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平行平板流动腔入口和出口结构对流场影响的数值研究
本研究针对现有平行平板流动腔的结构特点,在相同流量和压差的情况下,分别研究了三种不同人口和出口结构对流动腔内流场的影响.结果 显示,采用对称的入口和出口结构,流动腔内部的压力值可由计算公式得到;流体进入流动腔时,均匀的流场可以减小入口长度;在设计平行平板流动腔时,合理的选择几何尺寸比选择入(出)口结构更重要.研究还发现,为了保证细胞在流动腔内的力学环境尽可能相同,流动腔的高度不宜过小.
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盆腔器官脱垂患者阴道壁成纤维细胞受力后变化特征初步研究
目的 了解阴道壁成纤维细胞在应力情况下,Ⅰ型胶原(Col Ⅰ)、Ⅲ型胶原(Col Ⅲ)、脯氨酰羟化酶(PH4)及基质金属蛋白酶-2(MMP-2)基因表达水平的变化,探讨盆腔器官脱垂(POP)的发病机制.方法 选取2008年11月至2009年3月于北京大学人民医院妇科接受手术治疗的女性POP患者阴道壁组织8例作为研究对象.以组织块法进行阴道壁成纤维细胞的原代培养,传代后进行细胞加载、加力,提取细胞RNA以测定ColⅠ、ColⅢ、PH4及MMP-2基因的表达水平.结果 对于POP患者阴道壁成纤维细胞,不加力状态下,ColⅠ mRNA的表达水平为0.666±0.287,而加力2圈状态下,Col Ⅰ mRNA的表达水平为0.450±0.221,两者比较,差异接近有统计学意义(P=0.058).而对于MMP-2 mRNA的表达水平,不加力状态下为0.431±0.402,加力2圈状态下为0.167±0.099,两者比较,差异有统计学意义(P=0.039).随着加力圈数的增加,其余各目的基因的表达水平均有下降趋势,但无统计学意义(P>0.05).结论 对于严重盆腔器官脱垂患者,在应力作用下,其盆底结缔组织中成纤维细胞的反应性降低.
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胞质分裂的细胞力学实验技术及其柑关理论研究进展
胞质分裂是一个典型的力学过程,涉及细胞皮质力学特性的明显改变,胞质分裂过程中不同刚度或黏弹性区域的形成对细胞形态的改变至关重要.胞质分裂研究在不断深入的过程中,利用不断革新的研究技术,积累了大量数据,要求研究在精细化、定量化的基础上实现模型化,随着相应理论模型的建立和完善,量化蛋白控制胞质分裂的过程将成为可能.本文针对胞质分裂研究中涉及的力学研究技术及主要研究进展加以综述.
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对细胞施加力学作用的实验方法
对细胞施加力学作用的实验方法有很多种,但大多是对体内、体外环境中某一力学因素的模拟.按照所模拟力的来源不同,分为模拟体内力学环境的实验方法和模拟体外力学环境的实验方法两类.模拟体内力学环境的实验方法主要有:流动剪切力法、静水压法、圆周应力法、基底拉伸法;模拟体外力学环境的实验方法主要有:微重力细胞培养法、离心力场法、气体加压法、声波刺激法、微光束辐照法.另外,还有一类用于研究单细胞力学特性的实验方法,主要有微管吸吮法、原子力显微镜悬臂刺激法、磁珠扭转法和光钳法.本文针对这些主要的实验方法进行综述.
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弹性培养膜力学性能的相移影栅云纹法测试
背景:细胞附着在生物硅胶膜上,在机械顶压作用下,细胞会随着培养膜伸张发生形变,从而可以观察其在不同外力作用下的生长规律,但是,培养膜各部分受力情况如何?目的:用光力学实验方法得出培养膜的离面位移,进而求出生物硅胶膜的应变分布.设计、时间及地点:对比观察实验,于2008-03/08在上海应用技术学院机械与自动化工程学院光测力学实验室完成.材料:将美国道康宁公司生产的医用硅橡胶Q7-4750模压成圆形薄膜,直径为100 mm,厚度为150～160 μm,弹性模量2.14 MPa,泊松比为0.48.方法:运用相移影栅云纹法.光源采用点光源:栅板采用5线/mm的玻璃栅板,夹持在平移相移机构上,相移机构每次手动5刻度,栅板移动0.1 mm,以产牛相移图,CCD摄像机被用来进行采集云纹图,并直接输入电脑,利用专用图像处理软件进行位相计算和位相解包裹,后根据相位与位移关系,将相位转换成位移,可得到三维形貌.主要观察指标:离面位移信息.培养膜的变形量(包括位移和应变).结果:利用采集的云纹图,通过相移方法,对4种球冠加载后的培养膜三维形貌利用图像处理重建,得到了培养膜各点的离面高度,对应于1%,10%,20%,25%的应变量,高点分别为2.28.8.32,12.12,13.52 mm,重建培养膜形貌矢径高与已知球缺矢径高误差3.5%,表明该实验方法精度较高;通过离面高度计算了沿径向由张力引起的应变,其结果呈抛物线型.结论:通过将影栅云纹法应用于细胞培养膜的力学性能测试,得到了培养膜的各个部分的位移分布为等高线分布形式,即培养膜中心部位移大,应变沿培养膜对称轴呈抛物线形.
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机械力对人骶韧带成纤维细胞形态及合成功能的调节
目的 探究机械力对非盆底器官脱垂(POP)患者骶韧带成纤维细胞形态及整合素β1(integrinβ1)、踝蛋白( talin)、细胞外基质(ECM)mRNA表达的调节.方法 选取2009年10月至2010年9月河北医科大学二院非POP患者15例,进行骶韧带成纤维细胞的原代培养,并鉴定.取3～4代的骶韧带成纤维细胞加载力,加载时间分为0(对照组)、4、12、24h,提取RNA,荧光实时定量PCR测定机械力对integrinβ1、talin、Ⅰ、Ⅲ型胶原、基质金属蛋白酶-1(MMP-1)mRNA表达量的影响.结果 应力刺激下,细胞的形态和伸展方向发生改变.integrinβ1 mRNA 4、15、24h表达量(18.822±5.545,32.527 ±2.212,40.357 ±5.140)较0h(1.003±0.064)升高,差异有统计学意义(P=0.000).talin mRNA 4、15、24h表达量(109.804±34.875, 106.574±35.477,863.206±144.361)较0h(1.009 ±0.468)升高,差异有统计学意义(P=0.000).Ⅰ型胶原mRNA 4、15h表达量(0.753±0.192,0.701±0.023)较0h(1.000 ±0.129)下降,差异有统计学意义(P =0.008),但在24h后回升至1.113±0.049.Ⅲ型胶原mRNA4、15、24h表达量(4.792±1.612,6.146±1.169,5.021±0.940)较0h(1.001±0.249)升高,差异有统计学意义(P =0.002).MMP-1 mRNA 4、15、24h表达量(6.233±1.690,23.173±9.251,20.133±7.100)较0h(1.000 ±0.100)升高,差异有统计学意义(P =0.005).结论 细胞的形态、伸展方向和合成功能受机械力的调节,基质重塑可能是细胞对机械力的适应性改变.
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细胞受体外机械力作用的若干反响
细胞受力后会有很多反响,作者介绍当前对细胞施加机械力的多种试验方法以及受试后的各种反响.其中内容主要包括激活离子通道、对细胞膜上蛋白分子的作用、对内皮细胞ICAM-1表达的影响、对细胞骨架的作用、对内皮细胞ICAM-1表达的影响、剪切力作用原癌基因c-fos和c-myc的表达等.
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肝癌细胞的粘附力学特性及其与细胞周期的关系
肿瘤细胞的血道转移是一个多环节、多步骤的复杂过程,其中肿瘤细胞与血管内皮细胞的粘附是肿瘤转移的决定性步骤之一,肿瘤的本质实际上是细胞周期紊乱、细胞失控性生长所致的一类疾病.但肝癌细胞与内皮细胞的粘附特性及其与细胞周期的关系,尚未见详细文献报道.本文将细胞力学与细胞生物学有机结合,利用微管吸吮技术从周期的角度定量测量不同细胞周期肝癌细胞与内皮细胞间的粘附力学行为特征,为进一步阐明肝癌的血道转移机理和临床上肝癌的预防和治疗提供定量的参考依据.
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基底加载时波形及应变幅度对细胞生长、增殖与铺展的影响
细胞力学的研究是近几年来生物力学领域中迅速发展起来的一个前沿课题,过去几十年集中于红细胞,近几年研究重点转向白细胞、血小板、成骨细胞、血管内皮细胞、动脉平滑肌细胞、心肌细胞、癌细胞及多种细胞的相互作用.近年来,随着细胞分离技术和培养技术的成熟,实验手段不断更新,理论上也有了新的发展.
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脉动式张应力对大鼠翼外肌细胞形态及增殖活性的初步研究
下颌前伸的功能矫形治疗中,翼外肌受到下颌强制性前伸后产生的矫形力,终导致翼外肌组织的形态学改建.从细胞力学层次模拟研究翼外肌组织的"应力-生长-形态"构建过程是获取正畸临床基础理论的重要方法,而脉动式细胞张应力施加装置是体外研究翼外肌细胞形态改建与增殖活性变化的适合手段之一.
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生物力学:一门活跃的交叉学科
生物力学是解释生命及其活动的力学,是力学与医学、生物学等学科相互结合、相互渗透、融合而形成的一门新兴交叉学科,生物力学与医学和生物学各门类的交叉,形成了生物力学分支学科,如血流动力学、心脏力学、细胞力学、骨软组织力学、口腔生物力学、康复工程中的生物力学、植物力学等.
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高分辨率细胞牵引力频域反演技术
目的 针对经典细胞牵引力反演算法的病态特征,发展基于二维傅立叶空间的高分辨率细胞牵引力反演新技术.方法 根据基底表面位移测量数据和积分核函数在二维傅立叶空间各自的分布特点和规律,探讨牵引力反演过程中出现的反卷积病态现象,构建一套自适应加窗滤波算法来约束反演计算过程中出现的高频噪声放大效应.结果 经典细胞牵引力频域反演算法(Fouriertransform traction cytometry,FTTC)具有明显的反卷积病态特征,特别是在位移采样网格较密情况下,牵引力反演结果极不可靠.利用本文提出的频域滤波方法则能显著削弱位移场高频噪声对于力反演结果的影响.结论 这种细胞牵引力频域反演新方法可有效抑制反问题病态现象的发生,显著提高力场测量的稳定性和空间分辨率.该方法有望在细胞与胞外基质相互作用研究中得到广泛应用.
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关节软骨细胞力学特性研究近况
关节软骨细胞的力学特性是影响关节健康和功能的重要因素.对软骨细胞力学特性的深入研究将有助于了解软骨细胞在正常和病理条件下的调节情况,进一步为软骨损伤的修复提供新的方向.
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子宫骶韧带成纤维细胞受力后超微结构变化特征初步研究
目的:通过电镜观察成纤维细胞受力后超微结构变化,初步了解盆底组织成纤维细胞应力损伤后形态结构的变化特征.方法:选取北京大学人民医院因子宫良性病变行开腹子宫切除术8例患者,术中切取骶韧带0.8～1cm,以组织块法进行成纤维细胞原代培养,传代后进行细胞加载、加力,利用透射电镜分别观察应力后细胞形态变化和超微结构特征.结果:透射电镜观察细胞持续应力2h后,胞膜表面微绒毛和胞浆皱褶增多,至持续应力12h时达多,应力24h时有减少趋势.应力2h后,可见胞质中粗面内质网增生现象,分泌泡增多；应力8h,可见线粒体增生,体积增大；应力12h,粗面内质网明显增生,甚至扩张,个别线粒体外室轻度肿胀,呈圆形、长椭圆形或不规则形；应力24h,粗面内质网增生程度较前好转,但部分出现扩张,融合.结论:应力可使粗面内质网、线粒体增生,甚至扩张,可使细胞微绒毛和胞浆皱褶增多,提示可能与细胞合成和分泌蛋白增加以及代谢增加有关,应力可引起细胞骨架的改变.
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呼吸机相关性肺损伤研究进展
呼吸机的应用挽救了许多危重症患者的生命,但同时机械通气引起的肺损伤(ventilator-induced lung injury ,VILI)可能加重患者的肺脏及多脏器功能损害,影响预后.随着细胞力学和肺生物学损伤研究的发展,人们对VILI的表现形式和发生机制的认识发生了较大变化.
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从细胞力学的角度探讨手法力学刺激所致细胞应力效应
推拿治疗对机体的作用在本质上是力学刺激,但一直缺少微观探讨,给临床、科研带来不便,严重制约推拿学的发展[1].其中手法在细胞层面的研究明显滞后.基于单细胞分析的细胞组学研究给这一难题的解决带来转机[2],同时机械力对细胞生物学行为的影响是目前细胞生物学领域研究的重要课题,将其引入推拿学领域具有重要意义,有助于从细胞力学层面研究手法治病的作用机制.
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体外细胞培养的加力装置及压力测量的研究
目的:在一定力学作用下,机体的器官、组织、细胞和生物大分子会发生相应的形态和功能改变,这对于维持正常生理功能具有重要作用.细胞力学是组织工程和细胞工程的基础之一,在离体培养过程中对细胞施加不同的机械力以研究应力对细胞的影响是细胞力学的一个重要研究领域,也是细胞力学的重要研究手段.本研究是为了模拟在体细胞的力学环境,实现在体外培养的条件下对细胞施加力的作用,设计了一种力加载装置和相应的压力检测模块.方法:力加载装置包括应力加载模块、细胞培养室、步进电机传动模块组成.计算机通过软件驱动步进电机控制活塞在培养室内直线往复运动,实现细胞培养室内压力大小、频率和持续时间的可控变化.应力检测模块可以实时监测培养室内压力大小的变化,并与预期参数对比后通过反馈系统调节各模块的运行,实现压力加载的精准控制.结果:系统压力加载的频率调控范围为0 Hz～l Hz,压力加载范围为-71 kPa～60 kPa.结论:该系统为研究压力对细胞的影响提供了一种简单、可行的方法,实验证明系统压力加载方式准确、可行,能对离体培养的细胞进行有效的压力加载.
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张应力作用下体外细胞培养膜上应力分布的三维有限元分析
在自行研制细胞张应力施加装置的基础上,建立细胞张应力施加装置中生物膜三维有限元模型,模拟施加不同大小的静水压力,采用有限元应力分析的方法计算生物膜(硅胶膜)上的张应力及位移分布及其规律,为相关的细胞力学实验提供理论依据.
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离体培养细胞的力学实验方法
细胞力学是组织工程和细胞工程的基础之一,在细胞离体培养过程中对细胞施加不同的机械力以研究应力对细胞的影响是细胞力学的一个重要研究领域,也是细胞力学的重要研究手段.本文综述了离体培养细胞的力学实验方法,根据不同的载荷施加方式可分为:微吸管吸吮技术、压力载荷法、基底拉伸法和流体剪切法等,并指出了各种方法存在的利与弊.
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机械力对盆腔脏器脱垂阴道壁成纤维细胞的影响
目的:探讨机械拉伸对盆腔脏器脱垂(POP)患者阴道壁成纤维细胞形态和功能的影响.方法:选取因阴道前壁Ⅲ,Ⅳ度脱垂接受手术治疗的12例患者阴道前壁组织,进行成纤维细胞的原代培养并鉴定.通过flexcell-4000柔性基底加载系统对体外培养的3-4代阴道壁成纤维细胞加载、加力,加载时间分为0小时(对照组),4小时、15小时、24小时.提取RNA,采用荧光实时定量PCR测量机械拉伸对Ⅰ型胶原、Ⅲ型胶原、基质金属蛋白酶-1(MMP-1)、金属蛋白酶组织抑制剂-1(TIMP-1) mRNA表达量的影响.结果:①机械拉伸改变了细胞的形态和伸展方向;②机械力改变了POP患者阴道壁成纤维细胞的合成功能.Ⅰ型胶原在加载力后4小时、15小时、24小时的表达量(3.621±0.605,2.885±0.587,8.196±0.853)较对照组(1.000±0.335)明显升高,差异有高度统计学意义(P<0.01).Ⅲ型胶原、MMP-1,TIMP-1在加载力后4小时表达量(0.635±0.095,0.243±0.083,0.413±0.096)较对照组(1.000±0.112,1.000±0.105,1.000±0.154)下降,差异有高度统计学意义(P<0.01);15小时后开始上调,24小时表达量(1.909±0.258,1.401±0.151,1.578±0.246)较对照组明显升高,差异有高度统计学意义(P<0.01).结论:一定范围的机械应力可以改变细胞的形态和伸展方向,并引起Ⅰ型胶原、Ⅲ型胶原、MMP-1,TIMP-1等细胞外基质合成的增加.
关键词： 盆腔脏器脱垂 实时荧光定量聚合酶链式反应 成纤维细胞 细胞外基质 细胞力学
