微流控芯片可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的體外培養(yǎng), 廣泛應(yīng)用于細(xì)胞的檢測(cè)研究中.微流控腔中培養(yǎng)液的動(dòng)力流動(dòng)方式從原理上主要分兩類: 第一類為被動(dòng)式,如表面張力和毛細(xì)作用, 第二類為主動(dòng)式,包括壓力驅(qū)動(dòng)、離心力驅(qū)動(dòng)、磁流體動(dòng)力和電滲流驅(qū)動(dòng)等.生物體內(nèi)的細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、粘附、遷移等活動(dòng)受到力學(xué)微環(huán)境的影響,而微流控芯片培養(yǎng)細(xì)胞可以模擬實(shí)現(xiàn)特定的力學(xué)微環(huán)境,并完成細(xì)胞的生物力學(xué)研究.電滲流是一種重要的微流體系統(tǒng),它可以在不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的情況下通過(guò)微通道輸送流體, 當(dāng)施加軸向電場(chǎng)時(shí),帶電表面會(huì)影響溶液中離子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 從而帶動(dòng)溶液流動(dòng).為了研究生物組織的逆向力-電效應(yīng),微流控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)力-電協(xié)同驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)液流動(dòng)刺激貼壁細(xì)胞的生物力學(xué)技術(shù)微環(huán)境.人工配置的無(wú)血清培養(yǎng)液可以簡(jiǎn)化為理想的牛頓型流體,而生理流體和細(xì)胞培養(yǎng)液一般被視為不可壓縮的非牛頓型流體Maxwell流, 忽略慣性力后可視為蠕動(dòng)流. 在之前的工作中,建立含有細(xì)胞的牛頓型流體和非牛頓型流體的二維有限元模型被用于研究?jī)煞N流體模型下線彈性細(xì)胞的動(dòng)態(tài)響應(yīng).

現(xiàn)有的細(xì)胞模型有線彈性、黏彈性、多孔彈性和多孔黏彈性模型等.細(xì)胞組織的力學(xué)性質(zhì)主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法探究, 裘鈞研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞存在滯后,蠕變和松弛等黏彈性材料才有的力學(xué)行為并測(cè)定了標(biāo)準(zhǔn)線性固體黏彈性骨細(xì)胞模型的三參數(shù)k1黏彈性材料的平衡態(tài)模量、k2黏性系數(shù)和η黏滯系數(shù), 在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步推導(dǎo)出松弛時(shí)間τ=η/k2和剪切模量G=k1/3. 研究表明, 水在人體體重的比重在一半以上, 從宏觀生物器官組織到微觀的各類細(xì)胞,均可以被視為同時(shí)具有固相和液相的多孔彈性材料. 近年來(lái),原子力顯微鏡通過(guò)測(cè)量微懸臂梁探針與樣品表面之間的相互作用, 提供了評(píng)估細(xì)胞力學(xué)性能的新技術(shù),原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元模擬結(jié)合的方法被用于估算了兩種細(xì)胞的孔隙彈性和黏彈性參數(shù). 最初, 為了簡(jiǎn)化, 細(xì)胞被視為線彈性體而不足以考察細(xì)胞的生物力學(xué)特性, 隨著細(xì)胞力學(xué)的發(fā)展, 建立更精確的多孔黏彈性細(xì)胞模型來(lái)考察復(fù)雜的力學(xué)行為是必要的.

初級(jí)纖毛是生長(zhǎng)在細(xì)胞表面的毛發(fā)狀細(xì)胞器, 它可以通過(guò)改變長(zhǎng)度和抗彎性,以調(diào)節(jié)其力學(xué)敏感性, 適應(yīng)微觀力學(xué)環(huán)境.初級(jí)纖毛已被觀察與多種細(xì)胞途徑的活動(dòng)相結(jié)合,但是作為化學(xué)和力學(xué)信號(hào)的重要感受器還未被充分認(rèn)識(shí). 在很多情況下,初級(jí)纖毛充當(dāng)調(diào)節(jié)細(xì)胞與細(xì)胞通信的信號(hào)傳導(dǎo)中心,它充當(dāng)力學(xué)傳感器并執(zhí)行高度專業(yè)化的感知功能.初級(jí)纖毛的力學(xué)行為在細(xì)胞的體外培養(yǎng)技術(shù)和相關(guān)疾病中研究發(fā)現(xiàn),軟骨祖細(xì)胞osteochondroprogenitors獨(dú)特地感知流體剪切并且參與成骨細(xì)胞的分化現(xiàn)象,但去除初級(jí)纖毛后這種現(xiàn)象基本消失,這個(gè)結(jié)果表明初級(jí)纖毛充當(dāng)了具有力學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)功能的成骨分化細(xì)胞器.在醫(yī)學(xué)上, 初級(jí)纖毛與認(rèn)知障礙、耳蝸聽(tīng)覺(jué)喪失、視網(wǎng)膜變性、嗅覺(jué)缺失癥、顱面畸形、肺癌和呼吸 道異常、骨骼異常等疾病都具有相關(guān)性.最近的研究表明骨細(xì)胞初級(jí)纖毛不僅可以作為感知外部力學(xué)刺激的"天線",還可以作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中各種信號(hào)分子的受體和吸收劑.血管內(nèi)襯內(nèi)皮細(xì)胞上的初級(jí)纖毛起著鈣依賴性力學(xué)傳感器的作用,通過(guò)感應(yīng)血流刺激來(lái)調(diào)節(jié)血管系統(tǒng)內(nèi)的血液動(dòng)力學(xué)參數(shù).內(nèi)皮初級(jí)纖毛的缺陷會(huì)導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)难髡T導(dǎo)反應(yīng),并導(dǎo)致血管功能障礙如動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓和動(dòng)脈瘤.腎初級(jí)纖毛在暴露于血流中時(shí)發(fā)生彎曲, 并在血流停止后發(fā)生恢復(fù),類似于材料力學(xué)中的懸臂梁,其周期性彎曲可以激活鈣離子通道的開(kāi)關(guān).在發(fā)現(xiàn)初級(jí)纖毛的力學(xué)行為的重要性之后,從理論方面探討初級(jí)纖毛的力學(xué)機(jī)制也就成為了一項(xiàng)重要工作.初級(jí)纖毛最初被簡(jiǎn)化為圓柱截面懸臂梁,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)中觀察到的彎曲情況得到初級(jí)纖毛的剛度范圍.結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察研究初級(jí)纖毛尖端的擺動(dòng)對(duì)其軸突和基底的力學(xué)響應(yīng),初級(jí)纖毛被更細(xì)化的建模為微管集合體計(jì)算初級(jí)纖毛在軸向和半徑方向的彈性模量,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)初級(jí)纖毛剛度比短初級(jí)纖毛更高.培養(yǎng)腔內(nèi)的細(xì)胞的流-固耦合有限元模型的建立證明了定常流中初級(jí)纖毛可以通過(guò)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度和剛度來(lái)改變線彈性細(xì)胞的力學(xué)敏感性.

至今為止, 對(duì)于初級(jí)纖毛力學(xué)行為的理論研究大多數(shù)都是在穩(wěn)定流場(chǎng)中進(jìn)行的. 那么,有初級(jí)纖毛附著的細(xì)胞在振蕩流中有怎樣的周期性力學(xué)行為以及初級(jí)纖毛又如何對(duì)細(xì)胞體造成動(dòng)態(tài)的影響就成為了重要的問(wèn)題.本文通過(guò)有限元建模的方法研究振蕩層流中多孔黏彈性細(xì)胞的力學(xué)響應(yīng),得到了初級(jí)纖毛在微流控腔內(nèi)液體流動(dòng)中的力學(xué)行為.具體研究了細(xì)胞質(zhì)滲透率變化對(duì)細(xì)胞多孔彈性力學(xué)行為的影響,以及初級(jí)纖毛的幾何長(zhǎng)度、直徑和力學(xué)彈性模量特性對(duì)自身及其他細(xì)胞器細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核的力學(xué)信號(hào)感受能力的影響.