微流控芯片具有试剂消耗量少、易于精确控制液体流动和模拟构建细胞体外微环境等优点,在细胞分析领域得到了广泛应用。细胞培养是开展各种细胞分析研究的基础,为此本文设计并验证了一种用于细胞三维培养的集成微柱阵列培养室的微流控芯片。芯片由一片聚二甲基硅氧烷(PDMS)沟道片和一片玻璃盖片组成,在PDMS沟道片上集成了一个由两排微柱阵列围成的细胞培养室和两条用于输送培养基的侧沟道。其中,微柱间距直接影响了芯片的使用性能,不仅需要确保细胞与细胞外基质模拟材料混合液的稳定注入,还需要满足培养基中营养物质和细胞代谢物的快速扩散,是芯片设计的关键。本文首先基于计算流体动力学,对不同微柱间距情况下细胞与细胞外基质模拟材料混合液的注入过程和培养基中营养物质的扩散过程进行了数值模拟。基于COMSOL Multiphysics的两相流-水平集模型,建立了一个用于模拟混合液注入过程的二维几何模型。模拟发现混合液的注入过程是压力、毛细力和表面张力共同作用的结果,在培养室内压力和毛细力起主要作用,混合液流动迅速;而在微柱之间,混合液由于受到粘性力和表面张力的阻滞作用,流速会剧烈衰减。随着微柱间距的增大,混合液在微柱之间受到的阻滞作用会逐渐减弱,混合液有突破微柱束缚进入侧沟道的趋势。当间距为100μm时,混合液在200 ms时便进入了侧沟道。同样,基于ANSYS Fluent的组分输运模型,建立了一个用于模拟营养物质扩散过程的三维几何模型。模拟发现,营养物质在侧沟道中流动的同时,会经过微柱阵列向培养室内不断扩散,而微柱间距会影响营养物质的扩散速度。间距越大,扩散速度越快。当微柱间距为50μm时,经过220 s扩散过程便达到了平衡。结合上述两方面的数值模拟结果,在综合考虑芯片加工难度和使用性能的情况下,最终选择50μm作为微柱间距的最优值。其次,根据优化的结果设计制作了微流控芯片,并在芯片上对混合液的注入过程和营养物质的扩散过程进行了实验验证。实验结果表明,利用数值模拟优化出的微柱间距不仅可以很好地实现混合液的稳定注入,有效拦截了混合液向侧沟道中的泄漏,而且保证了营养物质可以快速扩散到培养室内,满足了芯片性能要求。最后,在微流控芯片上进行了神经干细胞的三维培养。通过对培养基中葡萄糖和乳酸浓度的长期连续监测,表明本文优化设计的微流控芯片所构建的细胞体外微环境具有良好的稳定性,适合于细胞长期三维培养,未来可以用于各种细胞分析研究。