對細胞施加流動剪切刺激的培養(yǎng)方法

研究機械載荷對活細胞的影響提供了有關細胞活動、活力和細胞間通訊的重要信息。這些刺激往往對細胞遷移、組織重塑和愈合等現(xiàn)象產(chǎn)生重大影響。而微觀尺度的效應也會影響組織結構、其機械特性和功能。因此需要特殊的方法來研究細胞的變形和生理反應。此外，在測試中為保持細胞存活，還必須要確保適當?shù)沫h(huán)境條件。

人體是一個非常復雜的系統(tǒng)，為了解有機體的功能及其再生，有必要研究最小的生命單位——細胞的行為。通過了解細胞如何對復雜的生物、化學和物理信號做出反應，可以模擬體內(nèi)整個組織的行為。首先，不同類型細胞的特性之間存在差異的原因是什么，以及為什么導致了這種機械性能而不是其他。在生物學領域應該簡化為細胞成分（尤其是細胞骨架和細胞膜）不同空間和生物力學組織的結果。第二是考慮細胞和群的組織學。通過加載組織中的細胞，它會影響調節(jié)所有組織行為的復雜細胞間通訊系統(tǒng)。第三個方面與細胞的剛度相關，并且對前兩個方面至關重要。研究和建模單個細胞對機械負載的響應，定義其機械性能是在微觀或宏觀尺度上考慮細胞性能的基礎。

預測細胞在特定機械環(huán)境中的行為旨在改進加速組織再生、康復、診斷、種植學和其他領域的方法。

流動剪切應力

1.平行板流動室(PPFC)

流體剪切應力(FSS)被認為主要是由于血管環(huán)境，其中血管壁的細胞處于連續(xù)的流體流動環(huán)境中。使用流動測試剪切應力的一種方法是PPFC。

在其中一個平板上，單層細胞附著在平板的內(nèi)表面。通過沿腔室產(chǎn)生壓力梯度，使其經(jīng)受流體或培養(yǎng)基的流動。為了產(chǎn)生壓差，重力封頭用于穩(wěn)定流動，主動泵用于穩(wěn)定或非穩(wěn)定流動。設定流動參數(shù)，用Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程來計算施加在板和單元上的剪切應力。假設為牛頓流體流動，其中剪切張量與應變張量成正比，則作用在細胞上的剪切應力可由公式計算。

假設流動是穩(wěn)定的，也可用于估計動態(tài)流動情況下的介質和最大剪應力。如果觀察到的細胞距離腔室的側面足夠遠，可以忽略邊緣效應，并且距離入口足夠遠，以至于速度與預測的一樣，則可以假設作用在單元上的剪切應力是均勻的。

2.錐形-平板系統(tǒng)

通過旋轉錐和平板的方法。流動裝置是通過旋轉的圓錐體浸泡在細胞培養(yǎng)容器的液體中來工作的。在這種情況下，由于離心力的作用，流體作圓周和徑向運動，假設轉速較低，離心力可以忽略。

3.軌道振蕩系統(tǒng)

在這種情況下，培養(yǎng)容器是振動的。液體流動的解析描述會非常復雜，但最大剪切應力可以由公式得出。

4.微流體系統(tǒng)

基于流動系統(tǒng)的小型化。微通道的尺寸范圍約幾微米，與細胞大小相當。與其他技術相比，微流體系統(tǒng)使研究單細胞具有相當大的系統(tǒng)通量成為可能。允許精確控制施加在單個細胞上的條件，因為微流體裝置中的小尺寸通道提供層流特性（低雷諾數(shù)），使流體流動可預測和控制。至關重要的是，在如此小的尺度上流體的行為不同于在大通道中觀察到的行為，模擬分子的行為并預測它們的軌跡是可能的。