在生物醫學研究方面，微流控芯片的重要應用之一是構建器官芯片，利用微流控技術靈活的結構設計性和可控的微流體操控性等優勢，在微流控芯片上構建模擬人體組織或器官功能的仿生實驗室。基于微流控技術的器官芯片使生物模擬達到了全新的水平，給投入大、風險高、周期長的新藥研發以及生物醫學研究帶來了新的契機，其中單器 官芯片主要應用于器官的生理和病理研究，多器官芯片主要應用于藥物代謝動力學研究。

2015 年哈佛大學 Wyss 生物工程研究所組建了 Emulate 人體器官芯片研究公司，推出了由器官芯片、儀器和軟件組成的人體仿真系統，覆蓋了腦、結腸、肝、肺、腎等多種器官，并積極與美國食品藥品監督管理局合作評估和鑒定器官芯片技術作為臨床前測試平臺的可能性，拓寬藥物研發臨床前模型范圍。該研究所 Ingber 團隊構建了由高度分化的人支氣管氣道上皮細胞和肺內皮細胞組成的微流控支氣管氣道芯片，能夠模擬病毒感染、菌株依賴性毒性，以及細胞因子的產生和循環免疫細胞的招募，應用于新型冠狀病毒治療藥物的快速鑒別和篩選。

Qin 團隊利用人類誘導多能干細胞構建類腦器官芯片，模擬產前尼古丁暴露下胎兒大腦神經發育情況。三維培養的類腦器官表現出人類大腦發育早期階段的關鍵特征，包括神經分化、區域化和皮層組織，并可推廣應用于腦疾病研究和藥物檢測。針對器官芯片，如何實現組織或器官長期培養并保留病理或生理功能，構建血管循環系統以實現高度仿真模擬，以及集成陣列化多個實驗單元模擬組織-組織和多器官相互作用，仍是器官芯片發展面臨的挑戰。