弯管内的流体应力分析与计算

对弯管内粘性流体的应力进行了分析研究,得出了影响弯管内粘性流体应力的因素.弯管内流体应力不仅与流体性质有关,还与管内流体的速度和弯管的弯曲半径有关,该结论为弯管的应力分析和安全使用提供了理论依据.

周期性流体应力刺激对组织工程软骨分化影响的实验研究

目的研究周期性流体应力刺激对组织工程软骨体外分化的影响,确立良好的动态培养方案.方法穿刺吸取成年兔骨髓,密度梯度离心法分离扩增骨髓间充质干细胞(Bone marrow derived mesenchymal stem cell,MSC).以2.0×107/ml密度复合于纤维蛋白胶,制成圆柱形人工组织.实验组材料经受周期为0.2 Hz流体应力刺激,于转壁生物反应器中培养2周,对照组静止培养,两组均于条件培养基内诱导软骨组织形成.2周后观察大体形态、和组织学形态、Ⅰ型和Ⅱ型胶原免疫组织化学表达,测量细胞活力和胶原、蛋白多糖含量等生化指标.结果应力刺激组材料的大体形态完整,而对照组材料破碎回缩.实验和对照组均可以诱发材料中MSC分化成为软骨细胞,但流体刺激组表达更高水平的II型胶原和蛋白多糖,细胞活力明显高于对照静止培养组(P＜0.01).结论周期性流体应力刺激明显促进MSC体外软骨分化,转壁生物反应器培养优于单纯静止培养.

Caveolin-1介导流体剪切应力调控MC3T3-E1成骨细胞增殖和凋亡

背景:流体剪切应力在成骨细胞增殖和凋亡中起着重要作用。然而,Caveolin-1(Cav-1)是否参与成骨细胞中流体剪切应力诱导的增殖与凋亡过程尚不清楚。目的:探讨Cav-1在流体剪切应力调控成骨细胞增殖和凋亡中的作用。方法:选择生长状态良好的MC3T3-E1成骨细胞,加载不同时间(0,30,60,90 min)且强度为1.2 Pa的流体剪切应力,观察Cav-1蛋白的表达,筛选出时间为60 min的条件进行实验。将MC3T3-E1细胞分为:对照组、流体剪切应力组、流体剪切应力+pcDNA 3.1组(对照)、流体剪切应力+pcDNA Cav-1组(过表达质粒),分别采用流体剪切应力和过表达Cav-1等方式干预,通过q RT-PCR和Western blot检测MC3T3-E1细胞内增殖以及凋亡相关分子的表达量;通过CCK-8与Ed U实验检测MC3T3-E1细胞增殖活性;采用Hoechst 33258染色以及流式细胞术检测MC3T3-E1细胞凋亡情况。结果与结论:加载流体剪切应力后MC3T3-E1细胞中Cav-1的表达显著下调,且加载60 min表达水平最低。过表达Cav-1减弱了流体剪切应力促进MC3T3-E1细胞增殖及抑制细胞凋亡的效应。说明Cav-1在流体剪切应力调节成骨细胞增殖和凋亡过程中具有重要的作用,并可能为骨质疏松症提供潜在治疗策略。

流体剪应力对人脐静脉内皮细胞葡萄糖调节蛋白78和C/EBP同源蛋白表达的影响

目的探索流体剪应力对人脐静脉内皮细胞(HUVECs)葡萄糖调节蛋白78(GRP78)和C/EBP同源蛋白(CHOP)表达的影响。方法以HUVECs作为实验细胞,设计并构建流体动力学模拟实验系统,控制流体动力学模拟实验系统中灌流液的流速,以实现对实验细胞施加不同的流体剪应力。按实验细胞在实验系统中所承受的不同流体剪应力,将实验细胞分为低剪应力组(A组;0.4 Pa)、中剪应力组(B组;0.8 Pa)和高剪应力组(C组;1.2 Pa)。每组HUVECs包含3个细胞玻片,每个玻片经实验系统灌流液反复循环流经12 h。采用蛋白质印迹法对各组细胞中GRP78和CHOP蛋白水平进行检测,采用实时荧光定量逆转录聚合酶链反应技术测定各组细胞GRP78和CHOP蛋白及其信使RNA(mRNA)相对水平。应用GraphPad Prism 8.0软件对数据进行统计学分析。结果(1)A、B、C组HUVECs中GRP78蛋白相对表达水平分别为1.33±0.46、0.93±0.34、0.64±0.30;多组间比较差异有统计学意义(F=36.17,P<0.05)。A组GRP78蛋白相对表达水平高于B组、C组(均P<0.01),B组GRP78蛋白相对表达水平高于C组(P=0.0013)。3组HUVECs中CHOP蛋白相对表达水平分别为:A组1.29±0.38,B组0.90±0.34,C组0.59±0.29;多组间比较差异有统计学意义(F=41.27,P<0.05)。A组CHOP蛋白相对表达水平高于B组、C组(均P<0.01),B组CHOP蛋白相对表达水平高于C组(P=0.0004)。(2)A、B、C组HUVECs中GRP78 mRNA相对表达水平分别为18.3±3.4、11.3±1.8、5.4±2.2;多组间比较差异有统计学意义(F=189.20,P<0.05)。A组GRP78 mRNA相对表达水平高于B组、C组(均P<0.01),B组GRP78 mRNA相对表达水平高于C组(P<0.01)。3组HUVECs中CHOP mRNA相对表达水平分别为:A组20.4±3.8,B组14.2±2.1,C组7.8±1.3;多组间比较差异有统计学意义(F=171.80,P<0.05)。A组CHOP mRNA相对表达水平高于B组、C组(均P<0.01),B组CHOP mRNA相对表达水平高于C组(P<0.01)。结论低流体剪应力可能增加HUVECs中GRP78、CHOP的蛋白及其mRNA表达水平。

梯度流体剪应力下细胞膜张力的数值模拟

目的分析梯度流体剪应力(fluid shear stress,FSS)流场中细胞膜张力分布。方法构建梯度平板流动腔模型,采用流固耦合数值模拟方法,研究不同FSS梯度和幅值、不同静水压下细胞膜的膜张力分布。结果当流动腔入口流量增大时,FSS流场梯度呈正比例增大。梯度FSS流场下,细胞膜张力由贴壁侧向顶部呈先减小后增大的趋势。在正常人体血压下,静水压越大,细胞膜张力越大。当FSS幅值一定时,增加FSS梯度,细胞高、低FSS区域平均膜张力差值增大;当FSS梯度一定时,增加FSS幅值,细胞高、低FSS区域平均膜张力差值增大。结论梯度FSS流场会引起细胞膜张力的局部差异,其可能是破骨前体细胞在梯度流场中定向迁移的重要原因。

梯度流体剪应力下破骨前体细胞迁移与胞内钙分布的关联性

目的阐明局部梯度流体剪应力(fluid shear stress,FSS)是否会造成胞内Ca^(2+)浓度梯度的特异性分布,并最终决定细胞的迁移方向。方法利用COMSOL软件对流动腔内FSS分布进行数值模拟。建立FSS作用下破骨前体细胞RAW264.7胞内Ca^(2+)染色方法,并对细胞施加梯度FSS,定量分析胞内Ca^(2+)浓度分布和动态变化以及细胞迁移参数。结果破骨前体细胞更倾向于向低FSS区域迁移,且振荡流会调节细胞内Ca^(2+)沿细胞迁移方向分布,当阻断力敏感阳离子选择性通道、磷脂酶C、内质网钙信号通路和清除细胞外钙后,细胞向低FSS方向的迁移速度显著降低,但是沿液体流动方向的迁移速度显著增强。同时,细胞沿液体流动方向的Ca^(2+)分布显著升高。结论梯度FSS作用下,破骨前体细胞可以感受到这种梯度效应,且胞内Ca^(2+)沿迁移方向的特异性分布,最终导致破骨前体细胞向低FSS区域迁移。研究结果为最终阐明动态外力作用下骨组织重建的细胞和分子机制提供了较为重要的基础数据。

微通道内屈服应力型流体的流变特性及多相流研究进展

屈服应力型流体(YSFs)是一种典型的非牛顿流体,因其丰富的流变特性被广泛关注。屈服应力是高浓度的粒子分散系统和凝胶状物质(多相乳液、微胶囊、3D打印复杂结构、药物输送凝胶等)的基本特征。本文对微通道内简单屈服应力型流体的流动特征和流变行为,及其流变性对多相流系统的影响进行了综述,剖析了受限空间内流体流动与流体流变性,及多相流动力学和界面现象的耦合机制,并对亟需推进的研究方向进行了展望。为微通道内屈服应力型流体的数值模拟、实验研究和应用提供参考。

从“瘀热”理论探讨流体剪切应力与动脉粥样硬化的关系

文章总结流体剪切应力在动脉粥样硬化中的作用机制,探讨“瘀热”理论与流体剪切应力在动脉粥样硬化方面的关系。“瘀热”之胶结在心血管疾病尤其是动脉粥样硬化辨治中具有其重要价值。血液流变学在动脉粥样硬化发生、发展及斑块破裂引发急性心血管事件中扮演了重要的角色,而流体剪切应力与中医“瘀热”的理论不谋而合。动脉粥样硬化致病特点及临床表现可以将其归于中医“脉痹”范畴。动脉粥样硬化斑块、血脂及血液黏度的增加是污秽的、非生理性之血,即是“瘀”,外感风、寒、暑、湿、燥、火之邪入里化热,或素体阴虚火热等临床表现为热证者,即是“热”“瘀”与“热”互相焦灼形成病理产物积聚血液、壅塞血脉即为“脉痹”。流体剪切应力相当于无形之“气”,气行则血行,气虚则血瘀,气逆则破血妄行,运用“瘀热”理论是研究流体剪切应力作用于动脉粥样硬化的中医理论基础。

机械应力影响细胞焦亡的机制研究进展

细胞焦亡是一种由炎性小体传感器激活引起的细胞死亡,最终导致细胞膜的完整性丧失。细胞焦亡导致其胞内容物泄漏至胞外空间诱导趋化和炎症,因此在炎症和疾病的发生发展中具有重要作用。细胞长期处在复杂的机械环境中,机械刺激可来源于微环境,也可来自外力。适宜的机械应力有助于细胞正常生理活动的进行,但过度的机械应力会激活应激信号通路,如死亡通路,从而引起细胞组织损伤和炎症反应,因此本文就细胞焦亡的分子机制及机械应力影响细胞焦亡的具体机制进行文献回顾及综述,旨在为研究焦亡相关疾病提供依据。

流体剪应力对成骨细胞的作用研究

研究了生理范围内不同大小的流体剪切力对成骨细胞增殖分化和功能的影响,从细胞水平验证流体剪切力在骨组织力学适应性中发挥的重要作用。运用流室系统提供精确可控的流体剪切力,对原代培养的大鼠颅骨成骨细胞施以5、10、20、30mN/cm2的剪切力刺激,分别在加载后的3、6、9、12、24、36h采集样品,检测细胞周期分布,碱性磷酸酶活性,胞外钙质分泌的变化。5mN/cm2和10mN/cm2的剪应力促进细胞增殖,进一步增大会有抑制作用,而5、10和20mN/cm2的剪应力对ALP活性和胞外钙分泌均有促进作用,并且与静态培养相比ALP活性高峰期提前,30mN/cm2表现出抑制效应。结果显示成骨细胞的增殖、分化、矿化均能受到剪应力的调节,这种调节表现出对剪应力大小的依赖性。

流体切应力作用时间对内皮细胞IL-8基因表达的影响

内皮细胞对力学环境变化敏感 ,流体切应力可以直接调节内皮细胞基因的表达。为阐明内皮细胞白细胞介素 - 8(IL- 8)基因的表达除受化学因子的调节外还受力学因素的影响 ,本文用流体切应力 (2 .2 3、4.2 0、6 .0 8dyne/ cm2 )处理培养的人脐静脉内皮细胞 ,然后采用定量 RT- PCR的方法检测内皮细胞 IL- 8基因的表达情况。结果显示 :未用切应力处理的内皮细胞没有 IL- 8基因的表达 ;切应力处理内皮细胞后 ,1h IL- 8m RNA表达增加 ,2 hIL- 8m RNA表达量至最高值 ,3h IL- 8m RNA表达量开始下降 ,4h后 IL- 8m RNA持续低表达 ;各实验组 (2 .2 3、4.2 0、6 .0 8dyne/ cm2 )均表现出相同的 IL- 8m RNA随时间的变化规律。提示流体切应力确可诱导内皮细胞表达IL- 8,而且 IL- 8的表达量与切应力作用时间有关 ,呈双相性变化。流体切应力诱导内皮细胞表达 IL- 8,可能在急性炎症和动脉粥样硬化的发生、发展过程中具有重要作用。

流体剪应力对大鼠破骨细胞骨吸收活性的影响

探讨流体剪应力对大鼠破骨细胞骨吸收活性的影响。我们采用低温离心法获取6月龄健康雌性SD大鼠椎骨骨髓细胞,以1.6×106细胞密度种植于血盖片上,采用1,25-(OH)2维生素D3体外诱导获取破骨细胞。于破骨细胞诱导的第7d取出细胞爬片,置于流体剪应力装置中,分别加载5.97、11.36、16.08、20.54dyne/cm2大小的流体剪应力,持续30min,以未加载流体剪应力的破骨细胞为对照组。实验结束时,以2.5%戊二醛固定细胞爬片,置于0.25mol/L氢氧化铵液超声处理10min,清除细胞爬片上的破骨细胞,经1%硪酸固定,梯度酒精脱水,醋酸异戊酯置换酒精,CO2临界点干燥,喷金后扫描电镜观察骨吸收陷窝并计数,图像分析法测定骨吸收陷窝的面积;同时分别收集每次灌流液10ml,冻干,用1ml复溶后,紫外分光光度仪检测抗酒石酸酸性磷酸酶(Tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)活性的变化。结果显示:在本实验中所选用的流体剪应力可增强破骨细胞TRAP活性,而骨吸收陷窝的数量和面积也增加,尤其是剪应力在16.08dyne/cm2时,破骨细胞TRAP活性增强以及骨吸收陷窝的数量和面积增高最为明显。结果表明,一定范围内的流体剪应力可以增强破骨细胞的骨吸收活性。

流体剪应力对成骨细胞OPG和ODF表达的影响

通过平板流动腔装置对大鼠成骨细胞施以流体剪应力,研究剪应力作用对成骨细胞中骨保护因子(osteoprotegerin,OPG),破骨细胞分化因子(osteoclast differentiation factor,ODF)基因表达的影响.分别考察了剪应力大小和作用时间,以及单一水平和梯度变化的剪切力加载方式的影响.运用RT-PCR和蛋白质印迹技术检测OPG、ODFmRNA和蛋白质表达的变化,结果显示,剪切力作用下OPG的表达得到促进,ODF的表达受到抑制,mRNA与蛋白质表达的变化一致,这种影响与剪切力的大小和作用时间有关.1.0和1.5N/m2的剪应力作用效果比0.5N/m2明显,梯度变化的作用方式在作用效果上与最后一个梯度水平相当的恒定剪应力单独作用没有显著差异,在加载的24h内剪应力对OPG、ODF表达的影响始终存在.这种影响使得OPG/ODF的平衡向着OPG占优的方向发展,这种变化意味着骨吸收会受到抑制,提示力学刺激可能通过OPG/ODF调控系统对骨代谢平衡进行调控.

可用于体外培养破骨细胞的流体剪应力系统

基于传统的平行平板流室理论和方法,设计制作一套可用于破骨细胞等细胞经受流体剪应力作用的实验系统。用金属夹具和医用硅橡胶密封圈封闭流室,同时不影响流室高度的准确性。调整载玻片与上储液池液面到同一水平面,降低了液体静压力对细胞的影响。此系统可用于研究破骨细胞等细胞在形态学、生理生化等方面对剪应力的反应。

流体切应力强度对内皮细胞IL-8基因表达的影响

内皮细胞位于血流与血管壁之间 ,内皮细胞调控的机械力相关反应已成为正常血管反应的一部分。切应力在调节内皮细胞功能上具有重要作用。流体切应力可以直接调节内皮细胞基因的表达 ,其中包括诱导内皮细胞表达 IL- 8,而且 IL- 8的表达量与切应力作用时间有关。为阐明内皮细胞 IL- 8基因的表达除了与切应力的作用时间有关外还与切应力的强度有关 ,我们用不同强度的流体切应力 (2 .2 3、4 .2 0、6 .0 8、8.19、9.6 7、12 .15、14 .4 0、16 .87、19.2 9dyne/ cm2 )处理培养的人脐静脉内皮细胞 ,然后采用定量 RT- PCR的方法检测内皮细胞 IL- 8基因的表达情况。结果显示 :未用切应力处理的内皮细胞没有 IL- 8基因的表达 ;切应力处理内皮细胞后 ,低切应力 (2 .2 3dyne/ cm2 )时 IL - 8m RNA表达量明显增加为高切应力 (19.2 9dyne/ cm2 )时 IL - 8m RNA表达量的约 6 8(作用 1h)或 5 2倍 (作用 2 h)。 IL- 8m RNA的表达量与内皮细胞所施加的切应力强度呈反变关系 ;直线回归方程 :1h时为 y=7.5 7- 0 .11x,相关系数 r=0 .97;2 h时为 y=7.92 - 0 .10 x,相关系数 r=0 .96。式中 :y为切应力作用下内皮细胞 IL- 8m RNA的表达量 (拷贝数的对数值 ) ;x为施加于内皮细胞的切应力强度 (dyne/ cm2 )。

流体切应力下SIVA-1凋亡诱导因子促成骨细胞增殖分化的双向调节作用

目的探讨流体切应力(fluid shear stress,FSS)对KM小鼠成骨细胞增殖分化及相关细胞凋亡诱导因子(SIVA-1)的调节作用。方法将传至3代成骨细胞分为应力刺激组(试验组)和非应力刺激组(对照组)。5个试验组分别给予1.2PaFSS作用0.25,0.5,1,2,4h;对照组为0h。MTT法测定细胞增殖,检测碱性磷酸酶(ALP)活性,半定量RT-PCR测定凋亡诱导因子SIVA-1的表达水平。结果FSS促增殖作用在短期(0.25,0.5h)明显,且细胞生长曲线前移;但在1,2,4h却有明显抑制增殖作用。FSS同样增加了ALP活性,尤其在应力作用0.5h时显著(ALP含量为2.4320±0.205金氏单位/100ml,相对对照达158%)(P<0.05);而应力作用1,2,4h后减低了ALP的表达。应力初期SIVA-1mRNA表达量明显下降,尤其在FSS作用0.5h后SIVA-1/GAPDH相对表达量为0.099±0.002,相对对照明显下调了71.3%(P<0.01),此效应在作用1h后减退,SIVA-1mRNA表达开始升高,4h后升高明显。结论1.2PaFSS在短时间刺激下可刺激成骨细胞增殖分化,尤其在0.5h后效应明显。早期促细胞增殖和ALP水平升高主要与SIVA-1mRNA表达下调有关,而后期抑制作用可能与SIVA-1mRNA表达升高有关。

流体剪应力作用于间充质干细胞对其诱导内皮分化后抗氧化能力的影响

探讨流体剪应力对间充质干细胞(MSCs)诱导的内皮细胞抗氧化能力的影响。体外培养大鼠骨髓MSCs,于流室中加载不同强度的流体剪应力,加载后向内皮细胞系诱导,检测所得细胞总抗氧化能力(T-AOC)、一氧化氮(NO)生成量的变化。流体剪应力对MSCs体外诱导所得内皮细胞的总T-AOC、NO均有上调作用,并呈强度依赖关系。流体剪应力对骨髓MSCs体外诱导培养的内皮细胞具有保护性作用,为缺血性心脏病的细胞治疗及心血管组织工程提供了理论基础。

流体剪应力作用下VWF-A1A2A3介导的血小板P-选择素的原位表达

目的探讨流体剪应力(fluid shear stress,FSS)对VWF-A1A2A3介导的血小板表面P-选择素表达的影响。方法利用平行平板流动腔实验系统,以CD62P:FITC作为血小板表面P-选择素表达的指示剂,采用荧光显微镜观察分析在不同FSS条件(0、1、2 Pa)下,血小板经由VWF-A1A2A3特异介导黏附后P-选择素表达随时间的变化过程,提取特征参数。结果 FSS扣动了血小板激活并产生P-选择素表达的扳机,激活比率受FSS大小和持续时间的正向调节,在1 Pa和2 Pa时的最高激活比率分别为9.42%和14.59%;P-选择素表达水平随FSS作用时间的延长先提高后降低,呈现一个"双相"的变化过程,最佳作用时间为7.5 min;P-选择素表达的荧光峰值随剪应力的增加而上升。结论血小板P-选择素表达受FSS和VWF-A1A2A3的协同调控,表达水平与力信号的持续时间相关。

流体剪应力对EA．Hy926细胞IL-8受体mRNA表达的影响

为研究EA．Hy926细胞在不同时间、不同大小流体剪应力作用下IL-8受体CXCR1、CXCR2 mRNA的表达规律,通过体外培养人脐静脉内皮细胞株EA．Hy926细胞,分别施加5．56、10．02、15．27 dyn／cm2三种剪应力,选取剪切5 min、10 min、15 min、20 min、25 min和30 min、1、2、4和8 h等10个时间点进行观测,以半定量RT- PCR方法检测IL-8受体mRNA表达变化。结果表明,在5．56 dyn／cm2剪应力作用下,与静止组相比,各时间点CXCR1 mRNA与CXCR2 mRNA表达均显著升高(P<0．05)。在10．02 dyn／cm2剪应力作用下,CXCR1 mRNA表达随时间相对缓慢下降;而CXCR2 mRNA表达在30min出现短暂的升高,然后随着作用时间的延长开始缓慢下降。在15．27 dyn／cm2剪应力作用下,其CXCR1、CXCR2 mRNA的表达随时间呈现较显著性降低(P<0．01),当持续作用4 h以上其CXCR2 mRNA表达极低。以上结果表明,不同强度、作用时间的流体剪应力参与调节IL-8受体表达。

生理水平流体剪应力对三维多孔支架中成骨细胞力学敏感性及黏附、分化的影响

目的 构建可以达到生理剪应力水平的三维流动模型，研究流体剪应力对成骨细胞黏附、分化及力学敏感性的影响。方法 利用灌注式流动腔对生长在β-磷酸三钙（β-TCP）多孔支架内的MC3T3-E1成骨样细胞施加不同强度的流体剪应力6 h，比较加载组和静态组的细胞活性表征细胞黏附；一氧化氮（NO）和碱性磷酸酶（ALP）表征力学敏感性和细胞分化。采用流固非线性耦合的数值计算，获得支架内各流量下的剪应力分布。结果 平均剪应力小于0.4 Pa，细胞的黏附率为74% - 81%；0.41 Pa时，黏附率为60.22%。NO的产生率在加载后5 min达到最大，15 min显著降低，30 min后产生率趋近于0。在0.232 - 0.304 Pa平均剪应力强度范围，ALP水平随着剪应力的升高显著增强（P〈0.01）；而在0.304 - 0.412 Pa范围，剪应力增加对ALP水平的改变无显著影响（P〉0.05）。结论 生理水平剪应力条件下，支架内大部分细胞可以维持正常黏附。三维条件下细胞力学敏感性与剪应力变化率成正比，与二维条件的规律相同。支架内平均剪应力小于0.304 Pa，剪应力显著促进细胞分化；大于这一剪应力，细胞分化水平不再明显变化。该研究有望加快骨组织工程的实现。