力-电协同驱动细胞培养腔内微液流动的理论模拟研究

摘要

微流控芯片以其用料少、集成度高、能批量操作等优点而在许多领域得到了广泛的应用，在微流控芯片中进行细胞培养既可以仿生人体内的密闭微腔环境，又可以通过控制外界物理场（如压力梯度或者电场）作用而产生流体切应力，并进一步刺激种子细胞调控其内部基因的表达，从而控制细胞的分化和生长。考虑到细胞培养微腔隙中液体流动行为很难实验量化测定，建模分析是目前可行的研究手段。因此本文建立了矩形截面的细胞微流控培养腔理论模型及有限元模型，将外部的物理驱动场（压力梯度与电场）与培养腔内液体的流速、切应力和流量联系起来，分别得到了压力梯度驱动（Pressure gradient driven，PGD）、电场驱动（Electric field driven，EFD）及力-电协同驱动（Pressure-electricity synergicdriven，P-ESD）三种驱动方式下的液体（牛顿流体、非牛顿流体）流动理论模型及有限元模型。本文模型的建立在外加物理场和细胞感受的物理场之间建立了数量关系，可为细胞微流控生物反应器实验系统的设计及其参数优化提供理论参考，同时也为力-电刺激细胞生长、分化机理的研究提供基础。 本文的具体工作及主要结论如下： （一）、忽略细胞的尺寸，建立了不含细胞的牛顿型微流动培养腔理论模型（其中压力驱动下的结果与现有的实验结果基本一致）和Maxwell型微流动培养腔理论模型，对压力、电场、腔高、频率和温度等因素对流场的影响进行了讨论，并得到以下结果： （1）力-电协同作用下的解答为压力梯度驱动和电场驱动结果的叠加。 （2）细胞培养腔内的牛顿流体流速、剪应力及流量幅值均正比于外部物理场强幅值，但随着压力梯度驱动载荷频率的增大而减小，随着电场驱动频率的变化不明显。而Maxwell流体流速、剪应力及流量幅值均随外部物理场强幅值非线性增大，但随着频率的变化均不明显。 （3）两种流体在压力梯度驱动作用下，细胞贴壁处的切应力均随着腔高的增大而线性增大，流量则随着腔高的增大而非线性增大，而电场驱动下的结果不受腔高的影 响。 （4）生理范围内的温度场变化对牛顿流体在压力和电场驱动下的结果影响不大，另外，在引起细胞响应的流体切应力水平，两种流体环境中电场驱动能提供较大的切应力幅值而压力梯度驱动则能提供较大的流量幅值。 （二）、建立了不含细胞的牛顿型微流动培养腔有限元模型，其结果和（一）中的理论解析解相吻合。在此基础上建立含细胞的牛顿型微流动培养腔有限元模型，并对流体切应力、压力、细胞变形和应力的分布规律进行了分析，并得到如下结论： （1）压力驱动时切应力最大值出现在细胞顶点，端点处的切应力为零值。而电场驱动下端点附近出现切应力最大值而顶点处的切应力值相对较小，力-电协同驱动时则能使细胞表面出现较均匀的切应力分布。 （2）压力驱动时，细胞感受的压力值由腔管进口处线性减小到出口处的零值，细胞的变形主要体现在竖直方向。电场驱动时，细胞上的压力值保持一定的稳定性，细胞的变形主要集中在水平方向。另外，各种物理场驱动下细胞均会在端点产生应力集中现象。 （三）、建立了含细胞的幂律型微流动培养腔有限元模型，对流体切应力、压力、细胞变形和应力的分布规律进行了讨论，并将幂律流体和牛顿流体环境下的流场和细胞的剪切变形进行了对比，得出结论： （1）在相同外加荷载的驱动下，细胞上感受的切应力、压力及细胞响应（变形、应力）的变化趋势均和（二）中牛顿流体环境下的细胞相同，但数值不同。 （2）幂律流体环境中的切应力，在压力驱动作用下大多时刻小于牛顿流体环境中的切应力，而在电场驱动作用下却一直大于牛顿环境中的切应力。 （3）幂律流体环境中的压力，在压力驱动作用下和牛顿流体下的压力任何时刻均保持相同，在电场驱动作用时却一直小于牛顿流体中的压力。 （4）幂律流体环境中细胞的变形和应力，在压力驱动作用下和牛顿流体任何时刻均保持相同，电场驱动作用时大于牛顿流体环境下的细胞变形和应力。

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