精准模拟动脉内皮血流动力学特性的微流控系统以及基于机械循环支持设备的验证

目的微流控技术在模拟体内血流动力学微环境方面具有重要价值,但现有系统尚无法精准重现动脉内皮细胞所受血压、剪应力、周向应变及三者之间的耦合关系,同时也忽视了培养腔中细胞所受力学刺激的均匀性,导致细胞响应结果存在问题。方法本研究设计了一种由微流控芯片和后负荷元件构成的体外内皮细胞培养系统(ECCM),可精准模拟血压、剪应力、周向应变及其耦合关系,并通过在芯片内选定应力应变分布相对均匀的实验区域提升细胞研究的可靠性。随后,采用数值仿真和流体实验验证ECCM重现在体血流动力学信号的能力,并通过模拟心衰及机械循环支持装置(人工心脏、反搏设备)作用下的血流动力学信号,观察实验区域内细胞中一氧化氮(NO)和活性氧(ROS)的响应,来评估ECCM的力学生物学性能。结果仿真和实验结果表明,ECCM能够精准重现期望的血流动力学信号。此外,与心衰条件相比,机械循环支持装置显著提高了内皮细胞中NO的表达并有效抑制了ROS的过度产生,从而验证了ECCM在细胞力学生物学研究中的有效性。结论本研究为重现在体血流动力学特性提供了可靠的工具,并在细胞力学生物学研究中展现了巨大潜力,有望成为循环系统疾病研究、药物筛选及病理模型构建等领域的重要工具。