目的綜述生物反應器生物物理因素在軟骨組織工程領域的研究進展。 方法查閱生物反應器生物物理因素在軟骨組織工程領域中相關文獻，并進行總結分析。 結果生物反應器中氧濃度、靜水壓、壓縮力和剪切力四大生物物理因素最適參數均無統一標準，其中靜水壓和剪切力尚存在爭議，制約了生物反應器的應用。 結論軟骨組織工程生物反應器中生物物理因素仍需深入研究。
目的 研究灌注式生物反應器中流體剪切力和物質轉運在大段組織工程骨構建過程中的作用。 方 法 抽取健康志愿者髂嵴處骨髓20 mL，分離、培養hBMSCs。將第3 代hBMSCs 與大段β-TCP 支架復合后，在灌注式生物反應器中灌注培養28 d。灌注過程中，通過改變培養基黏度或灌流量，對接種在支架上的hBMSCs 施加不同流體剪切力（1、2、3 倍）或給予不同速率（3、6、9 mL/min）的物質轉運。培養結束后，對接種在支架上的細胞行增殖及ALP 活性檢測，同時對細胞/ 支架復合體進行組織學觀察及形態學計量。 結果 灌流量均為3 mL/min 時，流體剪切力2 倍組的細胞活性高于其他各組，差異有統計學意義（P lt; 0.05）；當流體剪切力均為3 倍時，3、6、9 mL/min 灌流量組細胞活性差異無統計學意義（P gt; 0.05）。當灌流量均為3 mL/min 時，流體剪切力2 倍組和3 倍組的ALP 活性高于1 倍組，差異有統計學意義（P lt; 0.05）；當流體剪切力均為3 倍時，灌流量為6 mL/min 組的ALP 活性最高（Plt; 0.05）。灌注培養28 d 后，各組ECM 分布于整個β-TCP 支架內，灌流量均為3 mL/min 時，增加流體剪切力有利于支架內ECM 形成及礦化；當流體剪切力均為3 倍時，增加灌流量使ECM 的礦化減少。 結論 流體剪切力和物質轉運兩個流體動力學參數是影響大段組織工程骨構建的重要因素。在構建大段組織工程骨過程中，應調節流體動力學參數使其對組織工程骨的構建發揮最佳效應。
低剪切力是腫瘤體內微環境的組成部分,是調控腫瘤細胞遷移、侵襲的重要因素。作為細胞膜表面受體,整合素(integrin)不僅介導細胞與細胞外基質之間的黏附,而且作為細胞的重要力學感受器起到整合細胞內的力學、化學信號的作用。本研究的目的是探討低剪切力引起肝癌細胞整合素的變化及其對肝癌細胞遷移的影響。采用低剪切力(1.4 dyn/cm2)作用于肝癌HepG2細胞,劃痕法測定在0、1、2、4 h細胞的遷移情況,F-actin染色觀察低剪切力作用2 h和4 h后細胞骨架的變化,Western blot測定integrin α亞基在瞬時(15 s和30 s)、短時(5、15和30 min)和長時(1、2和4 h)的表達規律。結果表明:與對照組比較,低剪切力刺激HepG2細胞后,細胞遷移距離顯著增加,應力纖維絲排列規則,integrin α亞基在不同的時間點的表達呈現出時序性的差異,提示integrin的不同亞基在剪切力誘導肝癌細胞遷移中具有不同的調控作用。
動脈粥樣硬化及血栓的形成與動脈管腔內的血流動力學參數變化密切相關。然而,目前普遍應用的超聲多普勒成像技術不能精確測量復雜血流流場信息。本文提出了一種基于超聲造影微泡的超聲粒子成像測速技術,能夠獲得二維血管全流場的信息,且不依賴于聲束與速度向量之間的夾角。本研究使用10只健康的大鼠,應用超聲粒子成像測速法計算其左側頸動脈的全場血流速度分布,結合多項式擬合的方法計算腔內速度梯度變化,可評估血管在不同血流速度下受到的剪切力。實驗結果表明超聲粒子成像技術測速結果與多普勒測速結果吻合。利用四次多項式擬合的正常血管流速模型效果最佳。統計血管壁周期的平均剪切力結果與該位置平均血流速度成正相關。超聲粒子成像技術能夠無創、實時地評估全流場血流動力學變化情況,為進一步探討狹窄血管流場中復雜多變的剪切力分布異常奠定基礎。
為研究流體剪切力對喉鱗癌細胞(Hep2)緊密連接的影響, 對Hep2細胞施加1.4 dyn/cm2的流體剪切力, 倒置顯微鏡觀察不同時間點細胞的形態學變化; 透射電鏡(TEM)觀察剪切力加載和松弛后細胞胞間緊密連接的變化規律; Western blot檢測緊密連接蛋白(Occludin、Claudin-5和ZO-1)的表達; 共聚焦顯微鏡下觀察Claudin-5分布及表達情況。結果表明, 在流體剪切力作用下, 細胞形態由多邊形呈梭形變化, 撤銷力學刺激后, 細胞呈向初始形態恢復的趨勢; 透射電鏡觀察隨剪切力加載時間的增加, 細胞間連接更為緊密; Western blot結果顯示剪切力誘導緊密連接蛋白Occludin、Claudin-5和ZO-1的表達增加, 而撤銷剪切力后, 其表達均呈現出顯著下調; 免疫熒光結果表明Claudin-5表達趨勢與Western blot結果一致, 靜態時Claudin-5均勻分布在胞漿, 加載剪切力后其分布易位于胞間, 撤銷力學刺激后, 在胞間和胞漿區域仍有Claudin-5的表達。因此, 剪切力可改變Hep2細胞形態, 并且通過上調Occludin、Claudin-5和ZO-1蛋白增加細胞間的緊密連接。
骨組織工程是目前治療大段骨缺損措施中最有發展前景的途徑之一，體外構建骨組織工程移植體時常采用生物反應器對細胞—支架復合體進行灌流培養，以獲得具有良好修復效果的骨組織工程移植體。但目前對這一過程中種子細胞（特別是干細胞）生長率的理論建模還不完善，尤其是忽略了干細胞與終末細胞的差異。在本實驗室前期研究基礎上，本文利用實驗室自制的灌流裝置對細胞支架復合體施加不同模式和大小的流體剪切力刺激，考察流體剪切力對間充質干細胞（MSCs）增殖和成骨分化的影響，建立了流體剪切力作用對 MSCs 單個細胞生長率影響的回歸分析模型。結果表明，0.022 5 Pa 振蕩剪切力更能促進 MSCs 增殖和成骨分化，同時修正了流體剪切力作用下 MSCs 單個細胞生長率的理論模型。基于以上結果，希望本文研究可為骨組織工程移植體體外灌流培養條件的優化提供理論指導。