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对细胞施加流动剪切刺激的培养方法

更新时间:2023-08-10      点击次数:595

研究机械载荷对活细胞的影响提供了有关细胞活动、活力和细胞间通讯的重要信息。这些刺激往往对细胞迁移、组织重塑和愈合等现象产生重大影响。而微观尺度的效应也会影响组织结构、其机械特性和功能。因此需要特殊的方法来研究细胞的变形和生理反应。此外,在测试中为保持细胞存活,还必须要确保适当的环境条件。

人体是一个非常复杂的系统,为了解有机体的功能及其再生,有必要研究最小的生命单位——细胞的行为。通过了解细胞如何对复杂的生物、化学和物理信号做出反应,可以模拟体内整个组织的行为。首先,不同类型细胞的特性之间存在差异的原因是什么,以及为什么导致了这种机械性能而不是其他。在生物学领域应该简化为细胞成分(尤其是细胞骨架和细胞膜)不同空间和生物力学组织的结果。第二是考虑细胞和群的组织学。通过加载组织中的细胞,它会影响调节所有组织行为的复杂细胞间通讯系统。第三个方面与细胞的刚度相关,并且对前两个方面至关重要。研究和建模单个细胞对机械负载的响应,定义其机械性能是在微观或宏观尺度上考虑细胞性能的基础。

预测细胞在特定机械环境中的行为旨在改进加速组织再生、康复、诊断、种植学和其他领域的方法。

流动剪切应力

1.平行板流动室(PPFC)

流体剪切应力(FSS)被认为主要是由于血管环境,其中血管壁的细胞处于连续的流体流动环境中。使用流动测试剪切应力的一种方法是PPFC。

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在其中一个平板上,单层细胞附着在平板的内表面。通过沿腔室产生压力梯度,使其经受流体或培养基的流动。为了产生压差,重力封头用于稳定流动,主动泵用于稳定或非稳定流动。设定流动参数,用Navier-Stokes方程和连续性方程来计算施加在板和单元上的剪切应力。假设为牛顿流体流动,其中剪切张量与应变张量成正比,则作用在细胞上的剪切应力可由公式计算。

假设流动是稳定的,也可用于估计动态流动情况下的介质和最大剪应力。如果观察到的细胞距离腔室的侧面足够远,可以忽略边缘效应,并且距离入口足够远,以至于速度与预测的一样,则可以假设作用在单元上的剪切应力是均匀的。


2.锥形-平板系统

通过旋转锥和平板的方法。流动装置是通过旋转的圆锥体浸泡在细胞培养容器的液体中来工作的。在这种情况下,由于离心力的作用,流体作圆周和径向运动,假设转速较低,离心力可以忽略。

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3.轨道振荡系统

在这种情况下,培养容器是振动的。液体流动的解析描述会非常复杂,但最大剪切应力可以由公式得出。

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4.微流体系统

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基于流动系统的小型化。微通道的尺寸范围约几微米,与细胞大小相当。与其他技术相比,微流体系统使研究单细胞具有相当大的系统通量成为可能。允许精确控制施加在单个细胞上的条件,因为微流体装置中的小尺寸通道提供层流特性(低雷诺数),使流体流动可预测和控制。至关重要的是,在如此小的尺度上流体的行为不同于在大通道中观察到的行为,模拟分子的行为并预测它们的轨迹是可能的。