黏附于血管壁表面的白细胞在稳定剪切流动下发生变形的生物力学模型

白细胞与血管表面的黏附是重要的生物医学工程问题，引起了学者们的广泛研究。我们用复合液滴来模拟黏附于血管表面的白细胞，根据二维计算流体动力方法研究了流体切应力作用下白细胞黏附引起的压力分布。同时，通过引入“变形指数”的概念，研究稳定剪切流动下白细胞变形的生物力学特性，数值结果表明：（1）随着初始接触角，毛细血管数，外界流场雷诺数的增大，细胞的变形也增大，而细胞浆比细胞核更易于变形，表明细胞核更能耐受切流动；（2）当切应力增大到一定值时，细胞不能进一步变形，变形指数达到峰值；（3）压力分布曲线表明，在细胞的下游形成一个高压区，提供促使细胞受力达到平衡的升力，从而阻止了细胞的进一步变形，我们关于细胞核变形的结果有助于理解白细胞如何将外界流体作用力（如切应力）等力学信号向核内转导的生物力学机理。     

用复合液滴模型研究黏附于血管表面白细胞的变形性

用复合液滴模拟黏附于血管表面的白细胞,通过引入"变形指数",研究稳定剪切流动下白细胞及其细胞核发生的变形.结果表明,白细胞的变形随着初始接触角、外界流场雷诺数的增大而增大.虽然细胞核也能随白细胞的变形而变形,但其变形指数总是小于白细胞.因此,具有高黏性的细胞核在白细胞的变形过程中可能起到特殊作用.     

用激光测速法研究稳定黏附的白细胞与血液流动的相互作用

提出了血液流动与牢固黏附的白细胞之间相互作用的理论模型,根据计算流体动力学方法推导血流作用下白细胞表面应力、压力分布,以及由于黏附的白细胞对血流阻力的影响.在此基础上,用激光测速法对上述模型进行实验研究.结果表明,血流阻力、压力梯度随血流雷诺数、白细胞直径的增大而增大;细胞表面的应力重新分布,但最大剪应力总是位于细胞表面的顶点.我们认为细胞表面应力分布的不均一可能对白细胞的形态与功能变化有重要作用.     

剪切流动下内皮细胞变形的模拟

血液流动和内皮的耦合是重要的生物医学问题 ,引起了学者们的广泛的兴趣。目前已知内皮细胞能感知流场的剪切应力而改变其形态和功能。由于剪切应力被认为是引起内皮细胞重建的始发信号 ,所以了解内皮细胞与流动应力之间的相互作用机制是十分重要的。我们建立了一个理论模型来模拟内皮细胞与流场应力之间的相互作用。根据二维计算流体动力学方法研究了内皮细胞应力、压力的分布以及内皮细胞在剪切应力作用下的变形情况。结果表明 :( 1)内皮细胞的变形随 α(对应于流体作用于细胞表面的切应力 )的变化而变化。当 α>0 .0 2 1时 ,细胞的变形随 α的增大而显著增大 ;( 2 )流动引起了细胞表面应力和压力分布的不均匀 ,从而导致了细胞的变形。但内皮细胞的最大应力总是位于细胞的顶点。同时 ,我们用流室系统提供剪切流动 ,测量了不同剪切应力作用下培养的人主动脉内皮细胞的变形。所得到的实验结果与上述数值模拟结果是吻合的。本文结果提示 ,由于剪切流动引起细胞表面应力和压力分布的不均一 ,可能在细胞激活和细胞功能的调节 (如细胞骨架的调节 ,粘附分子的表达与分布等 )机制上具有特殊的作用。本研究为综合应用动力学方程来建立内皮细胞模型提供了工作框架     

高脂血症循环白细胞自发活化作用的研究

高血脂是心脑血管病的重要危险因素。活化白细胞在缺血过程中微血管嵌塞和组织损伤中起重要作用。为了研究血清胆固醇对循环白细胞活化作用的影响，采用硝基蓝四唑试验测量了高脂血症家兔循环白细胞自发活化率（SAR）。结果指出，高脂血症动物循环白细胞SAR（％）显著高于对照组（P＜0.01）。SAR升高与血清胆固醇水平有关。循环白细胞SAR升高导致白细胞粘附分子CD11／CD18表达增加和微循环障碍。因此循环白细胞SAR升高是心脑血管病重要危险因素之一。     

急性脑缺血白细胞与内皮细胞粘附性变化的实验研究

为探讨脑缺血再灌注损伤时局灶区白细胞的粘附变化,通过免疫荧光标记技术和显微超高速摄录像系统观察脑缺血再灌注损伤局灶区白细胞的粘附性,结果显示脑缺血再灌注损伤局灶区微动脉白细胞附壁指数升高,白细胞与内皮细胞间断裂应力降低,粘附力显著增强。上述结果表明脑缺血再灌注损伤时内皮细胞和白细胞粘附性显著增强,白细胞在脑缺血再灌注损伤中起重要作用。     

Blood Flow and Leukocyte Adhesiveness Are Reduced in the Microcirculation of a Peritoneal Disseminated Colon Carcinoma

Dynamic behavior of leukocytes in the microcirculation of solid tumor tissue was visualized using a fluorescent labeling technique combined with the use of a real-time confocal laser-scanning microscope (CLSM) system. Colon tumor cells (RCN-9) were inoculated into the peritoneal cavity of male Fischer 344 rats. Tumor-free rats were similarly injected with physiological saline (intraperitoneally). Ten days after tumor inoculation, the mesentery was exteriorized and subjected to vital microscopic observation under the CLSM system. Leukocytes were labeled with rhodamine 6G (100 g kg^–1, intravenously), and their behavior within the microvessels (10–30 m in diameter) was analyzed both in the solid tumor tissues and the normal mesentery. Wall shear rate was calculated from the measured values of vessel diameter and erythrocyte flow velocity. In tumor microvasculature of tumor-bearing rats, the centerline erythrocyte velocity (0.73 ± 0.58 mm s^–1, mean±standard deviation) and wall shear rate (210 ± 151 s^–1 were significantly lower than those of the tumor-free rats (1.27 ± 0.83 mm s^–, 344 ± 236 s^–1, respectively). Despite such reduced flow conditions, flux of the rolling leukocytes as well as density of the adhered leukocytes both decreased significantly in tumor microvasculature as compared with normal controls. The methods developed in this work show promise in improving our understanding of tumor biology and pathophysiology. © 1998 Biomedical Engineering Society. PAC98: 8722Fy, 8745Hw, 8745Ft, 8764-t, 4262Be     

红细胞剪切弹性模量与表面粘度的改变对红细胞变形与取向的影响

神经氨酸酶 (唾液酸酶 )与红细胞发生生物化学作用能部分地去掉其表面电荷 ,从而引起红细胞膜微观结构发生改变 ,导致其膜剪切弹性模量和表面粘度的变化 ,分别改变其作用时间和二者的相对作用剂量 ,然后用一种在低粘切变流场中能将红细胞变形指数 DI分解为取向指数 (DI) or和小变形指数 (DI) d 的新型激光衍射法 ,分别测量经过各种处理的红细胞的小变形指数 (DI) d 和变形恢复过程即松弛过程中变形恢复到最大值 (DI) max一半的时间 t0 .5 ,并将其结果分别代入由文宗曜、严宗毅等 [1 ]提出的一种测量红细胞膜的剪切弹性模量 (E)公式和表面粘度(μm)公式。得出各种处理后的红细胞膜剪切弹性模量和表面粘度的变化规律。同时测量经过各种处理的红细胞的变形指数 DI和取向指数 (DI) or,也得到二者的变化规律。发现随着神经氨酸酶处理剂量的增加和处理时间的延长红细胞膜剪切弹性模量和表面粘度明显增大 ,而红细胞的变形指数 DI和取向指数 (DI) or却减小 ,呈现明显的反相关关系。说明红细胞膜剪切弹性模量的增大使其变形性变差 ,表面粘度的增大导致其取向能力变差     

Vortex Shedding in Steady Flow Through a Model of an Arterial Stenosis and Its Relevance to Mural Platelet Deposition

In this study, the development of unsteady vortical formations in the separated flow region distal to a stenosis throat is presented and compared with the platelet deposition measurements, to enhance our understanding of the mechanisms involved in platelet kinetics in flowing blood. Qualitative and quantitative flow visualization and numerical simulations were performed in a model of a streamlined axisymmetric stenosis with an area reduction of 84% at the throat of the stenosis. Measurements were performed at Reynolds numbers (Re), based on upstream diameter and average velocity, ranging from 300 to 1800. Both the digital particle image visualization method employed and the numerical simulations were able to capture the motion of the vortices through the separated flow region. Periodic shedding of vortices began at approximately Re=375 and continued for the full range of Re studied. The locales at which these vortices are initiated, their size, and their life span, were a function of Re. The numerical simulations of turbulent flow through the stenosis model entailed a detailed depiction of the process of vortex shedding in the separated flow region downstream of the stenosis. These flow patterns were used to elucidate the mechanisms involved in blood platelet kinetics and deposition in the area in and around an arterial stenosis. The unsteady flow development in the recirculation region is hypothesized as the mechanism for observed changes in the distribution of mural platelet deposition between Re=300, 900, and 1800, despite only a marginal variation in the size and shape of the recirculation zone under these flow conditions. © 1999 Biomedical Engineering Society. PAC99: 8719Uv, 8710+e     

灌注式生物反应器中流体剪切力对大段组织工程化骨构建的作用

目的　结合流体力学模型研究灌注式生物反应器中大段组织工程化骨的构建与多孔支架内流体剪切力的关系。方法　利用灌注式生物反应器对复合骨髓基质干细胞的多孔磷酸三钙支架进行灌注培养。培养基的黏度分别为1.12mPa?s, 2.23mPa?s及3.35mPa?s。通过细胞增殖、成骨分化及组织形态学评价组织工程化骨的构建,建立流体力学模型,求解支架内的流体剪切力。结果　培养基黏度2.23mPa?s组,细胞增殖高于其他组。培养基黏度2.23mPa?s及3.35mPa?s组第28d的碱性磷酸酶活性及第7d后的骨钙素分泌高于1.12mPa?s组。培养基黏度越高,骨桥蛋白的分泌高峰出现越早。28d后,黏度3.35mPa?s组的钙化基质最多。流体力学模型分析,培养基黏度1.12mPa?s, 2.23mPa?s及3.35mPa?s组中,支架内的平均流体剪切力分别为5mPa, 11mPa和15mPa。结论　在利用复合人骨髓基质干细胞的多孔磷酸三钙构建大段组织工程化骨的过程中,15mPa的流体剪切力最有利于组织工程化骨的构建。