微流控通道内细胞及其初级纤毛的力传导行为

微流控芯片可以实现细胞的体外培养, 广泛应用于细胞的检测研究中.微流控腔中培养液的动力流动方式从原理上主要分两类: 第一类为被动式,如表面张力和毛细作用, 第二类为主动式,包括压力驱动、离心力驱动、磁流体动力和电渗流驱动等.生物体内的细胞生长、分化、粘附、迁移等活动受到力学微环境的影响,而微流控芯片培养细胞可以模拟实现特定的力学微环境,并完成细胞的生物力学研究.电渗流是一种重要的微流体系统,它可以在不需要机械运动部件的情况下通过微通道输送流体, 当施加轴向电场时,带电表面会影响溶液中离子的运动状态, 从而带动溶液流动.为了研究生物组织的逆向力-电效应,微流控技术可以实现力-电协同驱动培养液流动刺激贴壁细胞的生物力学技术微环境.人工配置的无血清培养液可以简化为理想的牛顿型流体,而生理流体和细胞培养液一般被视为不可压缩的非牛顿型流体Maxwell流, 忽略惯性力后可视为蠕动流. 在之前的工作中,建立含有细胞的牛顿型流体和非牛顿型流体的二维有限元模型被用于研究两种流体模型下线弹性细胞的动态响应.

现有的细胞模型有线弹性、黏弹性、多孔弹性和多孔黏弹性模型等.细胞组织的力学性质主要通过实验的方法探究, 裘钧研究发现细胞存在滞后,蠕变和松弛等黏弹性材料才有的力学行为并测定了标准线性固体黏弹性骨细胞模型的三参数k1黏弹性材料的平衡态模量、k2黏性系数和η黏滞系数, 在此基础上可以进一步推导出松弛时间τ=η/k2和剪切模量G=k1/3. 研究表明, 水在人体体重的比重在一半以上, 从宏观生物器官组织到微观的各类细胞,均可以被视为同时具有固相和液相的多孔弹性材料. 近年来,原子力显微镜通过测量微悬臂梁探针与样品表面之间的相互作用, 提供了评估细胞力学性能的新技术,原子力显微镜实验数据和有限元模拟结合的方法被用于估算了两种细胞的孔隙弹性和黏弹性参数. 最初, 为了简化, 细胞被视为线弹性体而不足以考察细胞的生物力学特性, 随着细胞力学的发展, 建立更精确的多孔黏弹性细胞模型来考察复杂的力学行为是必要的.

初级纤毛是生长在细胞表面的毛发状细胞器, 它可以通过改变长度和抗弯性,以调节其力学敏感性, 适应微观力学环境.初级纤毛已被观察与多种细胞途径的活动相结合,但是作为化学和力学信号的重要感受器还未被充分认识. 在很多情况下,初级纤毛充当调节细胞与细胞通信的信号传导中心,它充当力学传感器并执行高度专业化的感知功能.初级纤毛的力学行为在细胞的体外培养技术和相关疾病中研究发现,软骨祖细胞osteochondroprogenitors独特地感知流体剪切并且参与成骨细胞的分化现象,但去除初级纤毛后这种现象基本消失,这个结果表明初级纤毛充当了具有力学信号传导功能的成骨分化细胞器.在医学上, 初级纤毛与认知障碍、耳蜗听觉丧失、视网膜变性、嗅觉缺失症、颅面畸形、肺癌和呼吸 道异常、骨骼异常等疾病都具有相关性.最近的研究表明骨细胞初级纤毛不仅可以作为感知外部力学刺激的"天线",还可以作为信号转导中各种信号分子的受体和吸收剂.血管内衬内皮细胞上的初级纤毛起着钙依赖性力学传感器的作用,通过感应血流刺激来调节血管系统内的血液动力学参数.内皮初级纤毛的缺陷会导致不适当的血流诱导反应,并导致血管功能障碍如动脉粥样硬化、高血压和动脉瘤.肾初级纤毛在暴露于血流中时发生弯曲, 并在血流停止后发生恢复,类似于材料力学中的悬臂梁,其周期性弯曲可以激活钙离子通道的开关.在发现初级纤毛的力学行为的重要性之后,从理论方面探讨初级纤毛的力学机制也就成为了一项重要工作.初级纤毛最初被简化为圆柱截面悬臂梁,并结合实验中观察到的弯曲情况得到初级纤毛的刚度范围.结合实验观察研究初级纤毛尖端的摆动对其轴突和基底的力学响应,初级纤毛被更细化的建模为微管集合体计算初级纤毛在轴向和半径方向的弹性模量,发现长初级纤毛刚度比短初级纤毛更高.培养腔内的细胞的流-固耦合有限元模型的建立证明了定常流中初级纤毛可以通过调节长度和刚度来改变线弹性细胞的力学敏感性.

至今为止, 对于初级纤毛力学行为的理论研究大多数都是在稳定流场中进行的. 那么,有初级纤毛附着的细胞在振荡流中有怎样的周期性力学行为以及初级纤毛又如何对细胞体造成动态的影响就成为了重要的问题.本文通过有限元建模的方法研究振荡层流中多孔黏弹性细胞的力学响应,得到了初级纤毛在微流控腔内液体流动中的力学行为.具体研究了细胞质渗透率变化对细胞多孔弹性力学行为的影响,以及初级纤毛的几何长度、直径和力学弹性模量特性对自身及其他细胞器细胞质、细胞核的力学信号感受能力的影响.