细胞在体内处于复杂的胞外微环境,比如众多生化因子,在空间分布上存在浓度梯度,且在时间上动态变化。因此,高保真且高通量地体外重建和模拟这种动态微环境,对于阐明生物系统的复杂性以及揭示细胞信号网络的动态机制和功能具有关键的科学意义。与传统方法相比,微流控芯片研究细胞动态信号具有很多优势,包括微型化、自动化、集成化、高通量和低试剂消耗等。但现有的模拟细胞微环境的微流控方法,如浓度梯度发生器和水力门控技术等,只能单独控制浓度分布或者时间动态,如何同时控制化学扰动的空间和时间分布来高通量获取单细胞的动态信号响应仍然是一个难题。本文基于微流控芯片研究了多浓度化学波形发生器与水力门控技术相结合的新方法,精确且高度可控地模拟细胞外动态微环境,研究细胞对不同模式的外环境中化学刺激的动态信号响应,并探究其机理,主要研究结果如下:1、建立了一种微流控多通道同步水力门控的新技术,通过与浓度梯度发生器耦连,能够形成一系列不同振幅（线性浓度梯度）和不同频率（不同的刺激时间和缓冲时间）的化学波形,并行完成多组实验研究,从而提高分析通量。该平台以He La细胞为研究对象,应用多模式的浓度梯度刺激,成功获得三磷酸腺苷（Adenosine 5’-triphosphate,ATP）和组胺的剂量-响应曲线,以及两者的联合响应曲线。2、提出了一种微流控任意浓度梯度同步化学波形发生器,结合单细胞捕获阵列,高通量研究单细胞动态信号。该系统设置四个独立加样口,不仅可以实现线性浓度梯度,而且可以生成指数浓度梯度或任意需要的浓度梯度来研究细胞的动态响应。同时,在细胞通道设置的细胞捕获阵列结构可以快速捕获单细胞,使悬浮细胞的动态信号获取成为可能。该平台被成功应用于研究线性浓度梯度或指数浓度梯下的离子霉素波形对Jurkat T细胞刺激产生的单细胞动态信号响应。3、设计了一种时序编码多浓度化学波形发生器,用于研究单细胞阵列动态信号。该系统在生成任意浓度梯度化学波形的基础上,还能对药物进行时序编码,且频率高度可控。该平台最大频率为1 Hz,可以对同一细胞进行多种频率的刺激。将He La细胞作为研究模型,成功实现了不同时序编码模式下不同频率的脉冲刺激和连续刺激。4、发展了一种高时空可控、浓度可调的同步化学波形发生器,用于研究细胞动态响应。该系统不仅可以生成不同时序编码、不同频率的多种浓度组合波形,还可以实现多浓度药物在空间分布上的编码,即“时空编码”。同时,该平台既可以在时间维度上观察细胞对不同刺激物的响应变化,也可以在空间维度上观察细胞对不同刺激物的响应差别。将He La细胞作为研究模型,成功实现了不同时空编码模式下不同频率的脉冲刺激和连续刺激。综上所述:本文提出了四种不同的多浓度化学刺激的微流控芯片新方法,模拟细胞外动态微环境,并应用于细胞化学刺激与信号分析,建立的方法具有高通量、高精度、高时空分辨等优点,为单细胞分辨水平的细胞信号研究和药物筛选提供新的方法支撑。