用于血栓模型體外研究的時空可控微流控剪切應(yīng)力生成器

人體內(nèi)的血管長期暴露于由于血液流動引起的機(jī)械刺激中。根據(jù)血管的類型和發(fā)育年齡的不同，人體內(nèi)的生理剪切力的范圍為1-70 dyne/cm2。剪切力幾乎參與了所有細(xì)胞生命活動的調(diào)節(jié)，包括細(xì)胞形態(tài)、增殖、分化、遷移等。剪切力的作用對于血管形成過程具有重要影響。同時，在血液病、心血管疾病和癌癥等常見的高發(fā)病率疾病中，均發(fā)現(xiàn)了病理性的剪切力失調(diào)現(xiàn)象。例如，在狹窄95%的動脈中，剪切應(yīng)力可能大于1000 dyne/cm2。同時，高剪切力可誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的機(jī)械損傷，導(dǎo)致血管破裂因此不可逆的損傷。因此，了解剪切力對血管細(xì)胞的作用，可以為心血管相關(guān)疾病的病原學(xué)診斷和治療提供強(qiáng)有力的支撐。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）陳華英教授和金晶副教授聯(lián)合深圳大學(xué)閆昇研究員帶領(lǐng)研究團(tuán)隊研制了一種用于體外血栓模型研究的時空可控剪切應(yīng)力生成微流控芯片。通過流體力學(xué)水力分析及精準(zhǔn)控制微流控芯片五個分支通道內(nèi)的截面大小，可以產(chǎn)生1-926倍的剪切力梯度。同時，可以在不同微流控芯片的微通道內(nèi)產(chǎn)生不同的梯度波形。為了驗證芯片應(yīng)用潛力，利用該芯片模擬人體內(nèi)生理和病理（如血栓）剪切力模型，研究了在該剪切力微環(huán)境條件下，內(nèi)皮細(xì)胞的響應(yīng)。該成果以“A tempo-spatial controllable microfluidic shear-stress generator forin vitro study of the thrombus model”為題發(fā)表在期刊JOURNAL OF NANOBIOTECHNOLOGY上。

圖1（A）為微流控芯片生成剪切力的原理圖。該微流控芯片為三層結(jié)構(gòu)，分別是流體流動層（細(xì)胞培養(yǎng)）、薄膜層和紫外膠層（如圖1（B）所示）。其主要工作原理是，利用壓力泵將紫外膠注射至紫外膠層內(nèi)。根據(jù)進(jìn)樣壓力與膜變形的關(guān)系，精準(zhǔn)控制膜變形大小，模擬不同的血栓情況。在進(jìn)樣的同時，利用紫外燈照射固定膜的變形完成芯片的制作。隨后，將細(xì)胞由流體流動層注入至微流控芯片內(nèi)，經(jīng)過培養(yǎng)后研究剪切力對細(xì)胞的影響。

圖1 用于血栓模型體外研究的時空可控微流控剪切應(yīng)力發(fā)生器

精準(zhǔn)控制薄膜變形是準(zhǔn)確控制剪切力的關(guān)鍵。本研究通過熒光實驗，建立了進(jìn)樣壓力與薄膜變形之間的擬合關(guān)系。同時，通過顯微測量驗證了膜變形的準(zhǔn)確性。另外，利用模擬的方法得到了五個分支通道的膜變形與流阻之間的關(guān)系，為后續(xù)的微流控芯片的水力分析提供數(shù)據(jù)支撐。

圖2 膜變形與流阻精準(zhǔn)控制

通過流體力學(xué)流場分析，我們得到了五個分支通道內(nèi)薄膜變形不同組合產(chǎn)生的流場理論分布。為了研究理論計算的準(zhǔn)確性，本研究分別使用數(shù)值模擬和微尺度流動測速技術(shù)（Micro-PIV）進(jìn)行驗證。結(jié)果表明，理論計算的剪切力梯度與模擬與實驗的結(jié)果具有較高的一致性?？梢岳糜嬎愕慕Y(jié)果設(shè)計膜的變形組合，以得到理想的剪切力梯度。

圖3 微流控芯片內(nèi)的流場分析

利用微流控芯片研究剪切力對細(xì)胞的影響的實驗表明，對于生理剪切力而言，長期暴露（24小時）在低于8.3 dyn/cm2的剪切應(yīng)力水平下對細(xì)胞生長沒有顯著影響。而細(xì)胞暴露在大于或等于8.3 dyn/cm2的剪切應(yīng)力水平下，顯示出顯著的縱橫比和細(xì)胞排列的變化，其規(guī)律滿足正態(tài)分布。

圖4 線性剪切力梯度、生理剪切力對細(xì)胞的影響

對于病理剪切力（血栓）而言，當(dāng)剪切應(yīng)力迅速增加到1000 dyn/cm2時，88.2%的細(xì)胞從基質(zhì)上脫落。因此，對于嚴(yán)重血栓形成的患者在血栓部位面臨極高的血管損傷風(fēng)險，可能導(dǎo)致出血和卒中等及其嚴(yán)重的情況。此外，剪切力升高可激活血小板聚集，可能加重阻塞的嚴(yán)重程度。我們的實驗結(jié)果表明，即使對于輕度堵塞的患者，長期暴露于微高剪切應(yīng)力（24小時，16.7 dyn/cm2）也可以誘導(dǎo)細(xì)胞脫離?？紤]到50%的血管閉塞患者沒有臨床癥狀，密切關(guān)注剪切力帶來的風(fēng)險至關(guān)重要。

圖5 病理剪切力作用下，剪切力對細(xì)胞黏附的影響

綜上所述，本研究開發(fā)的微流控芯片為研究剪切力在生理和病理流動條件下對細(xì)胞的影響提供了一個強(qiáng)大的工具。該芯片為理解動脈粥樣硬化這一重要的心血管疾病的形成機(jī)制提供了寶貴的支撐。通過模擬和研究剪切誘導(dǎo)的細(xì)胞響應(yīng)，研究人員可以深入了解動脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展，從而有助于提高對該疾病的認(rèn)識并為潛在的治療干預(yù)提供支持。

審核編輯：劉清