微流控芯片可以實現(xiàn)細(xì)胞的體外培養(yǎng), 廣泛應(yīng)用于細(xì)胞的檢測研究中.微流控腔中培養(yǎng)液的動力流動方式從原理上主要分兩類: 第一類為被動式,如表面張力和毛細(xì)作用, 第二類為主動式,包括壓力驅(qū)動、離心力驅(qū)動、磁流體動力和電滲流驅(qū)動等.生物體內(nèi)的細(xì)胞生長、分化、粘附、遷移等活動受到力學(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),它可以在不需要機械運動部件的情況下通過微通道輸送流體, 當(dāng)施加軸向電場時,帶電表面會影響溶液中離子的運動狀態(tài), 從而帶動溶液流動.為了研究生物組織的逆向力-電效應(yīng),微流控技術(shù)可以實現(xiàn)力-電協(xié)同驅(qū)動培養(yǎng)液流動刺激貼壁細(xì)胞的生物力學(xué)技術(shù)微環(huán)境.人工配置的無血清培養(yǎng)液可以簡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兩種流體模型下線彈性細(xì)胞的動態(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)主要通過實驗的方法探究, 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)上可以進一步推導(dǎo)出松弛時間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,均可以被視為同時具有固相和液相的多孔彈性材料. 近年來,原子力顯微鏡通過測量微懸臂梁探針與樣品表面之間的相互作用, 提供了評估細(xì)胞力學(xué)性能的新技術(shù),原子力顯微鏡實驗數(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)胞模型來考察復(fù)雜的力學(xué)行為是必要的.

初級纖毛是生長在細(xì)胞表面的毛發(fā)狀細(xì)胞器, 它可以通過改變長度和抗彎性,以調(diào)節(jié)其力學(xué)敏感性, 適應(yīng)微觀力學(xué)環(huán)境.初級纖毛已被觀察與多種細(xì)胞途徑的活動相結(jié)合,但是作為化學(xué)和力學(xué)信號的重要感受器還未被充分認(rèn)識. 在很多情況下,初級纖毛充當(dāng)調(diào)節(jié)細(xì)胞與細(xì)胞通信的信號傳導(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,但去除初級纖毛后這種現(xiàn)象基本消失,這個結(jié)果表明初級纖毛充當(dāng)了具有力學(xué)信號傳導(dǎo)功能的成骨分化細(xì)胞器.在醫(yī)學(xué)上, 初級纖毛與認(rèn)知障礙、耳蝸聽覺喪失、視網(wǎng)膜變性、嗅覺缺失癥、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",還可以作為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中各種信號分子的受體和吸收劑.血管內(nèi)襯內(nèi)皮細(xì)胞上的初級纖毛起著鈣依賴性力學(xué)傳感器的作用,通過感應(yīng)血流刺激來調(diào)節(jié)血管系統(tǒng)內(nèi)的血液動力學(xué)參數(shù).內(nèi)皮初級纖毛的缺陷會導(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脈粥樣硬化、高血壓和動脈瘤.腎初級纖毛在暴露于血流中時發(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關(guān).在發(fā)現(xiàn)初級纖毛的力學(xué)行為的重要性之后,從理論方面探討初級纖毛的力學(xué)機制也就成為了一項重要工作.初級纖毛最初被簡化為圓柱截面懸臂梁,并結(jié)合實驗中觀察到的彎曲情況得到初級纖毛的剛度范圍.結(jié)合實驗觀察研究初級纖毛尖端的擺動對其軸突和基底的力學(xué)響應(yīng),初級纖毛被更細(xì)化的建模為微管集合體計算初級纖毛在軸向和半徑方向的彈性模量,發(fā)現(xiàn)長初級纖毛剛度比短初級纖毛更高.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纖毛可以通過調(diào)節(jié)長度和剛度來改變線彈性細(xì)胞的力學(xué)敏感性.

至今為止, 對于初級纖毛力學(xué)行為的理論研究大多數(shù)都是在穩(wěn)定流場中進行的. 那么,有初級纖毛附著的細(xì)胞在振蕩流中有怎樣的周期性力學(xué)行為以及初級纖毛又如何對細(xì)胞體造成動態(tài)的影響就成為了重要的問題.本文通過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),得到了初級纖毛在微流控腔內(nèi)液體流動中的力學(xué)行為.具體研究了細(xì)胞質(zhì)滲透率變化對細(xì)胞多孔彈性力學(xué)行為的影響,以及初級纖毛的幾何長度、直徑和力學(xué)彈性模量特性對自身及其他細(xì)胞器細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核的力學(xué)信號感受能力的影響.