血管力学微环境模拟和剪切应力血管分析系统

自动化微流控平台，专门设计用于在控制的生理剪切应力条件下，实时量化研究细胞粘附、滚动、迁移及细胞间相互作用等动态生物学过程。它超越了传统的静态培养实验，能够更真实地模拟体内血管环境中的力学条件。

一、 工作原理

系统的核心在于利用微流控技术和的流体泵来重现血管内的血流环境。

1. 微流控芯片模拟血管：

• 系统使用内置有微通道的专用芯片。这些通道可以预先包被特定的蛋白质（如胶原蛋白、纤维连接蛋白）或内皮细胞，从而模拟真实的血管壁。

• 用户可以将待研究的细胞（如白细胞、癌细胞、血小板）注入流体中，作为“血液”流过这些通道。

1. 控制剪切应力：

• 通过高精度的压力泵或** syringe泵**，系统能够产生高度稳定且可控制的流体流速。

• 根据流体力学原理，在特定尺寸的微通道内，流速直接决定了施加在通道壁上的剪切应力。VenaFlux允许用户设置与生理（如静脉、动脉）或病理条件相匹配的剪切应力水平。

1. 实时成像与定量分析：

• 系统通常与倒置显微镜集成，并配备高分辨率相机和自动载台。

• 在细胞灌注过程中，软件控制载台移动，对芯片上的多个视场进行定时拍摄，记录下细胞与通道壁相互作用的完整动态过程。

• 通过强大的图像分析软件，自动或半自动地量化关键参数，如：

• 粘附细胞计数：在剪切力下稳定贴壁的细胞数量。

• 滚动细胞计数：沿着通道壁缓慢滚动的细胞数量。

• 滚动速度：细胞滚动的平均速度。

• 迁移分析：细胞在化学趋化因子梯度下穿过包被层的迁移能力。

• 血小板聚集/血栓形成：实时监测血小板聚集和血栓生长的动力学。

二、 核心参数

参数类别典型规格流体控制- 泵类型：多通道压力泵或 syringe泵

- 流速范围：覆盖从毛细管后小静脉到动脉的生理范围（如 ?L/min 至 mL/min 级）

- 剪切应力范围：可模拟多种生理/病理条件（如 0.1 - 20 dyne/cm?）

- 通道数量：支持多通道并行实验，提高通量微流控芯片- 通道几何形状：多种可选，模拟不同血管区域

- 通道尺寸：高度和宽度在微米级，模拟真实血管尺寸

- 表面包被：可定制包被各种粘附分子、基质蛋白或培养内皮细胞成像系统- 兼容性：专为集成倒置显微镜设计

- 自动化：电动载台，支持多点位、长时间序列成像

- 温控：可选配芯片加热器，维持37°C生理温度软件与分析- 控制软件：统一控制泵、载台和相机，实现实验自动化

- 分析模块：具备专门的细胞粘附、滚动、迁移和血栓形成分析算法

- 数据导出：生成定量数据（如细胞计数、速度、面积等）和视频

三、 优势与特点

1. 生理相关性高：在流体剪切应力下研究细胞行为，比静态实验更能反映体内的真实情况。

2. 高精度与可重复性：微流控技术提供了卓越的参数控制（剪切力、温度、时间），确保了实验结果的性和可重复性。

3. 实时动态量化：能够实时观测并定量记录瞬态的、动态的生物学过程（如细胞滚动），这是终点法检测无法实现的。

4. 高度自动化：从细胞灌注、多点成像到数据分析，流程高度自动化，节省人力，减少人为误差，并支持中高通量筛选。

5. 节省试剂与样品：微流控芯片所需细胞和试剂的体积小（微升级），特别珍贵或稀有的样品。

6. 应用灵活广泛：通过更换芯片、包被蛋白和细胞类型，一套系统即可用于多种截然不同的研究领域。

四、 典型应用场景

广泛应用于生物医学研究的多个前沿领域：

1. 免疫学与炎症研究：

• 研究内容：中性粒细胞、淋巴细胞等白细胞在内皮细胞上的滚动和稳固粘附。

• 应用价值：揭示炎症发生时，细胞如何从血液中募集到组织中的分子机制，用于筛选抗炎药物。

1. 癌症转移研究：

• 研究内容：循环肿瘤细胞如何与血管内皮粘附，并外渗到远端器官，这是癌症转移的关键步骤。

• 应用价值：理解转移机制，开发阻断CTC粘附和外渗的抗转移疗法。

1. 心血管与血栓形成研究：

• 研究内容：血小板在受损血管或胶原表面的激活、粘附和聚集，以及血栓的形成动力学。

• 应用价值：评估抗血小板药物（如阿司匹林、氯吡格雷）的疗效，研究血栓性疾病的病理。

1. 干细胞与组织工程：

• 研究内容：干细胞在剪切应力下的归巢行为，或工程化组织在流体下的力学响应。

• 应用价值：优化干细胞治疗策略和组织工程构建体的设计。

1. 寄生虫/微生物感染：

• 研究内容：研究如疟疾寄生虫感染的红细胞等病原体在微血管中的滞留机制。

• 应用价值：揭示感染病理，开发新型治疗手段。

总结

该系统是一个强大的生物力学研究平台，它通过将微流控技术、流体控制和自动化实时成像分析相结合，为研究人员提供了一个前所未有的工具，用于在高度模拟体内环境的条件下，量化、动态地研究细胞粘附、滚动、迁移和聚集等关键过程。它是连接分子生物学、细胞力学和体内生理功能之间桥梁的理想设备。