摘要: 微流控芯片作為一種微全分析技術(shù)平臺(tái)，具有精確流量控制、少量樣本需求和可集成化等諸多優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。利用微流控通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，可在實(shí)驗(yàn)條件下模擬生理和病理?xiàng)l件下的復(fù)雜血管微環(huán)境，其與超分辨顯微成像技術(shù)的整合使得研究人員能夠?qū)崟r(shí)觀察和分析微觀尺度下的細(xì)胞動(dòng)態(tài)變化過程。因此，用微流控芯片系統(tǒng)研究細(xì)胞形態(tài)和力學(xué)特性方面也取得了重要進(jìn)展。本文重點(diǎn)介紹了微流控芯片技術(shù)及基于微流控的數(shù)值仿真模擬手段在紅細(xì)胞、白細(xì)胞及干細(xì)胞變形和流變學(xué)行為中的應(yīng)用及進(jìn)展。首先，我們介紹了微流控芯片技術(shù)及相關(guān)數(shù)值仿真手段在紅細(xì)胞流動(dòng)變形研究中的應(yīng)用；接著，我們總結(jié)了微流控芯片系統(tǒng)及相關(guān)數(shù)值模擬在白細(xì)胞邊集及遷移行為的研究進(jìn)展；此外，我們也概括了微流控芯片系統(tǒng)及相關(guān)數(shù)值模擬在干細(xì)胞遷移和定向分化機(jī)制方面的研究進(jìn)展。最后，我們總結(jié)并展望了微流控芯片技術(shù)及其相關(guān)的數(shù)值模擬在血細(xì)胞及干細(xì)胞流變學(xué)研究中的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢(shì)。

引 言

微流控芯片（Microfluidics）是一種集成了微流體技術(shù)和芯片制造技術(shù)的新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于控制微量液體和顆粒在微小尺度下的運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)。該技術(shù)通過微型化和集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微量液體及顆粒的高精度操控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有高通量、快速分析和低成本等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等研究領(lǐng)域。特別地，由于微流控芯片具有設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)勢(shì)，可通過各類通道及電子元器件的排列組合來模擬人體組織內(nèi)的脈管系統(tǒng)，為細(xì)胞培養(yǎng)提供穩(wěn)定的微環(huán)境。因此利用微流控芯片技術(shù)已經(jīng)成為血細(xì)胞和干細(xì)胞變形和流動(dòng)性研究的重要工具。此外，數(shù)值仿真技術(shù)與微流控芯片技術(shù)的結(jié)合可進(jìn)一步幫助人們深入研究細(xì)胞行為。依托細(xì)胞幾何形態(tài)和力學(xué)特性，在細(xì)胞整體水平建立細(xì)胞數(shù)值仿真模型，可用于模擬研究細(xì)胞流變學(xué)行為、分析預(yù)測(cè)多種外部及內(nèi)部因素對(duì)細(xì)胞流變學(xué)特性的影響規(guī)律，并對(duì)微流控芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。

紅細(xì)胞（Red blood cell，RBC），又稱紅血球，呈雙凹盤狀，直徑約為 7-8 微米。紅細(xì)胞膜為薄的脂質(zhì)雙層膜，內(nèi)部充滿血紅蛋白溶液，屬于高度可變形的充液彈性薄殼體。紅細(xì)胞是血液中數(shù)量最多的一種血細(xì)胞（約占血液壓積的 45%），能隨血液流動(dòng)遍及全身，負(fù)責(zé)運(yùn)輸氧氣和二氧化碳，維護(hù)組織器官的正常功能。在血液循環(huán)過程中，紅細(xì)胞會(huì)穿過各種尺寸的血管，大到 4 毫米到小到 5 微米，承受著重力、拉力和剪切力。然而，在病理?xiàng)l件下，紅細(xì)胞的變形能力降低，血液的高切應(yīng)力增加，會(huì)導(dǎo)致外周阻力增大，影響血液循環(huán)以及組織和器官的血液供應(yīng)。因此，研究紅細(xì)胞在生理和病理?xiàng)l件下的變形性能對(duì)于理解血液循環(huán)及相關(guān)血液疾病的臨床表現(xiàn)具有重要意義。微流控通道可在實(shí)驗(yàn)條件下模擬生理和病理?xiàng)l件下的復(fù)雜血管微環(huán)境，可用于探索紅細(xì)胞在毛細(xì)血管或多級(jí)血管分支網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)行為和變形性能，模擬體內(nèi)微血管堵塞及血栓形成過程。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步量化分析紅細(xì)胞在微通道內(nèi)的流變學(xué)行為，我們也對(duì)基于微流控芯片系統(tǒng)建立的相關(guān)數(shù)值仿真模型模擬研究進(jìn)行了分析總結(jié)。

白細(xì)胞是一種無色有核的血細(xì)胞，體積比紅細(xì)胞大，一般情況下形狀接近球形,大小約為10-12 微米。白細(xì)胞具有活躍的活動(dòng)能力，能夠從血管內(nèi)遷移到血管外，或從外周組織遷移到血液循環(huán)中。因此，除了存在于血液和淋巴中，白細(xì)胞也廣泛分布于血管和淋巴管以外的組織中，在人體免疫系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，包括對(duì)損傷或感染的炎癥區(qū)域作出反應(yīng)。白細(xì)胞從血液到靶組織的外滲和遷移是炎癥反應(yīng)的重要步驟。這個(gè)多步驟過程受到血流動(dòng)力學(xué)和各種生化信號(hào)的嚴(yán)格調(diào)控。因此,白細(xì)胞外滲過多、時(shí)間過長或定向錯(cuò)誤是動(dòng)脈粥樣硬化、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、炎癥性腸病和多發(fā)性硬化等多種炎癥性疾病的發(fā)病機(jī)制之一。因此，借助微流控技術(shù)并結(jié)合數(shù)值仿真模擬研究白細(xì)胞遷移動(dòng)力學(xué)過程具有非常重要的意義。

再生醫(yī)學(xué)和基于干細(xì)胞（Stem cell，SC）的細(xì)胞治療已成為當(dāng)今世界各國先進(jìn)生物醫(yī)療技術(shù)關(guān)注的焦點(diǎn)。其主要細(xì)胞來源是具有自我更新和多向分化潛能優(yōu)點(diǎn)的干細(xì)胞。以被認(rèn)為最接近臨床應(yīng)用的干細(xì)胞產(chǎn)品——間充質(zhì)干細(xì)胞（Mesenchymal stem cell，MSC）為例，許多臨床試驗(yàn)已經(jīng)研究了間充質(zhì)干細(xì)胞在治療炎癥損傷組織、腦和脊髓損傷等疾病中的療效。干細(xì)胞療法產(chǎn)生療效的基礎(chǔ)是干細(xì)胞的歸巢行為（Homing），即在趨化因子的作用下從循環(huán)系統(tǒng)遷移到靶向部位的過程。隨后干細(xì)胞將進(jìn)行定向分化，從而起到組織再生的治療作用。因此，基于干細(xì)胞的治療面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何提高細(xì)胞的歸巢效率。歸巢行為分為被動(dòng)歸巢（堵塞在微血管中跨內(nèi)皮遷移）和主動(dòng)歸巢（主動(dòng)貼壁后跨內(nèi)皮遷移），它們不僅受遺傳和化學(xué)因素的影響，其力學(xué)表型也至關(guān)重要。細(xì)胞的硬度、膜張力和變形能力等力學(xué)特性會(huì)直接影響細(xì)胞在血管中的變形、流動(dòng)和組織中的遷移等過程。傳統(tǒng)的細(xì)胞研究方法無法為異質(zhì)性較高的干細(xì)胞提供足夠精準(zhǔn)高效的力學(xué)表型數(shù)據(jù)，而微流控技術(shù)不僅成本低、通量高，還可模擬并調(diào)控干細(xì)胞生長、遷移分化所需的小生境（Niche）。因此，微流控芯片系統(tǒng)為觀察和調(diào)節(jié)干細(xì)胞的力學(xué)特性，并系統(tǒng)研究細(xì)胞歸巢、遷移和分化等功能提供了有力的工具。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真模擬技術(shù)也日漸成為血細(xì)胞和干細(xì)胞流變學(xué)行為研究中的重要工具之一?；谖⒘骺匦酒到y(tǒng)的數(shù)值仿真技術(shù)的可用于微流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)參數(shù)敏感性分析等。基于彈性理論和流體力學(xué)的連續(xù)體力模型和基于粒子模擬方法的離散網(wǎng)格模型是目前研究血細(xì)胞流動(dòng)和變形行為的兩大主流模型。連續(xù)體力模型（如浸入式邊界法和邊界積分法）是基于歐拉網(wǎng)格求解方法建立的，通常將細(xì)胞膜和細(xì)胞液視為均質(zhì)材料，容易實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的計(jì)算流體力學(xué)求解器耦合，常用于模擬含有大量血細(xì)胞的血液流動(dòng)及細(xì)胞交互作用?；诹Ｗ拥碾x散網(wǎng)格模型（如多粒子碰撞動(dòng)力學(xué)方法、光滑耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法和光滑粒子動(dòng)力學(xué)方法）是將細(xì)胞膜、細(xì)胞液和血漿視為粗?；Ｗ樱鋬?yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在處理細(xì)胞膜復(fù)雜微結(jié)構(gòu)問題上，如病理狀態(tài)下細(xì)胞膜與細(xì)胞骨架的分離現(xiàn)象、細(xì)胞膜的熱漲落等。需要注意的是，此方法在進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)的模擬計(jì)算時(shí)，并非嚴(yán)格遵循納維-斯托克斯方程，導(dǎo)致該方法的計(jì)算精度較低。

本文綜述了近年來微流控芯片系統(tǒng)及基于微流控芯片的數(shù)值仿真模型模擬在血細(xì)胞和干細(xì)胞流變學(xué)行為中的研究進(jìn)展（如圖 1）。本文首先介紹了微流控芯片技術(shù)及基于微流控系統(tǒng)的數(shù)值仿真技術(shù)在紅細(xì)胞變形研究中的應(yīng)用；接著介紹了微流控芯片系統(tǒng)及相關(guān)數(shù)值模擬模型在白細(xì)胞邊集和遷移行為研究中的應(yīng)用。在干細(xì)胞歸巢研究中，微流控芯片系統(tǒng)可以通過設(shè)計(jì)特定的微流道結(jié)構(gòu)和生物信號(hào)化學(xué)梯度，模擬干細(xì)胞在體內(nèi)歸巢的過程，研究干細(xì)胞遷移和定向分化的機(jī)制，并為干細(xì)胞治療提供指導(dǎo)。鑒于干細(xì)胞歸巢的數(shù)值模型仿真工作較少，只對(duì)其進(jìn)行了簡要介紹。

圖 1 不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的微流控芯片系統(tǒng)在細(xì)胞力學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用概述

1 微流控芯片系統(tǒng)及數(shù)值模型模擬在紅細(xì)胞流動(dòng)變形行為研究進(jìn)展

1.1 基于微流控芯片系統(tǒng)的紅細(xì)胞變形特性研究

用于紅細(xì)胞變形性研究的微流控芯片可根據(jù)芯片復(fù)雜程度分為兩大類：單通道芯片和多通道芯片。他們可以分別用于模擬紅細(xì)胞在直通毛細(xì)血管和復(fù)雜血管分支網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)行為。單通道微流控芯片具有高靈敏度，可以直接觀察到細(xì)胞和亞細(xì)胞水平的動(dòng)態(tài)過程。Quinn 等人通過單通道微流控芯片定量探究了健康紅細(xì)胞在毛細(xì)血管內(nèi)的流變規(guī)律。他們通過調(diào)節(jié)通道出入口的壓力差控制流體流速，以模擬真實(shí)毛細(xì)血管中的流動(dòng)工況。在壓力驅(qū)動(dòng)下，紅細(xì)胞可以穿過橫截面積只有 8 平方微米左右的狹窄通道，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞流動(dòng)速度與壓力差存在線性關(guān)系。鑒于紅細(xì)胞流變學(xué)功能障礙的一個(gè)常見指標(biāo)是紅細(xì)胞可變形性的降低，探究紅細(xì)胞的變形能力對(duì)于理解相關(guān)血液疾病具有重要意義?；诖耍珿uo 等人在此芯片基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了多個(gè)串行的漏斗形漸縮毛細(xì)通道來探究健康紅細(xì)胞的擠壓變形規(guī)律。他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有高度可重復(fù)性的物理量——皮質(zhì)張力來表征紅細(xì)胞的變形性能。類似地，皮質(zhì)張力可用于衡量病理?xiàng)l件下紅細(xì)胞的變形性能，輔助相關(guān)血液疾?。ㄈ邕z傳性球形紅細(xì)胞癥、鐮狀紅細(xì)胞貧血癥等）的臨床診斷，從而獲得有關(guān)血液疾病臨床狀態(tài)以及藥物治療的一些關(guān)鍵信息。Guo 等人將這樣的微流控芯片用于研究瘧疾感染紅細(xì)胞的變形性能的變化，并根據(jù)測(cè)定的紅細(xì)胞過毛細(xì)通道的驅(qū)動(dòng)壓力值來判斷惡性瘧原蟲感染紅細(xì)胞的嚴(yán)重程度。

由于單通道微流控芯片的通量有限，無法并行研究多個(gè)細(xì)胞的力學(xué)表型，人們?cè)O(shè)計(jì)出了多通道微流控芯片來彌補(bǔ)單通道芯片的通量缺陷，以滿足瘧疾患者血樣中的低濃度瘧疾感染紅細(xì)胞的收集和分析。此外，多通道微流控芯片的多維網(wǎng)格可以模擬復(fù)雜的分支血管形態(tài)，構(gòu)建更逼真的血流微循環(huán)環(huán)境。Bow 等人設(shè)計(jì)了一種多通道并行排列的微管道陣列，利用寬度僅為 3 微米的通道構(gòu)建受限空間。在這樣的微流控芯片中，健康的紅細(xì)胞會(huì)快速通過微通道，而瘧疾感染紅細(xì)胞因其較差的變形性而難以擠入狹窄微通道。鐮狀紅細(xì)胞貧血癥是一種常見的遺傳性血液疾病，臨床表現(xiàn)為慢性溶血性貧血、易感染和再發(fā)性疼痛危象以及局部缺血，導(dǎo)致組織器官損害。由于鐮變紅細(xì)胞對(duì)微環(huán)境中的氧氣濃度十分敏感，想要模擬紅細(xì)胞在毛細(xì)血管中的流動(dòng)及堵塞需要實(shí)驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)對(duì)氧氣濃度的調(diào)控，這對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置來說是個(gè)極大的挑戰(zhàn)。Du 等人利用互聯(lián)多通道微流控裝置解決了這一難題，并實(shí)現(xiàn)了氧氣濃度可調(diào)的仿生毛細(xì)血管微環(huán)境。通過調(diào)節(jié)氧氣濃度，可以控制紅細(xì)胞的鐮變過程并分析紅細(xì)胞從發(fā)生鐮變到導(dǎo)致鐮狀細(xì)胞危象的整個(gè)過程。鐮變紅細(xì)胞不僅影響自身變形能力造成毛細(xì)血管及小靜脈堵塞，還會(huì)增加血液粘滯性，從而導(dǎo)致一系列炎癥反應(yīng)并在相應(yīng)部位產(chǎn)生疼痛危象。Papageorgiou 等人通過微流控實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鐮變初期的紅細(xì)胞在毛細(xì)管中顯著地粘附于管道內(nèi)壁，低氧濃度會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)鐮變紅細(xì)胞的粘附，但氧氣濃度的改變對(duì)鐮變末期的紅細(xì)胞的粘附能力無明顯影響。

1.2 基于微流控芯片系統(tǒng)的紅細(xì)胞疲勞特性研究

紅細(xì)胞隨血流在體內(nèi)流動(dòng)時(shí)，當(dāng)流經(jīng)毛細(xì)血管時(shí)會(huì)發(fā)生擠壓變形，其形態(tài)從雙凹圓盤形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐危冃涡韵陆?，進(jìn)而造成毛細(xì)血管的堵塞。另外，在血液儲(chǔ)存過程中，紅細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能也會(huì)發(fā)生變化，這些變化被稱為儲(chǔ)存損傷。近年來，一些學(xué)者采用微流控實(shí)驗(yàn)方法從形態(tài)學(xué)、生物力學(xué)等角度對(duì)紅細(xì)胞儲(chǔ)存損傷展開研究，例如，Zheng 等基于雙流體聚焦原理，采用微流控實(shí)驗(yàn)方法研究了紅細(xì)胞在儲(chǔ)存周期內(nèi)變形性的改變。研究發(fā)現(xiàn)，隨著儲(chǔ)存時(shí)間增加，球形紅細(xì)胞數(shù)目增多，紅細(xì)胞的分布寬度也會(huì)明顯變寬。但紅細(xì)胞的松弛時(shí)間恢復(fù)系數(shù)卻顯著降低，證實(shí)是由于紅細(xì)胞內(nèi) ATP 的消耗引發(fā)細(xì)胞骨架重組，導(dǎo)致細(xì)胞膜硬化和更快的恢復(fù)速率。這些結(jié)果表明可以使用時(shí)間恢復(fù)系數(shù)和細(xì)胞分布寬度來衡量儲(chǔ)存的紅細(xì)胞質(zhì)量。

紅細(xì)胞疲勞是指在機(jī)械拉伸力的循環(huán)加載下，其形態(tài)和力學(xué)特性呈現(xiàn)顯著變化的現(xiàn)象。然而，紅細(xì)胞在體內(nèi)循環(huán)時(shí)受到擠壓變形而導(dǎo)致的疲勞損傷程度很難在體內(nèi)直接測(cè)量，這給研究疲勞過程中紅細(xì)胞的變形特性和生物力學(xué)特性帶來了巨大挑戰(zhàn)。近年來，研究人員借助微流控平臺(tái)嘗試在體外模擬這一過程，以研究紅細(xì)胞疲勞的潛在影響機(jī)制。例如，Sakuma 等人采用微流控實(shí)驗(yàn)方法（如圖 2），提出了一種衡量紅細(xì)胞疲勞狀態(tài)的指標(biāo)。他們通過注射器對(duì)微通道中的紅細(xì)胞傳遞往復(fù)的機(jī)械應(yīng)力，精準(zhǔn)控制紅細(xì)胞數(shù)百次的循環(huán)擠壓變形。研究發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)擠壓次數(shù)的增加，紅細(xì)胞逐漸失去變形能力：微通道出口處的細(xì)胞長度與細(xì)胞離開通道后的長度相等，并且不同細(xì)胞樣本具有相同的疲勞趨勢(shì)和不同的臨界數(shù)值。這些結(jié)果證實(shí)了采用細(xì)胞失去變形能力的臨界擠壓數(shù)值來評(píng)價(jià)疲勞狀態(tài)的可行性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)該臨界數(shù)值與變形指數(shù)呈線性關(guān)系，因此變形指數(shù)也可作為細(xì)胞疲勞狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。Qiang 等人采用調(diào)幅電變形和微流控芯片系統(tǒng)來表征單個(gè)紅細(xì)胞的動(dòng)態(tài)疲勞程度。該方法不僅可以對(duì)通道內(nèi)的紅細(xì)胞施加靜態(tài)載荷，也可以通過在微流控裝置的交叉電極兩端加載正弦波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞的循環(huán)拉伸變形。研究發(fā)現(xiàn)隨著拉伸次數(shù)增加，紅細(xì)胞逐漸喪失可恢復(fù)性，且峰值載荷越大，細(xì)胞變形能力下降更加顯著。該結(jié)果證實(shí)了在循環(huán)載荷作用下，紅細(xì)胞也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械疲勞效應(yīng)，且在相同的累積加載時(shí)間和相同的最大載荷下，循環(huán)載荷對(duì)紅細(xì)胞造成的膜損傷明顯大于持續(xù)的靜態(tài)載荷情況。此外，Pan 等人設(shè)計(jì)了類似 ECMO 結(jié)構(gòu)的多通道微流控芯片，研究了紅細(xì)胞在周期性擠壓下的疲勞響應(yīng)機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紅細(xì)胞經(jīng)歷周期性擠壓變形后，細(xì)胞內(nèi) ATP 水平降低，其形態(tài)逐漸棘形化，導(dǎo)致變形能力下降；然而，在低擠壓頻率下，細(xì)胞不容易出現(xiàn)機(jī)械疲勞現(xiàn)象。這些結(jié)果揭示了以擠壓頻率為主導(dǎo)的疲勞機(jī)制，并表明細(xì)胞疲勞程度與細(xì)胞內(nèi) ATP 水平的關(guān)聯(lián)性。由此可見，機(jī)械疲勞在影響細(xì)胞力學(xué)特性方面有著重要作用。

圖 2 采用微流控芯片技術(shù)評(píng)估紅細(xì)胞的疲勞損傷程度

紅細(xì)胞在其生命周期內(nèi)會(huì)不斷經(jīng)歷循環(huán)擠壓變形，直至被脾臟清除。為了更好地了解脾臟清除衰老紅細(xì)胞的潛在力學(xué)機(jī)制，Antoni 等人設(shè)計(jì)了一種含有狹窄微通道的微流控芯片，用來研究紅細(xì)胞在循環(huán)應(yīng)力作用下反復(fù)穿越脾狹縫的流動(dòng)變形特性。他們通過量化紅細(xì)胞擠壓次數(shù)與細(xì)胞體積、球度指數(shù)、彎曲模量等參數(shù)的變化關(guān)系，并結(jié)合細(xì)胞骨架-膜蛋白成分分析，認(rèn)為囊泡的釋放、細(xì)胞球形化及膜蛋白損失是導(dǎo)致衰老紅細(xì)胞更易被巨噬細(xì)胞吞噬清除的主要原因。此外，在血液循環(huán)中，紅細(xì)胞會(huì)反復(fù)流經(jīng)富陽和缺氧的器官組織，氧張力水平的反復(fù)變化會(huì)影響血紅蛋白的氧親和力，從而改變細(xì)胞的變形性能。例如，在鐮狀紅細(xì)胞貧血病中，研究表明氧氣轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制障礙會(huì)導(dǎo)致紅細(xì)胞變形能力下降。為此，Qiang 等人采用微流控芯片系統(tǒng)分析了缺氧環(huán)境對(duì)紅細(xì)胞疲勞特性的影響?；诓煌脱鯘舛拳h(huán)境的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們分析了健康紅細(xì)胞和鐮狀紅細(xì)胞經(jīng)歷不同拉伸時(shí)間后的變形性能變化，發(fā)現(xiàn)鐮狀紅細(xì)胞會(huì)更快進(jìn)入疲勞狀態(tài)。

1.3 紅細(xì)胞在微管道中流動(dòng)變形的數(shù)值模型模擬

人們通過設(shè)計(jì)不同的微流控芯片系統(tǒng)對(duì)紅細(xì)胞的流動(dòng)變形特性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。然而，關(guān)于單個(gè)紅細(xì)胞在最小毛細(xì)管相關(guān)長度尺度（約3 微米）中的流動(dòng)特性僅有定性結(jié)果，缺乏充足的定量分析來更好地理解紅細(xì)胞的流動(dòng)變形規(guī)律及影響機(jī)制。此外，微流控通道只能觀測(cè)到紅細(xì)胞的二維變化，第三個(gè)維度上的數(shù)據(jù)無法通過實(shí)驗(yàn)直接獲取。因此，學(xué)者們基于微流控實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了紅細(xì)胞的數(shù)值模型，模擬生理/病理紅細(xì)胞在穿越脾臟內(nèi)皮間狹縫、毛細(xì)血管、復(fù)雜血管分支網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)尺度管道時(shí)的不同流變學(xué)特性（見圖 3（1））。

脾臟在人體中起著儲(chǔ)存血液、造血、清除老化紅細(xì)胞和進(jìn)行免疫應(yīng)答的角色，其清除老化血細(xì)胞的力學(xué)機(jī)制就是利用狹窄的內(nèi)皮間狹縫過濾變形性能較差的病變或衰老紅細(xì)胞。Pivkin 等人通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞的體面比比其膜剛度更能決定紅細(xì)胞在脾狹縫中的截留率。Ma 及其合作者利用類似的數(shù)值模型發(fā)現(xiàn)在紅細(xì)胞達(dá)到被困在脾狹縫中的臨界體面比之前，紅細(xì)胞直徑的減小可以縮短其通過脾狹縫所需的時(shí)間，而膜粘度的增加則會(huì)減慢其通過速度（如圖 3(2)）。此外，老化相關(guān)的膜面積損失過程中，需要更大的臨界壓力梯度才能使紅細(xì)胞變形以通過脾狹縫，從而導(dǎo)致更強(qiáng)烈的損傷，使得其在下一輪脾狹縫“考驗(yàn)”中的截留概率升高。Quinn 等人在單通道微流控實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法的數(shù)值模擬（如圖 3（3）），表征了紅細(xì)胞在穿越寬度分別為 3 微米及 6 微米的毛細(xì)通道時(shí)的局部膜面積膨脹率，發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞的頭部面積膨脹最多，表明在變形時(shí)紅細(xì)胞頭部受到的應(yīng)力最大。為了深入了解在多級(jí)血管中紅細(xì)胞的流動(dòng)特性，Li 等人發(fā)展了一個(gè)具有流入/流出邊界條件的模型模擬方法，用于模擬研究紅細(xì)胞懸浮液在分叉微血管網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)變形行為。他們的結(jié)果表明，流體在微血管主分叉管道內(nèi)的速度幅度較大，而在小分支內(nèi)的速度幅度相對(duì)均勻，速度分布呈典型的塞狀（如圖 3（4））。Wang 等人使用浸入式邊界方法對(duì)紅細(xì)胞在不同直徑微通道內(nèi)流動(dòng)、變形和傳質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值分析，從細(xì)胞尺度闡明了微循環(huán)系統(tǒng)中細(xì)胞膜的力學(xué)特性與流場剪切特性和微管對(duì)細(xì)胞的幾何約束等多種因素之間相互耦合作用下的傳質(zhì)特性。Ai 等人利用浸沒有限元方法研究了零質(zhì)量射流作用下紅細(xì)胞在微通道中的運(yùn)動(dòng)變形過程, 分析了壓力梯度和射流振動(dòng)頻率、振幅等參數(shù)對(duì)細(xì)胞膜力敏通道開啟程度的影響規(guī)律。Xiao 等人借助耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了紅細(xì)胞在漸縮-漸擴(kuò)通道內(nèi)的流動(dòng)變形行為，分析了頸縮口尺寸等因素對(duì)紅細(xì)胞通過漸縮-漸擴(kuò)通道的影響規(guī)律。Ye 等人利用耗散粒子動(dòng)力學(xué)及光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了紅細(xì)胞在復(fù)雜管內(nèi)及流體芯片中的運(yùn)動(dòng)、變形以及聚集行為。這些模擬研究可幫助人們?cè)诩?xì)胞-亞細(xì)胞等層面理解健康和血液疾病中的紅細(xì)胞在毛細(xì)血管內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律及機(jī)制。

圖 3 紅細(xì)胞在微管道中流動(dòng)變形的數(shù)值模擬

（1）不同尺度下紅細(xì)胞變形及粘滯阻力的模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（2）脾狹縫的微結(jié)構(gòu)；（3）紅細(xì)胞在仿生毛細(xì)血管中的流動(dòng)變形；（4）紅細(xì)胞在仿生分叉微血管中的流動(dòng)變形及分布特征。

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