研究機(jī)械載荷對活細(xì)胞的影響提供了有關(guān)細(xì)胞活動、活力和細(xì)胞間通訊的重要信息。這些刺激往往對細(xì)胞遷移、組織重塑和愈合等現(xiàn)象產(chǎn)生重大影響。而微觀尺度的效應(yīng)也會影響組織結(jié)構(gòu)、其機(jī)械特性和功能。因此需要特殊的方法來研究細(xì)胞的變形和生理反應(yīng)。此外，在測試中為保持細(xì)胞存活，還必須要確保適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件。

人體是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為了解有機(jī)體的功能及其再生，有必要研究最小的生命單位——細(xì)胞的行為。通過了解細(xì)胞如何對復(fù)雜的生物、化學(xué)和物理信號做出反應(yīng)，可以模擬體內(nèi)整個組織的行為。首先，不同類型細(xì)胞的特性之間存在差異的原因是什么，以及為什么導(dǎo)致了這種機(jī)械性能而不是其他。在生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)該簡化為細(xì)胞成分（尤其是細(xì)胞骨架和細(xì)胞膜）不同空間和生物力學(xué)組織的結(jié)果。第二是考慮細(xì)胞和群的組織學(xué)。通過加載組織中的細(xì)胞，它會影響調(diào)節(jié)所有組織行為的復(fù)雜細(xì)胞間通訊系統(tǒng)。第三個方面與細(xì)胞的剛度相關(guān)，并且對前兩個方面至關(guān)重要。研究和建模單個細(xì)胞對機(jī)械負(fù)載的響應(yīng)，定義其機(jī)械性能是在微觀或宏觀尺度上考慮細(xì)胞性能的基礎(chǔ)。

預(yù)測細(xì)胞在特定機(jī)械環(huán)境中的行為旨在改進(jìn)加速組織再生、康復(fù)、診斷、種植學(xué)和其他領(lǐng)域的方法。

流動剪切應(yīng)力

1.平行板流動室(PPFC)

流體剪切應(yīng)力(FSS)被認(rèn)為主要是由于血管環(huán)境，其中血管壁的細(xì)胞處于連續(xù)的流體流動環(huán)境中。使用流動測試剪切應(yīng)力的一種方法是PPFC。

在其中一個平板上，單層細(xì)胞附著在平板的內(nèi)表面。通過沿腔室產(chǎn)生壓力梯度，使其經(jīng)受流體或培養(yǎng)基的流動。為了產(chǎn)生壓差，重力封頭用于穩(wěn)定流動，主動泵用于穩(wěn)定或非穩(wěn)定流動。設(shè)定流動參數(shù)，用Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程來計(jì)算施加在板和單元上的剪切應(yīng)力。假設(shè)為牛頓流體流動，其中剪切張量與應(yīng)變張量成正比，則作用在細(xì)胞上的剪切應(yīng)力可由公式計(jì)算。

假設(shè)流動是穩(wěn)定的，也可用于估計(jì)動態(tài)流動情況下的介質(zhì)和最大剪應(yīng)力。如果觀察到的細(xì)胞距離腔室的側(cè)面足夠遠(yuǎn)，可以忽略邊緣效應(yīng)，并且距離入口足夠遠(yuǎn)，以至于速度與預(yù)測的一樣，則可以假設(shè)作用在單元上的剪切應(yīng)力是均勻的。

2.錐形-平板系統(tǒng)

通過旋轉(zhuǎn)錐和平板的方法。流動裝置是通過旋轉(zhuǎn)的圓錐體浸泡在細(xì)胞培養(yǎng)容器的液體中來工作的。在這種情況下，由于離心力的作用，流體作圓周和徑向運(yùn)動，假設(shè)轉(zhuǎn)速較低，離心力可以忽略。

3.軌道振蕩系統(tǒng)

在這種情況下，培養(yǎng)容器是振動的。液體流動的解析描述會非常復(fù)雜，但最大剪切應(yīng)力可以由公式得出。

4.微流體系統(tǒng)

基于流動系統(tǒng)的小型化。微通道的尺寸范圍約幾微米，與細(xì)胞大小相當(dāng)。與其他技術(shù)相比，微流體系統(tǒng)使研究單細(xì)胞具有相當(dāng)大的系統(tǒng)通量成為可能。允許精確控制施加在單個細(xì)胞上的條件，因?yàn)槲⒘黧w裝置中的小尺寸通道提供層流特性（低雷諾數(shù)），使流體流動可預(yù)測和控制。至關(guān)重要的是，在如此小的尺度上流體的行為不同于在大通道中觀察到的行為，模擬分子的行為并預(yù)測它們的軌跡是可能的。