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0. 摘要剪切力在生物學中起著重要作用。在這篇文章中，我們將探討剪切應力對人體細胞的影響以及在細胞培養(yǎng)中應用的重要性。

1. 什么是剪應力？

在成年人體內(nèi)水分高達60%。水儲存在細胞內(nèi)外，構成細胞內(nèi)液和細胞外液。細胞外液主要可分為組織液和血漿。其他水基細胞外液包括淋巴液、腦脊液、滑液、胸膜液、心包液、腹膜液和眼液等。

只要有流體就會存在剪切力。在生物學和血管系統(tǒng)中，流體作用于細胞表面。例如，血流作為摩擦力作用于血管壁的內(nèi)皮表面，產(chǎn)生剪切力。這種機械現(xiàn)象通過機械轉(zhuǎn)導過程、調(diào)節(jié)細胞形態(tài)、增殖、分化、代謝、通訊和幫助形成屏障，對組織功能和生物反應有很大影響。那么，究竟什么是剪應力？

剪應力(?)定義為切向力(F)作用在表面（面積=A）上時施加的機械力：

?=F/A

對于具有恒定粘度的牛頓流體，剪切力取決于粘度(?)和剪切速率(dv/dz)

?=?(dv/dz)

盡管剪應力的國際單位是帕斯卡(Pa)，但對于心血管系統(tǒng)和生物應用，剪應力更普遍使用dynes/cm²。1Pa=10dynes/cm²。

2. 剪應力對細胞的影響

有許多種類的細胞不斷受到流體剪切力的作用。例如血管和淋巴系統(tǒng)中的內(nèi)皮細胞暴露于循環(huán)血液和淋巴液中。根據(jù)所處的環(huán)境不同，剪切力也可能會發(fā)生變化，在動脈中，其剪切力為30dynes/cm²，而在靜脈血管和毛細血管中，剪切力為1dynes/cm²。據(jù)研究表明，內(nèi)皮剪切力會改變細胞骨架組織、細胞形狀和基因表達，增加細胞內(nèi)鈣濃度，觸發(fā)一氧化氮產(chǎn)生并產(chǎn)生肌動蛋白應力纖維形成的變化，在流動方向上對齊和重塑微絲網(wǎng)絡。

另一方面，來自不同組織的上皮細胞也暴露于剪切應力。腎臟中復雜的腎小管網(wǎng)絡具有過濾功能，每分鐘可過濾120毫升，即每天180升。因此，每個腎單位的上皮細胞都暴露在腎小球濾液的剪應力下，其剪應力大約為0.1-1dynes/cm²。一些研究表明，腎近端小管上皮細胞在剪切應力存在下導致纖毛的形成。此外，與靜止培養(yǎng)的腎上皮細胞相比，調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導，改善上皮細胞結(jié)構，導致細胞體積增加，水通道蛋白、陽離子轉(zhuǎn)運蛋白和離子通道極化更大。

肺泡周圍的血管也不斷受到血流剪切力的影響。然而，在肺泡毛細血管屏障的空氣側(cè)也會產(chǎn)生剪切力。在我們每次呼吸時，氣道內(nèi)襯的上皮細胞都會受到氣流產(chǎn)生的剪切力的影響，在靜止呼吸時為0.5-3dynes/cm²。這些力已被證明可以促進產(chǎn)生氣道上皮屏障功能、粘液產(chǎn)生和纖毛搏動排列。

此外，在人體腸道中，由腸壁蠕動引起的消化液流動會影響消化管內(nèi)壁的腸上皮細胞，其值為0.002-0.08 dynes/cm²。應用微流控芯片，可以發(fā)現(xiàn)流體流動和剪切力可加速腸上皮細胞分化，形成3D絨毛狀結(jié)構，并增強腸屏障功能，重現(xiàn)正常人類腸道的許多復雜功能。

很明顯，剪切應力在組織和器官的功能中起著關鍵作用。與以前的體外細胞培養(yǎng)平臺不同，微流控芯片是一種強大的模擬體外檢測工具，可以原位控制流動和剪切應力。因此，該技術非常適用于藥物篩選和毒理學測試的模擬真實生物環(huán)境的研究。

3. 點成微流控芯片模擬體外仿生環(huán)境

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