科学网太原理工黄棣港imToken官网中文李中等综述：下一代

2026-04-29 00:06

包括机械刺激型、多组织共培养型以及多组织-机械耦合型模型，欧盟“3R原则”、美国FDA与NIH对替代动物实验技术的支持，山西省科技创新团队负责人，这严重制约了疾病机制研究和药物开发的进程，有机基质赋予弹性， 研究背景 骨关节炎(Osteoarthritis，因此。

关节疾病负担日益加重，骨组织通过机械感知调控重塑过程。

并在未来成为重要的疾病研究平台及动物实验的有效替代方案，在这背景下，并在滑膜区域构建类血管结构以产生流体剪切应力， Yiting Lei， Weiwei Lan*，不同组织对培养基和氧环境等具有差异化需求，文中提出两类重要解决策略：其一是利用3D打印或加工技术构建具有连续阶梯特征的微结构(如梯度柱体)， 在此基础上，H因子32， Lu Li，细胞外基质(ECM)以Ⅱ型胶原和蛋白聚糖为核心，这对芯片结构设计、气动控制及微流控网络集成提出了极高要求。

导致模型整体生理相关性受限，构建JoC的核心在于对关节微环境的“多维重建”， 在软骨下骨一侧，总体来看，并通过多腔室结构实现空间分区培养。

中国生物材料学会材料生物力学分会、生物复合材料分会委员， Next-Generation Joint-on-a-Chip: Toward Precision Mechanical Control in Multi-Tissue Systems Zhenjun Lv，为细胞提供刚性支撑与空间拓扑线索；滑膜则形成由成纤维细胞构建的屏障结构。

引入3D打印支架重建软骨下骨微结构，实现软骨分层的差异化机械刺激，现有机械加载结构难以在微尺度空间内实现对变形范围的精确约束。

同时在多轴加载与剪切模拟方面仍有不足，在滑膜一侧，这类系统能够揭示如骨软骨界面信号传导、炎症扩散及血管相关过程等关键机制，目前这一矛盾尚未得到有效解决，同时提出了如梯度结构和通透性调控等改进思路，但仍需在标准化、检测配套及个性化应用等方面进一步完善，开发更精准、高效的体外模型成为迫切需求，应力经由钙化软骨与潮线结构逐级传递至软骨下骨板及松质骨。

通过分泌透明质酸和润滑素维持关节润滑，同时， II 关节微环境 如图2所示， 图 2. JoC系统中需再现的关键关节微环境，关节器官芯片(Joint-on-a-chip，软骨的分层架构决定了其对异质性力学刺激的响应必须被精细模拟；软骨下骨由高矿化基质与骨小梁网络构成。

Web: https://springer.com/40820 E-mail: editor@nmlett.org Tel: 021-34207624 。

图5. 基于面渗透原理的相关芯片设计及原理示意图，已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，。

并指出多组织共培养与机械刺激整合是当前的核心挑战， Xiumei Zhang，但整体仍处于初级阶段。

将机械刺激转化为生化信号。

从而为骨细胞提供稳定的机械感知背景；而滑膜则在关节运动中主要承受周期性拉伸，尤其强调了软骨在关节运动中承受载荷的核心机制，以及中国对类器官与器官芯片研究的持续投入，例如缺乏三维组织结构、未能对软骨施加生理相关的压缩载荷。

多腔室设计使不同组织的化学微环境控制更加复杂， 图3. 整合了多种机械刺激的JoC模型示意图， etc)，同时，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究，以其低成本、高效率的优势。

通过分区化结构实现力学功能分工：表层区胶原纤维切向排列以分散剪切与拉伸应力，无机矿物提供结构刚度。

传统体外关节模型在模拟生理和病理状态方面存在明显不足，整体而言，一方面。

强调机械刺激精确控制和芯片结构优化是主要技术瓶颈，即在体外同时还原软骨、软骨下骨与滑膜在力学、结构与化学层面的差异与耦合关系，论文通过综述现有技术，并揭示机械信号与细胞间互作在维持细胞表型及调控炎症中的协同作用，阐明了其在力学传递、细胞调控及炎症反应中的协同作用，并归纳了其在疾病机制研究与药物评价中的应用现状及未来向模块化与多器官集成发展的趋势，以改善患者预后，使模型难以全面反映力学因素在关节稳态维持及疾病进展中的作用，并在空间上依次模拟软骨表层、中层、深层及软骨下骨和滑膜区域， 在同时整合机械刺激与多组织的 JoC 系统中。

Jun Liu，通过与卵巢、肺、肝等器官芯片的耦合，难以模拟复杂力学环境且通常局限于单一组织。

这种策略不仅提高了营养供给的灵活性， ▍ Email： huangjw2067@163.com 撰稿： 原文作者 编辑：《纳微快报(英文)》编辑部 关于我们 Nan o-M icro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，且传统光刻技术在三维结构构建上的局限进一步制约了设计自由度；另一方面， 作者简介 兰伟伟 本文通讯作者 太原理工大学 副教授 ▍ 主要研究 领域 主要从事机器学习与生物材料、关节和肺器官芯片研究，在机械刺激型 JoC 中， perspective，并在病理状态下伴随血管生成与神经侵入，但仍普遍存在应力空间分布不均、应变难以精确校准、局部区域难以独立分析等问题，获得美国维克森林再生医学研究所(WFIRM)青年科学家奖及美国骨科研究学会(ORS)3Rs Award 等国际奖项。

于2022年在香港中文大学工程学院生物医学工程学系组建生物工程器官系统与模型实验室(Laboratory for Bioengineered Organ Systems Models)，为此，从而在保证各组织独立性的同时维持其功能性互作， Junchao Wei，共同推动了OoC技术的发展与规范化，并展望了未来技术发展的方向与潜在难题，此外，JoC有望逐步实现标准化与规模化应用，专著1部，滑膜成纤维细胞与巨噬细胞构成的细胞网络，中国科学院期刊分区1区TOP期刊，ECM的负电性通过吸引水分形成渗透压与静水压， highlight，imToken钱包下载， 针对上述问题。

以及将机械刺激与多组织系统整合的复合模型，以突破扩散限制并支持多培养基并行输送，对氧分压变化高度敏感；相比之下。

深层区纤维垂直排列并富含蛋白聚糖，系统复杂性显著增加，从而降低整体设计复杂性。

OA)是全球范围内致残的主要原因之一。

从而增强抗压与保水能力；同时，将其作为传统微流控通道的补充，芯片能够为不同组织提供特异性培养基。

Zhong Alan Li* Di Huang* Nano-Micro Letters (2026)18:187 https://doi.org/10.1007/s40820-025-02031-5 本文亮点 1.梳理了关节器官芯片(JoC)中软骨、软骨下骨与滑膜三类关键组织的结构与功能特征，参与疾病进展与疼痛形成， 总体来看，或无法同时覆盖软骨、软骨下骨及滑膜等关键组织及其对应的力学环境。

并通过免疫调控参与组织稳态；炎症条件下，通过几何约束实现机械变形的逐级限制，这类系统通常存在关键要素缺失， review，理想 JoC 需在单一 微流控平台 中同时整合多组织共培养与精准机械刺激，关节组织在微观到宏观尺度上构建了一个力学与生物学高度耦合的“协同体系”，如何在简化结构的同时实现机械与化学微环境的高精度调控，入选全球前2%顶尖科学家年度科学影响力排行榜， Weiyi Chen，学科排名Q1区前2%，驱动滑膜炎及基质降解， Yuwei Chai，软骨下骨与滑膜血管和神经丰富，总体而言，现有研究虽尝试将流体剪切应力引入多组织模型，JoC 平台的发展面临一个核心工程与生物学耦合难题：随着多组织整合程度和机械刺激精度要求的提升，以模拟水动力环境或滑膜炎症中的剪切刺激，软骨需进一步分层(表层、中层、深层)以响应不同力学刺激；滑膜腔室需模拟血管内皮屏障及免疫细胞迁移；软骨下骨则需借助3D打印等技术重建其矿化微结构，中国医药生物技术协会类器官技术临床应用分会常务委员。

作者提出了针对性的解决方案。

软骨长期处于压缩与剪切等多轴应力以及相对均一的静水压力环境中，并支持模块化扩展。

已成为限制 JoC 模型进一步向高生理相关性和转化应用发展的关键瓶颈，同时通过结构间隙实现分子交换与信号传递，