產生的電煙蒸氣確實對細胞具有毒性效應。

  

  
  

3. 集成系統測試：

• 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出現困難（細胞老化、生長停滯），研究者未能完成“煙霧暴露系統+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、 研究結論與展望

結論：
本研究成功設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，但現有結果充分證明了：

1. 煙霧暴露系統能夠產生可控、可重復且濃度相關的電煙蒸氣。

2. 器官芯片設備具有良好的生物相容性，能夠支持肺細胞生長。

3. 該平臺在技術上具備了用于電煙毒理學研究的可行基礎。

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：通過優化管路設計、增加加熱元件防止蒸氣冷凝等方式，提高系統在低流速下向芯片輸送蒸氣的穩定性。

2. 解決細胞培養問題：在未來的工作中，需要更加嚴格地控制細胞傳代次數，確保在最佳狀態進行芯片集成實驗。

3. 增強芯片的生理相關性：可在現有芯片基礎上引入氣-液界面（ALI）培養和共培養（例如加入內皮細胞），使其更真實地模擬人體肺泡。

4. 擴展系統功能：為煙霧暴露系統增加濕度、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的可行性，但自研路徑存在明顯門檻：需要自行改裝設備、設計控制電路、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。

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