用于血栓模型体外研究的时空可控微流控剪切应力生成器

人体内的血管长期暴露于由于血液流动引起的机械刺激中。根据血管的类型和发育年龄的不同，人体内的生理剪切力的范围为1-70 dyne/cm²。剪切力几乎参与了所有细胞生命活动的调节，包括细胞形态、增殖、分化、迁移等。剪切力的作用对于血管形成过程具有重要影响。同时，在血液病、心血管疾病和癌症等常见的高发病率疾病中，均发现了病理性的剪切力失调现象。例如，在狭窄95%的动脉中，剪切应力可能大于1000 dyne/cm²。同时，高剪切力可诱导内皮细胞的机械损伤，导致血管破裂因此不可逆的损伤。因此，了解剪切力对血管细胞的作用，可以为心血管相关疾病的病原学诊断和治疗提供强有力的支撑。

据麦姆斯咨询报道，哈尔滨工业大学（深圳）陈华英教授和金晶副教授联合深圳大学闫昇研究员带领研究团队研制了一种用于体外血栓模型研究的时空可控剪切应力生成微流控芯片。通过流体力学水力分析及精准控制微流控芯片五个分支通道内的截面大小，可以产生1-926倍的剪切力梯度。同时，可以在不同微流控芯片的微通道内产生不同的梯度波形。为了验证芯片应用潜力，利用该芯片模拟人体内生理和病理（如血栓）剪切力模型，研究了在该剪切力微环境条件下，内皮细胞的响应。该成果以“A tempo-spatial controllable microfluidic shear-stress generator forin vitro study of the thrombus model”为题发表在期刊JOURNAL OF NANOBIOTECHNOLOGY上。

图1（A）为微流控芯片生成剪切力的原理图。该微流控芯片为三层结构，分别是流体流动层（细胞培养）、薄膜层和紫外胶层（如图1（B）所示）。其主要工作原理是，利用压力泵将紫外胶注射至紫外胶层内。根据进样压力与膜变形的关系，精准控制膜变形大小，模拟不同的血栓情况。在进样的同时，利用紫外灯照射固定膜的变形完成芯片的制作。随后，将细胞由流体流动层注入至微流控芯片内，经过培养后研究剪切力对细胞的影响。

图1 用于血栓模型体外研究的时空可控微流控剪切应力发生器  

精准控制薄膜变形是准确控制剪切力的关键。本研究通过荧光实验，建立了进样压力与薄膜变形之间的拟合关系。同时，通过显微测量验证了膜变形的准确性。另外，利用模拟的方法得到了五个分支通道的膜变形与流阻之间的关系，为后续的微流控芯片的水力分析提供数据支撑。

图2 膜变形与流阻精准控制  

通过流体力学流场分析，我们得到了五个分支通道内薄膜变形不同组合产生的流场理论分布。为了研究理论计算的准确性，本研究分别使用数值模拟和微尺度流动测速技术（Micro-PIV）进行验证。结果表明，理论计算的剪切力梯度与模拟与实验的结果具有较高的一致性。可以利用计算的结果设计膜的变形组合，以得到理想的剪切力梯度。

图3 微流控芯片内的流场分析  

利用微流控芯片研究剪切力对细胞的影响的实验表明，对于生理剪切力而言，长期暴露（24小时）在低于8.3 dyn/cm²的剪切应力水平下对细胞生长没有显著影响。而细胞暴露在大于或等于8.3 dyn/cm²的剪切应力水平下，显示出显著的纵横比和细胞排列的变化，其规律满足正态分布。

图4 线性剪切力梯度、生理剪切力对细胞的影响  

对于病理剪切力（血栓）而言，当剪切应力迅速增加到1000 dyn/cm²时，88.2%的细胞从基质上脱落。因此，对于严重血栓形成的患者在血栓部位面临极高的血管损伤风险，可能导致出血和卒中等及其严重的情况。此外，剪切力升高可激活血小板聚集，可能加重阻塞的严重程度。我们的实验结果表明，即使对于轻度堵塞的患者，长期暴露于微高剪切应力（24小时，16.7 dyn/cm²）也可以诱导细胞脱离。考虑到50%的血管闭塞患者没有临床症状，密切关注剪切力带来的风险至关重要。

图5 病理剪切力作用下，剪切力对细胞黏附的影响  

综上所述，本研究开发的微流控芯片为研究剪切力在生理和病理流动条件下对细胞的影响提供了一个强大的工具。该芯片为理解动脉粥样硬化这一重要的心血管疾病的形成机制提供了宝贵的支撑。通过模拟和研究剪切诱导的细胞响应，研究人员可以深入了解动脉粥样硬化的发生和发展，从而有助于提高对该疾病的认识并为潜在的治疗干预提供支持。

审核编辑：刘清