标签: 剪切应力

血流剪切应力，是 血流与血管壁摩擦产生的平行与管壁表面的切线应力 。其大小取决于血液浓度、血流量及血管内径。 内皮细胞（EC）紧密排列在 血管的管壁表面 ，它们时刻受着血流剪切应力的影响，并根据其在血管中不同位置对血流剪切应力作出不同基因表达反应。脉动剪切应力 （PS） 多存在于 层流 中，主要位于 直向血管区域 ，而涡旋扰动或振荡剪切应力 （OS） 则多出现于 血管分支口或弯曲处 。 在动脉分支口或者弯曲处，血流由稳定的层流变为涡流或振荡流，剪切应力明显降低且方向改变。内皮功能障碍的局灶性分布对应于OS存在的区域，而内皮正常稳态则维持在PS存在的区域中，所以动脉粥样硬化多发生于动脉分支口处、动脉弯曲及狭窄处，这些研究已成为血管疾病（如动脉粥样硬化）的研究重点。 血流剪切应力是造成动脉粥样硬化病变非随机灶性分布的主要因素 ，许多研究显示血流剪切应力通过调控内皮细胞的基因表型来影响血管内皮结构与功能，从而影响动脉粥样硬化病变的发展。 有研究发现，在动脉血管分支处或者弯曲处这些好发动脉粥样硬化部位的剪切应力一般为 4dyne/cm^2 ，而不好发动脉粥样硬化部位的剪切应力通常大于 12dyne/cm^2 。 15dyne/cm^2）作用下， 血管内皮细胞排列成梭形且其长轴与血流方向一致 ；当血流剪切应力较低（<4dyne/cm^2）的情况下， 内皮细胞则会呈现排列不规则的多角型，分泌内皮素、炎症介质等因子，使内皮细胞损伤，呈现动脉粥样硬化表型 。 还有许多研究表明，内皮细胞会对局部机械信号（如剪切应力）作出反应，并与源自整个生物体的生理刺激协同作用。血管和亚血管区域协调细胞反应的现象，涉及许多疾病研究，例如肺动脉高压，阿尔茨海默病，血管性痴呆和胰腺癌等。 现代医学、生物学对于血流剪切应力的研究多借助了微流体技术，在器官芯片中模拟血管，通过微流控系统控制液体流速等因素来研究剪切应力对于细胞表达的作用。 下图显示的是通过ExiGo泵和生物芯片组成的微流控系统来模拟血管中的脉动剪切应力： 1、首先，将注射器装入ExiGo泵中。注射器规格可选范围从100微升到5毫升。 2、然后，ExiGo泵可以通过其控制软件SmartFlo软件进行控制。可以在电脑软件上自定义剪切应力和流速模式并自动执行流动过程，还可以实时监测流体情况。 3、接下来，注射器中的样品会通过流量传感器输送，该传感器将检测剪切应力和流速情况，并可根据实验实际需求进行调整。 4、样品之后会通过微流体芯片（器官芯片），在芯片里样品可以在内皮细胞上流动作用。流动模式可选，例如振荡流动模式、匀速流动等。 5、芯片之后需连接一个储液容器，用来收集从微流体芯片流出的废液。 6、当注射器中的样品液排空时，泵会通过连接到培养基容器的歧管器切换阀门并从储液瓶中抽取补充样品溶液。这可以扩展注射器的容量，并可长时间地连续进行实验。

血流剪切应力，是 血流与血管壁摩擦产生的平行与管壁表面的切线应力 。其大小取决于血液浓度、血流量及血管内径。 内皮细胞（EC）紧密排列在 血管的管壁表面 ，它们时刻受着血流剪切应力的影响，并根据其在血管中不同位置对血流剪切应力作出不同基因表达反应。脉动剪切应力 （PS） 多存在于 层流 中，主要位于 直向血管区域 ，而涡旋扰动或振荡剪切应力 （OS） 则多出现于 血管分支口或弯曲处 。 在动脉分支口或者弯曲处，血流由稳定的层流变为涡流或振荡流，剪切应力明显降低且方向改变。内皮功能障碍的局灶性分布对应于OS存在的区域，而内皮正常稳态则维持在PS存在的区域中，所以动脉粥样硬化多发生于动脉分支口处、动脉弯曲及狭窄处，这些研究已成为血管疾病（如动脉粥样硬化）的研究重点。 血流剪切应力是造成动脉粥样硬化病变非随机灶性分布的主要因素 ，许多研究显示血流剪切应力通过调控内皮细胞的基因表型来影响血管内皮结构与功能，从而影响动脉粥样硬化病变的发展。 有研究发现，在动脉血管分支处或者弯曲处这些好发动脉粥样硬化部位的剪切应力一般为 4dyne/cm^2 ，而不好发动脉粥样硬化部位的剪切应力通常大于 12dyne/cm^2 。 15dyne/cm^2）作用下， 血管内皮细胞排列成梭形且其长轴与血流方向一致 ；当血流剪切应力较低（<4dyne/cm^2）的情况下， 内皮细胞则会呈现排列不规则的多角型，分泌内皮素、炎症介质等因子，使内皮细胞损伤，呈现动脉粥样硬化表型 。 还有许多研究表明，内皮细胞会对局部机械信号（如剪切应力）作出反应，并与源自整个生物体的生理刺激协同作用。血管和亚血管区域协调细胞反应的现象，涉及许多疾病研究，例如肺动脉高压，阿尔茨海默病，血管性痴呆和胰腺癌等。 现代医学、生物学对于血流剪切应力的研究多借助了微流体技术，在器官芯片中模拟血管，通过微流控系统控制液体流速等因素来研究剪切应力对于细胞表达的作用。 下图显示的是通过ExiGo泵和生物芯片组成的微流控系统来模拟血管中的脉动剪切应力： 1、首先，将注射器装入ExiGo泵中。注射器规格可选范围从100微升到5毫升。 2、然后，ExiGo泵可以通过其控制软件SmartFlo软件进行控制。可以在电脑软件上自定义剪切应力和流速模式并自动执行流动过程，还可以实时监测流体情况。 3、接下来，注射器中的样品会通过流量传感器输送，该传感器将检测剪切应力和流速情况，并可根据实验实际需求进行调整。 4、样品之后会通过微流体芯片（器官芯片），在芯片里样品可以在内皮细胞上流动作用。流动模式可选，例如振荡流动模式、匀速流动等。 5、芯片之后需连接一个储液容器，用来收集从微流体芯片流出的废液。 6、当注射器中的样品液排空时，泵会通过连接到培养基容器的歧管器切换阀门并从储液瓶中抽取补充样品溶液。这可以扩展注射器的容量，并可长时间地连续进行实验。

一、微流控芯片的基本定义 微流控芯片，又称芯片实验室（Lab-on-chip），是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术。 目前，主流形式的微流控芯片是指把化学和生物等领域中涉及的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米甚至更小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学、生物、材料、光学等不同实验室的各种功能的一种技术。 2017年，中国科技部将微流控芯片定位为一种“ 颠覆性技术 ”，而微流控芯片中的重要分支——器官芯片则被世界经济论坛评为2016年世界“ 十大新兴技术 ”之一。 点成微流控芯片实物示意图 二、微流控芯片的材料与制作 芯片的材质决定了芯片的性能，要制作微流控芯片，芯片材料需遵循以下原则： 良好的生物相容性、良好的电绝缘性和散热性、良好的光学性能、表面具有良好的可修饰性、制作工艺简单且制作成本低 。 目前，微流控芯片制作常用的材料有：单晶硅片、石英、玻璃、有机聚合物（PMMA、PDMS、PC、COP）等，其中以聚合物最为常见。高分子聚合物的制作技术主要包括热压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀法、LIGA法、软刻蚀法等。 三、微流控芯片的流体驱动与检测 在微流控芯片中，流体驱动方式一般可分为两类：机械驱动方式（包括气动微泵、压电微泵、往复式微泵、离心力驱动等）和非机械驱动方式（包括电渗驱动、重力驱动等）。 与传统的检测器相比，微流控芯片对检测器的要求更加严格，这主要体现在灵敏度高、响应速度快和体积小这三个方面。在目前的微流控芯片检测技术中，光学检测法和电化学检测法应用最为广泛。 四、微流控芯片的应用 微流控芯片在现阶段主要应用在以下三个方面： 1）分析诊断 微流控芯片作为一种耗样量低、分析速度快、灵敏度高的分析平台，在即时诊断（POCT）领域具有巨大的应用潜力。微流控芯片在实现POCT产业化的应用主要集中在 以核酸分析为代表的分子诊断 和 以蛋白质分析为代表的免疫诊断 ，也包括一些 以代谢物分析为代表的生化诊断 。另外，由于细胞群体的异质性，液滴微流控芯片也被应用于单细胞分析技术中的以单个细胞为对象的研究。 2）筛选合成 对不同材料作高通量筛选 是微流控液滴芯片的重要应用领域，例如工业酶或分选不同抗生素抗性的细菌等。另外，由于液滴操控灵活，形状可变，大小均一，可被应用于材料领域，特别是高附加值微颗粒材料的合成领域。 3）器官芯片 以微流控技术为基础，和生物学相结合， 以活细胞为背景，用微工程装置形式重组的人体器官 ，可重现人体的生理和力学功能，并通过精确的控制流体流动与机械信号和组织-组织界面相结合，建立动态模型，进而实现比传统静态细胞培养更加仿真的效果。 2010年，哈佛大学Donald Ingber等在《Science》杂志上发表的肺器官芯片是一种具有代表性的器官芯片， 器官芯片是当今对哺乳动物及其微环境进行操控的重要技术平台。 微流控器官芯片有望替代小白鼠等动物模型，用于 验证候选药物、开展药物毒理和药理作用研究，实现个体化治疗 。 肺器官芯片装置 参考文献： 林炳承.器官芯片 .北京:科学出版社,2019. Huh D, Matthews BD, Mammoto A, Montoya-Zavala M, Hsin HY, Ingber DE. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science. 2010 Jun 25;328(5986):1662-8. doi: 10.1126/science.1188302.