癌症是威胁人类生命健康的重大疾病之一,其致死率高的主要原因是肿瘤转移。循环肿瘤细胞（circulating tumor cells,CTCs）是肿瘤转移的元凶,它是从肿瘤病灶脱落,侵入到外周血循环系统中的肿瘤细胞,能随血液循环系统传播到远端器官,形成新的转移瘤。CTCs作为恶性肿瘤的标志物之一,实现其高效检测能够辅助肿瘤早期诊断,监测肿瘤进展,监控癌症治疗效果及预后分析等;此外,分离具有高活力的CTCs,并进行后续培养,对于肿瘤深入分析以及药物敏感性测试,实现癌症病人的个性化治疗等有重要意义。然而,CTCs在血液中的含量极为稀少,每毫升血液中仅有几个到几十个CTCs且淹没于高达10~9个以上的血细胞中,使得有效分离CTC极其困难。因此,迫切需要发展高效,高灵敏的CTC分离和检测方法。基于CTCs与血细胞在物理和生物性质上的显著差异,可将CTCs从血液中分离,包含体外和体内分离两大类。其中,体外分离是从癌症病人血液样本中分离CTCs,主要包括基于物理性质和基于亲和识别的CTC分离方法。基于物理性质的分离方法能够快速、无标记地分离CTCs,然而其分离纯度低,且严重缺乏特异性,无法获得蛋白表达等生物学信息,且分离过程通常会对细胞造成一定的机械损伤。基于亲和识别的分离方法具有较好的特异性,但是其严重依赖于细胞表面特异性蛋白的表达,往往会丢失部分特异性蛋白表达量较低的CTCs。因此亟待发展能够高效、稳定地捕获CTC的方法。体外分离方法仅可分析有限的癌症患者血样,易出现假阴性,不利于癌症早期检测。近年来,随着对检测灵敏度的要求提高,发展出许多活体的CTC检测方法,包括活体内留置针,活体流式细胞术,活体内磁性捕获等方法。活体内捕获肿瘤细胞的方法,可视为对全体血液进行分析,相对于体外分析有限的血液样本,可极大提高检测灵敏度。然而,基于体内留置针的方法,捕获效率有限,而其他方法需要向活体血管内注射纳米材料,其生物安全性是一个不可避免的问题。CTCs与捕获基质的有效分离是其后续分析、应用的前提。目前,捕获基质释放CTCs的方法,主要包括酶切释放,温度敏感释放,光响应释放,电刺激释放,化学释放,以及生物竞争性释放等。研究表明,将游离的CTCs进行体外培养可用于药物敏感性测试有利于肿瘤个性化治疗。然而,体外有效培养CTCs仍然是一个巨大挑战,分离回收的CTCs数目少,活力低下培养条件苛刻,造成CTCs体外培养的成活率极低。针对以上问题与挑战,本论文以三维网络材料为基础,构建三维网络微流控芯片用于捕获和释放CTCs,发展三维网络探针用于活体内捕获CTCs,并且制备3D cellulose chip用于CTC原位培养。本研究主要包含以下四个方面的工作:（1）构建内部具有三维网络结构的微流控芯片用于CTCs的捕获。我们以镍泡沫为模板制备得到三维网络PDMS材料,将其集成于微流控芯片内,得到具有三维网络结构的微流控芯片。在微流控芯片的三维网络PDMS骨架表面修饰anti-Ep CAM抗体,用于特异性地捕获CTCs。该芯片内部独特的三维网络结构,可显著提高抗体的固定量,增加细胞与基底的结合位点;相互连接的超大孔结构能够有效提高细胞与基底的碰撞频率,在100μL/min的流速下,对模型肿瘤细胞的捕获效率可达90%以上。该芯片成功用于癌症病人血液样本分析,不仅分离检测到1-118个单个CTC,还从14例病人中的5例血样中检测到1-14个数目不等的CTC簇。（2）构建明胶修饰的三维网络微流控芯片用于CTC簇的捕获和释放,并进行后续分析。该工作在三维网络微流控芯片的基础上,进一步于三维网络PDMS骨架表面修饰温敏的明胶,并在明胶表面进一步修饰特异性的抗体,利用三维网络结构的尺寸排阻作用联合抗体的特异性识别作用有效提高CTC簇的捕获效率。当明胶包被的三维网络芯片捕获CTCs之后,将芯片升温至37℃,则明胶会溶解,从而使被捕获的单个CTC及CTC簇脱离PDMS骨架,再经流体冲洗,可获得游离的CTCs。释放后的CTCs可用于后续的DNA和RNA甲基化分析,有助于肿瘤个性化诊断。（3）发展基于三维网络PDMS的可用于活体的三维捕获网,用于大鼠体内CTCs的高效捕获。为进一步提高CTCs的检测灵敏度,我们将柔韧且有弹性的集成在中空留置钢针前端,通过留置套管,将其插入到大鼠血管内。三维PDMS网络骨架在注射出留置针套管后可重新展开并恢复其三维网络结构,在血管内形成类似渔网结构,三维捕获网可长时间留置在大鼠活体内数小时,处理大体积的血液样本,可有效捕获浓度低于1个细胞/m L的活鼠血液中的CTCs。该CTCs三维捕获网可以通过留置套管便利地插入血管并回收,便于后续CTCs的分析应用。该CTC三维捕获网成功用于大鼠肿瘤模型,可在肿瘤转移前成功检测到CTCs,说明该活体捕获探针可望用于肿瘤早期诊断。（4）制备基于三维网络纤维素的微流控芯片用于肿瘤细胞的捕获和原位共培养。我们通过层层组装的方式制备自支撑的三维网络纤维素材料,将其生物功能化后集成于芯片内,用于捕获CTCs,捕获效率在90%以上。随后,向芯片内通入胶原和成纤维细胞,与捕获的CTCs进行共培养。纤维素作为天然高分子具有良好的生物相容性,提供肿瘤细胞培养的支撑材料;胶原是肿瘤细胞生长的基质材料,用于模拟细胞生长的体内环境;成纤维细胞能够分泌多种生长因子,可促进肿瘤细胞的快速增殖。在胶原和成纤维细胞共培养的条件下,单个肿瘤细胞能够在一周之内快速扩增为细胞簇,增殖能力是普通细胞培养条件下的3.7倍。该方法成功提高了极少数肿瘤细胞的体外培养成活率,可用于CTCs的后续分析研究以及相关的药物测试等。