1. 什么是剪應(yīng)力？

只要有流體就會存在剪切力。在生物學(xué)和血管系統(tǒng)中，流體作用于細(xì)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(jī)械現(xiàn)象通過機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)過程、調(diào)節(jié)細(xì)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(yīng)有很大影響。那么，究竟什么是剪應(yīng)力？

剪應(yīng)力(?)定義為切向力(F)作用在表面（面積=A）上時施加的機(jī)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(yīng)力的國際單位是帕斯卡(Pa)，但對于心血管系統(tǒng)和生物應(yīng)用，剪應(yīng)力更普遍使用dynes/cm²。1Pa=10dynes/cm²。

2. 剪應(yīng)力對細(xì)胞的影響

另一方面，來自不同組織的上皮細(xì)胞也暴露于剪切應(yīng)力。腎臟中復(fù)雜的腎小管網(wǎng)絡(luò)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(xì)胞都暴露在腎小球濾液的剪應(yīng)力下，其剪應(yīng)力大約為0.1-1dynes/cm²。一些研究表明，腎近端小管上皮細(xì)胞在剪切應(yīng)力存在下導(dǎo)致纖毛的形成。此外，與靜止培養(yǎng)的腎上皮細(xì)胞相比，調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，改善上皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)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(xì)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(xì)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(jìn)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(xì)胞，其值為0.002-0.08 dynes/cm²。應(yīng)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(xì)胞分化，形成3D絨毛狀結(jié)構(gòu)，并增強(qiáng)腸屏障功能，重現(xiàn)正常人類腸道的許多復(fù)雜功能。

很明顯，剪切應(yīng)力在組織和器官的功能中起著關(guān)鍵作用。與以前的體外細(xì)胞培養(yǎng)平臺不同，微流控芯片是一種強(qiáng)大的模擬體外檢測工具，可以原位控制流動和剪切應(yīng)力。因此，該技術(shù)非常適用于藥物篩選和毒理學(xué)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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