摘要

細(xì)胞培養(yǎng)液在微流控生物反應(yīng)器中受到外界物理場(chǎng)（如壓力梯度或者電場(chǎng)）作用流動(dòng)而產(chǎn)生流體剪應(yīng)力,并進(jìn)一步刺激種子細(xì)胞調(diào)控其內(nèi)部基因的表達(dá),從而促進(jìn)細(xì)胞的分化和生長(zhǎng),這個(gè)過程在自然生命組織內(nèi)的微管中亦是如此。考慮到細(xì)胞培養(yǎng)微腔隙中液體流動(dòng)行為很難實(shí)驗(yàn)量化測(cè)定,理論建模分析是目前可行的研究手段。因此建立了矩形截面的細(xì)胞微流控培養(yǎng)腔理論模型,將外部的物理驅(qū)動(dòng)場(chǎng)（壓力梯度與電場(chǎng)）與培養(yǎng)腔內(nèi)液體的流速、切應(yīng)力和流率聯(lián)系起來,分別得到了壓力梯度驅(qū)動(dòng)（Pressure gradient driven,PGD）、電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)（Electric field driven,EFD）及力-電協(xié)同驅(qū)動(dòng)（Pressure-electricity synergic driven,P-ESD）三種驅(qū)動(dòng)方式下的液體流動(dòng)理論模型。結(jié)果表明該理論模型與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,具體地：力-電協(xié)同作用下的解答為壓力梯度驅(qū)動(dòng)和電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)結(jié)果的疊加。細(xì)胞培養(yǎng)腔內(nèi)的流體流速、剪應(yīng)力及流率幅值均正比于外部物理場(chǎng)強(qiáng)幅值,但隨著壓力梯度驅(qū)動(dòng)載荷頻率的增大而減小,隨著電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)頻率的變化不明顯。在壓力梯度驅(qū)動(dòng)作用下,細(xì)胞貼壁處的切應(yīng)力隨著腔高的增大而線性增大,流率則隨著腔高的增大而非線性增大,而電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的結(jié)果不受腔高的影響。生理范圍內(nèi)的溫度場(chǎng)變化對(duì)壓力和電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的結(jié)果影響不大。另外,在引起細(xì)胞響應(yīng)的流體切應(yīng)力水平,電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)能提供較大的切應(yīng)力幅值而壓力梯度驅(qū)動(dòng)則能提供較大的流率幅值。該理論模型的建立為細(xì)胞微流控生物反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供理論參考,同時(shí)也為力-電刺激細(xì)胞生長(zhǎng)、分化機(jī)理的研究的提供基礎(chǔ)。

引言

在臨床治療中,植入自體細(xì)胞（考慮到組織的相容性）進(jìn)行組織修復(fù)和重建常被認(rèn)為是最佳的治療方法。考慮到自身組織移植會(huì)造成二次創(chuàng)傷,獲取大量自體細(xì)胞最直接的途徑就是進(jìn)行細(xì)胞的體外培養(yǎng)。一些研究發(fā)現(xiàn)適宜的物理微環(huán)境是細(xì)胞生長(zhǎng)不可或缺的因素,在體外培養(yǎng)時(shí)生物灌流反應(yīng)器（如圖1）可以方便地模擬體內(nèi)多種物理微環(huán)境。許多實(shí)驗(yàn)室引入了不同的生物反應(yīng)器進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng),并證明了液流有利于組織的構(gòu)建。相比靜態(tài)培養(yǎng),微流控培養(yǎng)腔中的細(xì)胞在移植后會(huì)對(duì)體內(nèi)的微流動(dòng)環(huán)境具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。人體的一些組織結(jié)構(gòu)（例如骨）在受到外力時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形,進(jìn)而在組織內(nèi)微液流環(huán)境中形成孔隙壓力和流動(dòng)電位,這些力、電信號(hào)微環(huán)境進(jìn)一步調(diào)控當(dāng)?shù)亟M織細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化,最終使組織（重/塑建）適應(yīng)外部載荷環(huán)境。在體外細(xì)胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器上也可施加壓力和電場(chǎng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)來模擬體內(nèi)細(xì)胞所處的力-電微環(huán)境。很多學(xué)者的工作也已經(jīng)證明壓力和電場(chǎng)的干預(yù)可以調(diào)控細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化,雖然明確的作用機(jī)理（通路）還不是很清楚,但已明確的事實(shí)是壓力梯度和電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)產(chǎn)生的流體切應(yīng)力對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化起到了至關(guān)重要的作用。

細(xì)胞可以感受不同大小的切應(yīng)力并能做出相應(yīng)的響應(yīng),能較好的將這些細(xì)胞能感受的力電信號(hào)和宏觀的外載荷聯(lián)系起來,微流動(dòng)場(chǎng)被認(rèn)為是信號(hào)傳導(dǎo)的最佳媒介。Chang等得到了牛頓型液體在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的流速分布,Ganguly等考慮了電和磁對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)流傳熱特性的影響,Movahed等對(duì)比了壓力和電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)小型設(shè)備中液流的優(yōu)劣。這些研究背景均基于微流控技術(shù),以討論外力和流速的關(guān)系為主,微流控技術(shù)以其用料少、操作性強(qiáng)和便于觀察分析等優(yōu)點(diǎn),近年來受到眾多領(lǐng)域?qū)W者的青睞。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,Pappas在對(duì)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和擴(kuò)散進(jìn)行分析時(shí),利用微流控技術(shù)建立可控規(guī)模的反應(yīng)區(qū)評(píng)估癌細(xì)胞和器官的相互作用。Uzel等在微流控芯片上設(shè)定不同的生化梯度,用于模擬體內(nèi)細(xì)胞所處的化學(xué)微環(huán)境。Sun則將微流控芯片應(yīng)用到細(xì)胞的篩選工作,并通過電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)微閥控制。這些研究均以實(shí)驗(yàn)和有限元建模為主要手段,并未建立系統(tǒng)的理論模型進(jìn)行具體量化分析,并探明如下調(diào)控機(jī)制：外部物理驅(qū)動(dòng)場(chǎng)→微流體流動(dòng)行為（流體切應(yīng)力等）→細(xì)胞的生長(zhǎng)/分化。

在細(xì)胞動(dòng)態(tài)流動(dòng)培養(yǎng)腔中,細(xì)胞多用粘附分子（整合素）將自身吸附在培養(yǎng)腔壁上（避免被液流帶走）,這樣使得液流對(duì)細(xì)胞的力學(xué)刺激作用集中在腔壁附近。Becquart等研究發(fā)現(xiàn),處于液體環(huán)境中的細(xì)胞能感知靜水壓力及流體剪切力的刺激信號(hào),并且發(fā)現(xiàn)流體剪切力比靜水壓力對(duì)引起相關(guān)基因表達(dá)的誘導(dǎo)作用更大。Stavenschi等在實(shí)驗(yàn)中利用壓力驅(qū)動(dòng)對(duì)比了不同大小和頻率的切應(yīng)力下細(xì)胞的基因表達(dá)效果,實(shí)驗(yàn)表明2Pa、2Hz的切應(yīng)力刺激最有利于成骨基因的表達(dá)。Zhang等也通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了人類間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）基因的表達(dá)和流體切應(yīng)力有極大的關(guān)系,這個(gè)信號(hào)傳導(dǎo)過程也受到供體變異性的影響。此外,Zheng等同樣通過實(shí)驗(yàn)探究出壓力驅(qū)動(dòng)作用下的切應(yīng)力大小影響細(xì)胞對(duì)刺激的反應(yīng)時(shí)間,并發(fā)現(xiàn)切應(yīng)力較大時(shí)有利于縮短該反應(yīng)時(shí)間。液體壓力梯度驅(qū)動(dòng)流對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)的影響的研究大多停留在實(shí)驗(yàn)層面,理論方面鮮有報(bào)道。當(dāng)使用壓力梯度驅(qū)動(dòng)液體在較長(zhǎng)的細(xì)胞培養(yǎng)腔流動(dòng)時(shí),力信號(hào)的傳遞從施力點(diǎn)（管口）到管段中央具有延遲性。Glawdel將電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)引入到細(xì)胞的體外培養(yǎng),因?yàn)殡妶?chǎng)力屬于體力,這樣就可以避免上述壓力梯度驅(qū)動(dòng)力信號(hào)沿著腔體長(zhǎng)度方向的耗散延遲,從而保證腔內(nèi)各個(gè)位置細(xì)胞附近的流體切應(yīng)力信號(hào)均勻。同細(xì)胞培養(yǎng)腔中的壓力驅(qū)動(dòng)技術(shù)類似,電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)或力-電協(xié)同驅(qū)動(dòng)研究大都以實(shí)驗(yàn)為主,例如王淞等通過實(shí)驗(yàn)觀察得出電場(chǎng)對(duì)表皮干細(xì)胞的增殖有影響,內(nèi)源性生物電場(chǎng)具有引導(dǎo)其向陰極定向遷移的作用,Kumar等在壓力驅(qū)動(dòng)流中添加電場(chǎng)作用后細(xì)胞的成骨響應(yīng)明顯增強(qiáng),而相關(guān)的力-電協(xié)同驅(qū)動(dòng)下的細(xì)胞培養(yǎng)腔理論研究較少。

考慮到人體內(nèi)復(fù)雜的生理載荷環(huán)境,壓力和電場(chǎng)在組織內(nèi)并存。因此,在體外進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)應(yīng)根據(jù)細(xì)胞的實(shí)際需要組合施加相應(yīng)的物理場(chǎng)（壓力梯度或電場(chǎng)）,使其所處的環(huán)境更接近于生理物理環(huán)境。以上研究均沒有得到具體的外部物理驅(qū)動(dòng)場(chǎng)與相應(yīng)培養(yǎng)腔內(nèi)液體流動(dòng)行為的量化關(guān)系,而這是進(jìn)一步研究流體刺激特別是力-電協(xié)同刺激細(xì)胞生長(zhǎng)或分化機(jī)理的前提。為此,本文將分別建立壓力梯度、電場(chǎng)和力-電協(xié)同三種驅(qū)動(dòng)模式下的矩形細(xì)胞培養(yǎng)流動(dòng)腔（平行板培養(yǎng)皿）理論模型,求解得到相應(yīng)的流速、切應(yīng)力和流率的解析解,揭示出培養(yǎng)腔中的液體流動(dòng)規(guī)律,并將這些解答和實(shí)際的細(xì)胞培養(yǎng)等生理意義聯(lián)系起來。該模型的建立有助于細(xì)胞微流控培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及細(xì)胞力學(xué)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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