人體內(nèi)的血管長期暴露于由于血液流動引起的機械刺激中。根據(jù)血管的類型和發(fā)育年齡的不同，人體內(nèi)的生理剪切力的范圍為1-70 dyne/cm2。剪切力幾乎參與了所有細胞生命活動的調(diào)節(jié)，包括細胞形態(tài)、增殖、分化、遷移等。剪切力的作用對于血管形成過程具有重要影響。同時，在血液病、心血管疾病和癌癥等常見的高發(fā)病率疾病中，均發(fā)現(xiàn)了病理性的剪切力失調(diào)現(xiàn)象。例如，在狹窄95%的動脈中，剪切應(yīng)力可能大于1000 dyne/cm2。同時，高剪切力可誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞的機械損傷，導(dǎo)致血管破裂因此不可逆的損傷。因此，了解剪切力對血管細胞的作用，可以為心血管相關(guān)疾病的病原學(xué)診斷和治療提供強有力的支撐。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）陳華英教授和金晶副教授聯(lián)合深圳大學(xué)閆昇研究員帶領(lǐng)研究團隊研制了一種用于體外血栓模型研究的時空可控剪切應(yīng)力生成微流控芯片。通過流體力學(xué)水力分析及精準控制微流控芯片五個分支通道內(nèi)的截面大小，可以產(chǎn)生1-926倍的剪切力梯度。同時，可以在不同微流控芯片的微通道內(nèi)產(chǎn)生不同的梯度波形。為了驗證芯片應(yīng)用潛力，利用該芯片模擬人體內(nèi)生理和病理（如血栓）剪切力模型，研究了在該剪切力微環(huán)境條件下，內(nèi)皮細胞的響應(yīng)。該成果以“A tempo-spatial controllable microfluidic shear-stress generator forin vitro study of the thrombus model”為題發(fā)表在期刊JOURNAL OF NANOBIOTECHNOLOGY上。

圖1（A）為微流控芯片生成剪切力的原理圖。該微流控芯片為三層結(jié)構(gòu)，分別是流體流動層（細胞培養(yǎng)）、薄膜層和紫外膠層（如圖1（B）所示）。其主要工作原理是，利用壓力泵將紫外膠注射至紫外膠層內(nèi)。根據(jù)進樣壓力與膜變形的關(guān)系，精準控制膜變形大小，模擬不同的血栓情況。在進樣的同時，利用紫外燈照射固定膜的變形完成芯片的制作。隨后，將細胞由流體流動層注入至微流控芯片內(nèi)，經(jīng)過培養(yǎng)后研究剪切力對細胞的影響。

圖1 用于血栓模型體外研究的時空可控微流控剪切應(yīng)力發(fā)生器

精準控制薄膜變形是準確控制剪切力的關(guān)鍵。本研究通過熒光實驗，建立了進樣壓力與薄膜變形之間的擬合關(guān)系。同時，通過顯微測量驗證了膜變形的準確性。另外，利用模擬的方法得到了五個分支通道的膜變形與流阻之間的關(guān)系，為后續(xù)的微流控芯片的水力分析提供數(shù)據(jù)支撐。

圖2 膜變形與流阻精準控制

通過流體力學(xué)流場分析，我們得到了五個分支通道內(nèi)薄膜變形不同組合產(chǎn)生的流場理論分布。為了研究理論計算的準確性，本研究分別使用數(shù)值模擬和微尺度流動測速技術(shù)（Micro-PIV）進行驗證。結(jié)果表明，理論計算的剪切力梯度與模擬與實驗的結(jié)果具有較高的一致性。可以利用計算的結(jié)果設(shè)計膜的變形組合，以得到理想的剪切力梯度。

圖3 微流控芯片內(nèi)的流場分析

利用微流控芯片研究剪切力對細胞的影響的實驗表明，對于生理剪切力而言，長期暴露（24小時）在低于8.3 dyn/cm2的剪切應(yīng)力水平下對細胞生長沒有顯著影響。而細胞暴露在大于或等于8.3 dyn/cm2的剪切應(yīng)力水平下，顯示出顯著的縱橫比和細胞排列的變化，其規(guī)律滿足正態(tài)分布。

圖4 線性剪切力梯度、生理剪切力對細胞的影響

對于病理剪切力（血栓）而言，當剪切應(yīng)力迅速增加到1000 dyn/cm2時，88.2%的細胞從基質(zhì)上脫落。因此，對于嚴重血栓形成的患者在血栓部位面臨極高的血管損傷風險，可能導(dǎo)致出血和卒中等及其嚴重的情況。此外，剪切力升高可激活血小板聚集，可能加重阻塞的嚴重程度。我們的實驗結(jié)果表明，即使對于輕度堵塞的患者，長期暴露于微高剪切應(yīng)力（24小時，16.7 dyn/cm2）也可以誘導(dǎo)細胞脫離?？紤]到50%的血管閉塞患者沒有臨床癥狀，密切關(guān)注剪切力帶來的風險至關(guān)重要。

圖5 病理剪切力作用下，剪切力對細胞黏附的影響

綜上所述，本研究開發(fā)的微流控芯片為研究剪切力在生理和病理流動條件下對細胞的影響提供了一個強大的工具。該芯片為理解動脈粥樣硬化這一重要的心血管疾病的形成機制提供了寶貴的支撐。通過模擬和研究剪切誘導(dǎo)的細胞響應(yīng)，研究人員可以深入了解動脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展，從而有助于提高對該疾病的認識并為潛在的治療干預(yù)提供支持。

審核編輯：劉清