在2004年，Andersson等就首次介绍了搭建用于构建细胞模块、控制细胞、组织形态和作为生物反应器的微流控设备，称为“微器官组织芯片”。经过10余年的发展，已开发出针对多种不同组织、器官的微器官组织芯片，用于模拟相应的器官的不同生理活动。
微型脑组织芯片
大脑作为人体中枢神经的所在历来是药物筛选和毒性测试的重要靶器官。血脑屏障（BBB）由于其独特的选择性通透性，使得脑组织内环境保持相对稳定，维持中枢系统的正常生理功能，成为了药物检测研究的重中之重。
早在2012年，Yeon等首次发表了关于脑微血管系统渗透性测定的微器官组织芯片装置。该装置利用聚二甲基硅氧烷预设两个平行的，有微孔连接的高度为25μm的管道，通过控制不同管道中液体的流速，在微孔处产生压力差。而微孔处则是人类脐带血管内皮细胞培养层，在用星形胶质细胞条件培养基与血管内皮细胞培养基分别培养2h后发现，星形胶质细胞条件培养基的存在降低了血管内皮细胞培养层的渗透性。
随后，2013年Griep等发表了另外一个微型脑组织芯片模型。该模型将人脑微血管内皮细胞系细胞培养在多孔聚碳酸酯（PC）膜上形成屏障，通过测试电阻的方式来测定屏障的通透能力，发现加入炎性蛋白肿瘤坏死因子α后，通透性下降。
2016年，Herland等工作组使用软光刻法在单个方形微通道内产生圆柱形胶原凝胶管，并且在凝胶管壁内嵌入星形胶质细胞，通过在凝胶管腔内顺序播种周细胞和内皮细胞来建立多种细胞类型协同的血脑屏障微组织三维模型。该研究发现：内皮细胞的完整性依赖星形细胞和周细胞的存在。相对于简单的二维培养，这种三维多细胞类型微组织培养，能够产生和体内血脑屏障类似的功能性炎症刺激反应。这可以帮助研究在炎症条件下，血脑屏障对不同药物通透性的变化情况，从而防止产生未预期的不良反应。
微型横纹肌组织芯片
心肌和骨骼肌都属于横纹肌。心肌是心脏的主要组成部分，而心脏是人体存活的必要器官。骨骼肌约占人总体质量的40%，是人体重要的运动器官。对于横纹肌来讲，一方面，要具有收缩性；另一方面，该收缩受神经及电信号调控，需达到收缩的一致性。研究药物处理对横纹肌的影响对于帮助开发更有效和更安全的药物有重要意义。检测横纹肌的功能，可以通过测定肌肉组织的体外收缩性来完成。常用的两种方法：第1种方法是Uehata等的测量法，直接将手术取得的横纹肌肌肉条悬挂在收缩力传感器上测量，这需要测量较大的力；第2种方法是Jacot等开发的，利用横纹肌细胞收缩距离的变化来模拟计算细胞的收缩力，该方法可用来测量单个肌细胞，但是得到的收缩力数值是相对数值，并不是绝对数值。
2012年，Grosberg等利用二甲基硅氧烷（PDMS）制成带有表面纹理的弹性薄膜，并将新生大鼠心肌细胞种于膜上，形成肌肉薄膜（MTF）。伴随心肌细胞收缩，该肌肉薄膜可向一侧发生卷曲。通过测定肌肉薄膜的卷曲程度，可以分析种植在聚二甲基硅氧烷膜上的不同细胞收缩能力大小的差异。该实验体系既适用于单一肌肉薄膜的测定，也适用于基于高通量的自动化多控板测定。同年5月，Ma等利用标准光刻和软光刻相结合，将微电极整合在了微肌肉芯片内。通过测试两电极之间微肌肉束的导电能力来评价肌肉细胞的功能。
微型肺组织芯片
近10年来，科学家们已设计出多种基于微流控的、用于研究肺的生理学功能的肺组织器官芯片，其中有些甚至可以用作呼吸辅助装置或者氧合器。第一个设计出微型肺芯片的是Huh等工作组，他们利用软光刻成型技术制作了一个分为上下两个腔室的微型芯片，人肺泡上皮细胞和肺微血管内皮细胞分别培养于上腔室和下腔室中，上下两腔室被10μm厚、附有细胞外基质的带微孔聚二甲基硅氧烷膜隔开。
微型肾组织器官芯片
肾脏的主要功能是产生尿液，一方面，肾脏的滤过功能帮助排出代谢废物和毒素；另一方面保留水分，对蛋白、糖类及无机盐进行重吸收，以调节人体的电解质平衡及酸碱平衡。在药物筛选中，很多药物具有很高的肝肾毒性，会对肾脏的滤过功能产生不可逆的损伤。研制微型肾组织器官芯片对于药物的毒性筛查有重要的意义。
微型肝组织器官芯片
Lee等2013年设计的一种三维微型肝组织芯片则是用于研究肝细胞和肝星状细胞（HSCs）的相互作用。该芯片由两个腔室构成，一个室表面平坦，用于培养大鼠肝星状细胞，另一个室具有凹孔，用于培养大鼠肝细胞球体。两种细胞接种到培养室后，以连接管相连，在渗透泵的作用下，培养基连续从肝星状细胞培养室流向肝细胞培养室。共培养的肝细胞球体相比于单培养球体，流出液中白蛋白和尿素的含量更高，说明肝星状细胞有助于肝细胞球体的维持。Bhise等2016年先利用聚二甲基硅氧烷微孔共培养HepG2/C3A细胞形成球体，以更好的模拟体内肝小叶中肝细胞状态，再将球体以7×7的阵列生物打印到芯片中的中心细胞培养室中，培养室通过流体通道与出入口相连。以流出液中白蛋白、转铁蛋白、铜蓝蛋白等生物标志物含量作为检测指标，结果不仅证明该芯片在应对APAP治疗时的结果类似于动物和体外模型，可被用于药物毒性分析，还证明经30d的培养后，细胞球体仍保持较高的活性。截至目前，最新设计出的微型肝组织芯片则通过开发无泵微流体灌注平台实现了人肝细胞样细胞的高效分化，以及可扩展的肝小叶芯片实现人肝细胞的稳定培养和周边组织（胆汁小管网络）的形成。
微型皮肤芯片
鉴于皮肤移植相对于其他器官移植要简单易行，以及皮肤本身平面化的特征。皮肤的微器官芯片在研究如何促进血管化的基础上，更增加微器官复杂度，着眼于探索制作功能和正常皮肤更类似的微器官。
微器官芯片研究总览
同时，以上提到的器官组织芯片的设计制作几方面也存在着相应的瓶颈和挑战：①模拟体内生境：需要更加深入的基础研究，尤其是对人体正常组织器官的精确细胞水平、基因表达水平分析。目前有了长足发展的单细胞测序技术、人细胞图谱计划、计算机组织建模技术会为体内生境的重建提供更精确的线索；②构建三维培养体系：虽然较之二维，三维培养能够更贴近组织的体内状态，但是，三维培养的可控性、刺激一致性较之二维培养均有下降。如何能够通过组织工程及微流控，结合光刻和三维打印，制备标准化的微组织，将会成为下一步工作的难点；③如何促进或维持培养细胞的成熟一直是体外培养面对的难题。随着基础研究的进一步深入，促进细胞的体外成熟也在逐渐向可控和降成本发展；④易检测，随着微电子技术的发展，各类微型传感器的研发和微集成技术的更新换代，微器官组织芯片也需要紧跟前沿，将先进的传感技术用于实验设计。
综上，随着技术的进步和研究的深入，微器官组织芯片将有望大规模应用于新药的研发和药物毒理性测试，取代或部分取代动物模型，并进一步降低成本、缩短周期提高有效性。