尹宗智，陳素華，艾繼輝，吳健康

臍靜脈血流動(dòng)力學(xué)模擬及裝置設(shè)計(jì)

尹宗智1，陳素華2，艾繼輝2，吳健康3

目的臍靜脈內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境對(duì)胎兒的生長發(fā)育起至關(guān)重要的作用，體外研究臍靜脈的生物功能需要可以同時(shí)模擬臍靜脈內(nèi)流體切應(yīng)力和靜脈壓力的實(shí)驗(yàn)裝置。方法利用雙層平行平板模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，模擬臍靜脈流體切應(yīng)力；利用密閉儲(chǔ)液罐模擬靜脈壓力。結(jié)果通過力學(xué)模擬效果計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該裝置可以有效模擬臍靜脈內(nèi)的流體切應(yīng)力及靜脈壓力。結(jié)論該實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)到了初步模擬臍靜脈內(nèi)血流動(dòng)力性環(huán)境的目的，可用于體外研究臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的生物力學(xué)特性變化。

臍靜脈；血流動(dòng)力學(xué)；流體切應(yīng)力；靜脈壓力

1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 流體切應(yīng)力模擬切應(yīng)力模擬部分通過經(jīng)典的雙層平行平板裝置實(shí)現(xiàn)。細(xì)胞生長在圖1中的細(xì)胞生長區(qū)域，當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)液從底板進(jìn)液口通過液體通道從底板出液口流出時(shí)，培養(yǎng)液的流動(dòng)對(duì)底板細(xì)胞生長區(qū)域的細(xì)胞產(chǎn)生流體切應(yīng)力。所需的流體切應(yīng)力可以通過進(jìn)入液體通道的培養(yǎng)液流量來控制。見圖1。

圖1 雙層平行平板裝置

雙層平行平板裝置由蓋板、底板和兩者之間的密封圈組成。蓋板由蓋板平板和蓋板平臺(tái)兩層平板構(gòu)成，蓋板平臺(tái)位于蓋板平板的底部中央?yún)^(qū)域，長度、寬度均小于蓋板平板，在蓋板平板兩長邊的近邊緣處各均勻分布有定位螺絲孔。見圖2。密封圈由一與蓋板平板長度寬度均相同、厚度略大于蓋板平臺(tái)的硅膠墊構(gòu)成，密封圈中央設(shè)有一空心區(qū)域，其與蓋板重疊后蓋板平臺(tái)恰好可以從中央空心區(qū)域突出。見圖3。底板由一長方體底板平板構(gòu)成，在其左右兩端分別設(shè)置有進(jìn)液口和出液口，通入底板平板內(nèi)部；在底板平板上靠近進(jìn)液口端設(shè)有流入緩沖槽并向底板平板的上部開口，其底部平面在底板平板內(nèi)部與底板進(jìn)液口的底部位于同一高度，流入緩沖槽長邊與底板平板窄邊平行，長度與蓋板平臺(tái)的寬度相同；在底板平板近出液口端設(shè)有流出緩沖槽；在底板平板上靠近流出緩沖槽一端接近底板平板中央處有一透光區(qū)，該透光區(qū)為一長方體槽，位于底板平板底部并向上凹陷。見圖4。蓋板、密封圈、底板三層自上而下對(duì)齊疊放，通過定位壓緊螺絲經(jīng)各定位螺絲孔將三層結(jié)構(gòu)固定在一起，蓋板平臺(tái)底部平面與底板平板上平面之間構(gòu)成的長方體空腔即為液體通道。

圖2 蓋板示意圖

圖3 密封圈示意圖

圖4 底板示意圖

1.2 靜脈壓力模擬靜脈壓力模擬部分通過向密閉的儲(chǔ)液缸內(nèi)液體上部施加壓力，該氣壓傳遞至雙層平行平板裝置內(nèi)生長的細(xì)胞上，對(duì)細(xì)胞施加等量的壓力。通過控制儲(chǔ)液缸中密閉氣體的氣壓達(dá)到靜脈壓力的模擬效果。見圖5。

儲(chǔ)液缸為一密閉空腔結(jié)構(gòu)。空腔結(jié)構(gòu)主體為儲(chǔ)液槽，其側(cè)面下部設(shè)有儲(chǔ)液缸進(jìn)液口和出液口，頂部設(shè)有加氣口及氣壓表。通過加氣口向儲(chǔ)液缸中加入含5%CO2的空氣，加氣同時(shí)通過氣壓表控制儲(chǔ)液缸內(nèi)部氣壓。

圖5 儲(chǔ)液缸示意圖

1.3 臍靜脈血流動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置將靜脈壓力模擬部分、切應(yīng)力模擬部分組裝，并通過醫(yī)用橡膠管經(jīng)蠕動(dòng)泵連接形成一個(gè)密閉的循環(huán)系統(tǒng)。見圖6。通過蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)進(jìn)入雙層平行平板裝置中的液體流量控制切應(yīng)力大小，通過儲(chǔ)液缸上部的加氣口及氣壓表控制壓力大小，對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)區(qū)域中生長的細(xì)胞同時(shí)施加流體切應(yīng)力和靜脈壓力，達(dá)到初步模擬臍靜脈血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的目的。

圖6 靜脈血流動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置

2 力學(xué)模擬效果的驗(yàn)證

2.1 流體切應(yīng)力模擬效果應(yīng)用流體力學(xué)計(jì)算軟件Flunet 6.3對(duì)雙層平行平板液體通道中細(xì)胞培養(yǎng)液流過時(shí)各處所受的切應(yīng)力進(jìn)行分析。下圖分別顯示的為流量Q＝7.0 ml／s和Q＝13.0 ml／s時(shí)液體通道中各處所受的切應(yīng)力。本裝置所設(shè)計(jì)的細(xì)胞培養(yǎng)區(qū)域在切應(yīng)力調(diào)節(jié)過程中的受力始終穩(wěn)定，切應(yīng)力模擬效果好。見圖7。

2.2 靜脈壓力模擬效果根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的能量原理（伯努利方程），儲(chǔ)液缸自由面和液體通道細(xì)胞處的流體能量有如下的關(guān)系：

圖7 受力分布圖

3 討論

胎盤和臍帶是胎兒賴以生存和生長發(fā)育的重要器官。胎盤具有物質(zhì)交換功能，臍帶血管具有物質(zhì)運(yùn)輸及分泌調(diào)節(jié)功能。臍帶血管的物質(zhì)運(yùn)輸和分泌調(diào)節(jié)功能與臍帶血管內(nèi)的血流狀態(tài)密切相關(guān)。母體血液性質(zhì)的改變（如血液黏度的變化等）、胎兒代謝產(chǎn)生的生物活性物質(zhì)以及胎盤內(nèi)血管阻力的改變等因素均可導(dǎo)致臍帶血管內(nèi)血流狀態(tài)發(fā)生改變，影響臍帶血管的物質(zhì)運(yùn)輸以及管壁細(xì)胞的生物學(xué)功能［3］。

臍帶血管由一條管腔較大的靜脈和兩條管腔較小的動(dòng)脈組成，臍靜脈管腔內(nèi)壁最外層的細(xì)胞為臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞。研究［4］表明臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞能夠分泌多種生物活性物質(zhì)，與胎兒在子宮內(nèi)的生長發(fā)育密切相關(guān)。且臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的生物學(xué)功能與臍靜脈內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)密切相關(guān)。

臍靜脈內(nèi)血液在循環(huán)流動(dòng)的過程中，主要產(chǎn)生兩類力［5－6］：一是流體切應(yīng)力，是指循環(huán)血液順著血流方向作用于血管壁單位面積的力；另一類為循環(huán)血液對(duì)管壁單位面積的側(cè)壓力，即血壓。這兩種力均會(huì)隨著臍靜脈內(nèi)血流狀態(tài)的變化而改變，同時(shí)力的變化也會(huì)導(dǎo)致血流狀態(tài)的改變以及內(nèi)皮細(xì)胞受力的變化，最終導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞生物特性的改變［7－9］。

本實(shí)驗(yàn)裝置從流體切應(yīng)力和靜脈壓力兩方面同時(shí)模擬，更符合人臍靜脈內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。裝置中流體切應(yīng)力模擬部分所采用的為Frangos et al［10］在1985年提出的雙層平行平板裝置，對(duì)這種經(jīng)典的雙層平行平板裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使得力學(xué)模擬更精確、使用更方便。主要進(jìn)行3點(diǎn)改進(jìn)：①利用流體力學(xué)技術(shù)對(duì)雙層平行平板液體通道中的流體切應(yīng)力進(jìn)行精確分析，選擇切應(yīng)力最穩(wěn)定區(qū)域作為細(xì)胞培養(yǎng)區(qū)域，而不是將細(xì)胞種植于整個(gè)平行平板通道內(nèi)壁，避免液體入口和出口端附近細(xì)胞受力不穩(wěn)定。②蓋板采用了底部突出平臺(tái)結(jié)構(gòu)，通過具有彈性的密封圈與平臺(tái)的高度差獲得形成液體通道所需的微米級(jí)高度。這一設(shè)計(jì)對(duì)液體通道的高度可靈活調(diào)控，密封性好，液體通道的高度準(zhǔn)確、操作成本低。經(jīng)典實(shí)驗(yàn)裝置在獲得液體通道所需的微米級(jí)高度時(shí)，加工精度要求極高，造價(jià)高昂。③底板下底面與細(xì)胞培養(yǎng)區(qū)域?qū)?yīng)的位置設(shè)置透光區(qū)。實(shí)驗(yàn)過程中利用顯微鏡觀察細(xì)胞時(shí)的透光度增加，提高觀測(cè)效果。

本文所述的臍靜脈血流動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置從流體切應(yīng)力和靜脈壓力兩方面對(duì)臍靜脈內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境進(jìn)行體外模擬，適用于體外研究臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的生物力學(xué)功能變化，為血液流變學(xué)異常導(dǎo)致的各種產(chǎn)科疾病的發(fā)病機(jī)制研究提供了良好的體外實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

［1］Song J W，Munn L L.Fluid forces control endothelial sprouting ［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2011，108（37）：15342－7.

［2］Voyvodic P L，Min D，Baker A B.A multichannel dampened flow system for studies on shear stress-mediated mechanotransduction ［J］.Lab Chip，2012，12（18）：3322－30.

［3］James J L，Whitley G S，Cartwright J E.Shear stress and spiral artery remodelling：the effects of low shear stress on trophoblast-induced endothelial cell apoptosis［J］.Cardiovasc Res，2011，90 （1）：130－9.

［4］Nikmanesh M，Shi Z D，Tarbell J M.Heparan sulfate proteoglycan mediates shear stress-induced endothelial gene expression in mouse embryonic stem cell-derived endothelial cells［J］.Biotechnol Bioeng，2012，109（2）：583－94.

［5］Estrada R，Giridharan G A，Nguyen M D，et al.Endothelial cell culture model for replication of physiological profiles of pressure，flow，stretch，and shear stress in vitro［J］.Anal Chem，2011，83 （8）：3170－7.

［6］Sayed Razavi M，Shirani E.Development of a general method for designing microvascular networks using distribution of wallshear stress［J］.J Biomech，2013，46（13）：2303－9.

［7］Sun L L，Zhang L，Meng X L，et al.Effects of fluid shear stress on the expression of Omi／HtrA2 in human umbilical vein endothelial cells［J］.Mol Med Rep，2013，7（1）：110－4.

［8］Vozzi F，Bianchi F，Ahluwalia A，et al.Hydrostatic pressure and shear stress affect endothelin-1 and nitric oxide release by endothelial cells in bioreactors［J］.Biotechnol J，2014，9（1）：146－54.

［9］Dolan J M，Meng H，Sim F J，et al.Differential gene expression by endothelial cells under positive and negative streamwise gradients of high wall shear stress［J］.Am J Physiol Cell Physiol，2013，305 （8）：C854－66.

［10］Frangos J A，Eskin S G，McIntire L V，et al.Flow effects on prostacyclin production by cultured human endothelial cells［J］.Science，1985，227（4693）：1477－9.

Simulate the hemodynamic environment of umbilical vein to design a device

Yin Zongzhi1，Chen Suhua2，Ai Jihui2，et al
（1Dept of Obstetrics and Gynecology，The First Affiliated Hospital of Anhui Medical University，Hefei 230022；2Dept of Obstetrics and Gynecology，Tongji Hospital，Tongji Medical College，
Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430030）

ObjectiveThe hemodynamic environment of umbilical vein have the crucial role in fetal growth and development.A device can simulate the umbilical vein venous pressure and fluid shear stress experiment at the same time is needed in in vitro study of biological function of umbilical vein.MethodsParallel plate model was used for structural optimization to simulate the fluid shear stress of umbilical vein.An airtight storage tank was used to simulate venous pressure.ResultsMechanics calculation found that the device could effectively simulate the fluid shear stress and venous pressure exactly as in the umbilical vein.ConclusionThe device can be used to study the biomechanical characteristics of the umbilical vein endothelial cells in vitro under dynamic environment.

umbilical vein；hemodynamic；fluid shear stress；venous pressure

R-331

1000－1492（2014）05－0595－04人臍靜脈壁細(xì)胞主要受流體切應(yīng)力和靜脈壓力兩種類型力的影響，在多種力的協(xié)同作用下細(xì)胞發(fā)生各種生物反應(yīng)［1］。體外研究時(shí)，為觀察靜脈壁細(xì)胞在受力條件下的生物反應(yīng)，需要有能同時(shí)施加流體切應(yīng)力和壓力的實(shí)驗(yàn)裝置。經(jīng)典的細(xì)胞力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置均只能模擬流體切應(yīng)力，忽略了壓力對(duì)細(xì)胞的影響［2］。為此，該研究依照臍靜脈內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可同時(shí)模擬臍靜脈內(nèi)流體切應(yīng)力和靜脈壓力的實(shí)驗(yàn)裝置，達(dá)到初步模擬臍靜脈血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的目的。

2014－02－17接收

國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：81300514）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金培養(yǎng)計(jì)劃（編號(hào)：2012KJ04）

1安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院婦產(chǎn)科，合肥 2300222華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院婦產(chǎn)科，武漢430030

3華中科技大學(xué)力學(xué)系，武漢 430030

尹宗智，男，博士，醫(yī)師，責(zé)任作者，E-mail：ahyzzh＠hotmail.com