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對(duì)細(xì)胞施加流動(dòng)剪切刺激的培養(yǎng)方法

來(lái)源:東地(北京)科技有限公司   2023年08月10日 10:37  

研究機(jī)械載荷對(duì)活細(xì)胞的影響提供了有關(guān)細(xì)胞活動(dòng)、活力和細(xì)胞間通訊的重要信息。這些刺激往往對(duì)細(xì)胞遷移、組織重塑和愈合等現(xiàn)象產(chǎn)生重大影響。而微觀尺度的效應(yīng)也會(huì)影響組織結(jié)構(gòu)、其機(jī)械特性和功能。因此需要特殊的方法來(lái)研究細(xì)胞的變形和生理反應(yīng)。此外,在測(cè)試中為保持細(xì)胞存活,還必須要確保適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件。

人體是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng),為了解有機(jī)體的功能及其再生,有必要研究最小的生命單位——細(xì)胞的行為。通過(guò)了解細(xì)胞如何對(duì)復(fù)雜的生物、化學(xué)和物理信號(hào)做出反應(yīng),可以模擬體內(nèi)整個(gè)組織的行為。首先,不同類型細(xì)胞的特性之間存在差異的原因是什么,以及為什么導(dǎo)致了這種機(jī)械性能而不是其他。在生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)該簡(jiǎn)化為細(xì)胞成分(尤其是細(xì)胞骨架和細(xì)胞膜)不同空間和生物力學(xué)組織的結(jié)果。第二是考慮細(xì)胞和群的組織學(xué)。通過(guò)加載組織中的細(xì)胞,它會(huì)影響調(diào)節(jié)所有組織行為的復(fù)雜細(xì)胞間通訊系統(tǒng)。第三個(gè)方面與細(xì)胞的剛度相關(guān),并且對(duì)前兩個(gè)方面至關(guān)重要。研究和建模單個(gè)細(xì)胞對(duì)機(jī)械負(fù)載的響應(yīng),定義其機(jī)械性能是在微觀或宏觀尺度上考慮細(xì)胞性能的基礎(chǔ)。

預(yù)測(cè)細(xì)胞在特定機(jī)械環(huán)境中的行為旨在改進(jìn)加速組織再生、康復(fù)、診斷、種植學(xué)和其他領(lǐng)域的方法。

流動(dòng)剪切應(yīng)力

1.平行板流動(dòng)室(PPFC)

流體剪切應(yīng)力(FSS)被認(rèn)為主要是由于血管環(huán)境,其中血管壁的細(xì)胞處于連續(xù)的流體流動(dòng)環(huán)境中。使用流動(dòng)測(cè)試剪切應(yīng)力的一種方法是PPFC。

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在其中一個(gè)平板上,單層細(xì)胞附著在平板的內(nèi)表面。通過(guò)沿腔室產(chǎn)生壓力梯度,使其經(jīng)受流體或培養(yǎng)基的流動(dòng)。為了產(chǎn)生壓差,重力封頭用于穩(wěn)定流動(dòng),主動(dòng)泵用于穩(wěn)定或非穩(wěn)定流動(dòng)。設(shè)定流動(dòng)參數(shù),用Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程來(lái)計(jì)算施加在板和單元上的剪切應(yīng)力。假設(shè)為牛頓流體流動(dòng),其中剪切張量與應(yīng)變張量成正比,則作用在細(xì)胞上的剪切應(yīng)力可由公式計(jì)算。

假設(shè)流動(dòng)是穩(wěn)定的,也可用于估計(jì)動(dòng)態(tài)流動(dòng)情況下的介質(zhì)和最大剪應(yīng)力。如果觀察到的細(xì)胞距離腔室的側(cè)面足夠遠(yuǎn),可以忽略邊緣效應(yīng),并且距離入口足夠遠(yuǎn),以至于速度與預(yù)測(cè)的一樣,則可以假設(shè)作用在單元上的剪切應(yīng)力是均勻的。


2.錐形-平板系統(tǒng)

通過(guò)旋轉(zhuǎn)錐和平板的方法。流動(dòng)裝置是通過(guò)旋轉(zhuǎn)的圓錐體浸泡在細(xì)胞培養(yǎng)容器的液體中來(lái)工作的。在這種情況下,由于離心力的作用,流體作圓周和徑向運(yùn)動(dòng),假設(shè)轉(zhuǎn)速較低,離心力可以忽略。

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3.軌道振蕩系統(tǒng)

在這種情況下,培養(yǎng)容器是振動(dòng)的。液體流動(dòng)的解析描述會(huì)非常復(fù)雜,但最大剪切應(yīng)力可以由公式得出。

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4.微流體系統(tǒng)

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基于流動(dòng)系統(tǒng)的小型化。微通道的尺寸范圍約幾微米,與細(xì)胞大小相當(dāng)。與其他技術(shù)相比,微流體系統(tǒng)使研究單細(xì)胞具有相當(dāng)大的系統(tǒng)通量成為可能。允許精確控制施加在單個(gè)細(xì)胞上的條件,因?yàn)槲⒘黧w裝置中的小尺寸通道提供層流特性(低雷諾數(shù)),使流體流動(dòng)可預(yù)測(cè)和控制。至關(guān)重要的是,在如此小的尺度上流體的行為不同于在大通道中觀察到的行為,模擬分子的行為并預(yù)測(cè)它們的軌跡是可能的。

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