微流控芯片可以實現細胞的體外培養, 廣泛應用于細胞的檢測研究中.微流控腔中培養液的動力流動方式從原理上主要分兩類: 第一類為被動式,如表面張力和毛細作用, 第二類為主動式,包括壓力驅動、離心力驅動、磁流體動力和電滲流驅動等.生物體內的細胞生長、分化、粘附、遷移等活動受到力學微環境的影響,而微流控芯片培養細胞可以模擬實現特定的力學微環境,并完成細胞的生物力學研究.電滲流是一種重要的微流體系統,它可以在不需要機械運動部件的情況下通過微通道輸送流體, 當施加軸向電場時,帶電表面會影響溶液中離子的運動狀態, 從而帶動溶液流動.為了研究生物組織的逆向力-電效應,微流控技術可以實現力-電協同驅動培養液流動刺激貼壁細胞的生物力學技術微環境.人工配置的無血清培養液可以簡化為理想的牛頓型流體,而生理流體和細胞培養液一般被視為不可壓縮的非牛頓型流體Maxwell流, 忽略慣性力后可視為蠕動流. 在之前的工作中,建立含有細胞的牛頓型流體和非牛頓型流體的二維有限元模型被用于研究兩種流體模型下線彈性細胞的動態響應.

現有的細胞模型有線彈性、黏彈性、多孔彈性和多孔黏彈性模型等.細胞組織的力學性質主要通過實驗的方法探究, 裘鈞研究發現細胞存在滯后,蠕變和松弛等黏彈性材料才有的力學行為并測定了標準線性固體黏彈性骨細胞模型的三參數k1黏彈性材料的平衡態模量、k2黏性系數和η黏滯系數, 在此基礎上可以進一步推導出松弛時間τ=η/k2和剪切模量G=k1/3. 研究表明, 水在人體體重的比重在一半以上, 從宏觀生物器官組織到微觀的各類細胞,均可以被視為同時具有固相和液相的多孔彈性材料. 近年來,原子力顯微鏡通過測量微懸臂梁探針與樣品表面之間的相互作用, 提供了評估細胞力學性能的新技術,原子力顯微鏡實驗數據和有限元模擬結合的方法被用于估算了兩種細胞的孔隙彈性和黏彈性參數. 最初, 為了簡化, 細胞被視為線彈性體而不足以考察細胞的生物力學特性, 隨著細胞力學的發展, 建立更精確的多孔黏彈性細胞模型來考察復雜的力學行為是必要的.

初級纖毛是生長在細胞表面的毛發狀細胞器, 它可以通過改變長度和抗彎性,以調節其力學敏感性, 適應微觀力學環境.初級纖毛已被觀察與多種細胞途徑的活動相結合,但是作為化學和力學信號的重要感受器還未被充分認識. 在很多情況下,初級纖毛充當調節細胞與細胞通信的信號傳導中心,它充當力學傳感器并執行高度專業化的感知功能.初級纖毛的力學行為在細胞的體外培養技術和相關疾病中研究發現,軟骨祖細胞osteochondroprogenitors獨特地感知流體剪切并且參與成骨細胞的分化現象,但去除初級纖毛后這種現象基本消失,這個結果表明初級纖毛充當了具有力學信號傳導功能的成骨分化細胞器.在醫學上, 初級纖毛與認知障礙、耳蝸聽覺喪失、視網膜變性、嗅覺缺失癥、顱面畸形、肺癌和呼吸 道異常、骨骼異常等疾病都具有相關性.最近的研究表明骨細胞初級纖毛不僅可以作為感知外部力學刺激的"天線",還可以作為信號轉導中各種信號分子的受體和吸收劑.血管內襯內皮細胞上的初級纖毛起著鈣依賴性力學傳感器的作用,通過感應血流刺激來調節血管系統內的血液動力學參數.內皮初級纖毛的缺陷會導致不適當的血流誘導反應,并導致血管功能障礙如動脈粥樣硬化、高血壓和動脈瘤.腎初級纖毛在暴露于血流中時發生彎曲, 并在血流停止后發生恢復,類似于材料力學中的懸臂梁,其周期性彎曲可以激活鈣離子通道的開關.在發現初級纖毛的力學行為的重要性之后,從理論方面探討初級纖毛的力學機制也就成為了一項重要工作.初級纖毛最初被簡化為圓柱截面懸臂梁,并結合實驗中觀察到的彎曲情況得到初級纖毛的剛度范圍.結合實驗觀察研究初級纖毛尖端的擺動對其軸突和基底的力學響應,初級纖毛被更細化的建模為微管集合體計算初級纖毛在軸向和半徑方向的彈性模量,發現長初級纖毛剛度比短初級纖毛更高.培養腔內的細胞的流-固耦合有限元模型的建立證明了定常流中初級纖毛可以通過調節長度和剛度來改變線彈性細胞的力學敏感性.

至今為止, 對于初級纖毛力學行為的理論研究大多數都是在穩定流場中進行的. 那么,有初級纖毛附著的細胞在振蕩流中有怎樣的周期性力學行為以及初級纖毛又如何對細胞體造成動態的影響就成為了重要的問題.本文通過有限元建模的方法研究振蕩層流中多孔黏彈性細胞的力學響應,得到了初級纖毛在微流控腔內液體流動中的力學行為.具體研究了細胞質滲透率變化對細胞多孔彈性力學行為的影響,以及初級纖毛的幾何長度、直徑和力學彈性模量特性對自身及其他細胞器細胞質、細胞核的力學信號感受能力的影響.