摘要 细胞作为构成机体的基本单位，受到压力、拉伸力、流体剪切力、基质力学等力学信号刺激。不同形式的力学微环境能够影响细胞发生、命运决定、增殖、黏附、迁移、分化以及凋亡等生物学行为，并与部分疾病病理机制相关。通过体外细胞培养技术施加静态或动态的力学刺激，能够有效帮助理解并探索细胞力学在肌肉、骨骼、血管、皮肤等组织和器官的作用。由于常见的体外细胞力学加载装置费用过高，严重影响细胞力学实验教学的推广，本文将对现阶段已应用于细胞力学教研工作的自制细胞力学加载装置进行分类总结，为进一步推广细胞力学实验教学工作提供理论支持。

关键词：细胞力学;拉伸应力;剪切应力;压应力;基质力学;实验教学

前言

生物力学是通过力学的原理和方法对生物个体行为与功能变化进行分析的一门学科，从生物整体到组织、器官，再到细胞与分子水平上进行力学影响的探索与研究。由于机体运动拉伸、体内血液流动、淋巴液流动、组织液的微流动、细胞-细胞间连接以及细胞-细胞外基质之间的连接等因素，使得机体时刻处于力学刺激响应状态。力学微环境是调控机体生物学行为和生理功能的关键条件之一，包括压应力、拉伸力、流体剪切力以及基质力学等，均能够介导细胞发生、命运决定、增殖、黏附、迁移、分化以及凋亡等生物学变化。因此，通过力学仪器去模拟机体内不同的力学环境，并探索细胞水平的后续级联反应具有重要的研究意义。

目前，针对生物力学研究已经有成熟的仪器设备，能够准确的模拟不同的力学刺激形式，并已经广泛应用于相关的科研与教学工作中。现阶段主要的相关仪器设备公司如Flexcell® International Corporation、BISS Tissue Growth Technologies与Naturethink等均有不同力学仪器产品，例如Flexcell‑5000C压力加载系统、CartiGen C10-12c生物反应器、Naturethink NK-P80组织或细胞力学加载装置，但价格多达数十万甚至更高，对一些教研单位负担较大，阻碍了细胞力学的研究与教学的推广。除此之外，通过合理的设计，利用一些常见的材料制备简便可行的力学加载仪器，不仅能够显著降低购买力学仪器的费用负担，更有助于广泛地推广细胞力学的教学工作，对细胞力学的发展至关重要。

理想的自制力学加载装置应具备以下条件：具备细胞培养位置;能够形成或体积较小能放置在37 ℃且5% CO2环境;力学刺激期间内保证无菌;材料费用较低;较为精确的力学施加等。本文将对目前已经应用于力学教研工作的自制力学仪器进行归纳总结，依据可以施加的力学性质的不同，分别探讨在细胞力学实验教学工作中可适用的简易装置，可应用的研究范围及使用的相关耗材、试剂等，为将来的细胞力学仪器制备发展提供参考，也为相关实验教学工作提供理论依据。

1. 压应力

机体内心脏、血管、骨骼、膀胱、眼睛等器官中的细胞往往处于一个压力相关的微环境，包括静态和动态的压力刺激，局部长期或急性的异常静水压可以诱发疾病。目前，Flexcell‑5000C压力加载系统、CartiGen C10-12c生物反应器、Naturethink NK-P80等装置均具备细胞压力实验系统。此外，大量的自制细胞压应力加载装置被开发来用于模拟体内生理病理环境探究疾病机理、筛选肿瘤药物、优化组织工程细胞支架等。

1.1. 压力板加载装置

压力板加载装置是一类利用压板或者滚筒对种植在基质中的细胞、外植体直接进行加载的装置。Huang等开发的用于兔骨髓间充质干细胞（bone mesenchymal stem cells， BMSCs） 频率1 Hz、形变10%压应力加载的生物反应器[1]，是一种典型的压力板加载装置（图1A，B）。该装置主要由电机驱动的偏心凸轮、检测加载位移的线性可变差动变压器、检测加载响应的称重传感器、多孔板、不透水板组成。压力加载之前，需要将细胞封装于琼脂糖凝胶，细胞-琼脂糖复合物放置在多孔板后，偏心轮驱动相连的多孔板直接对不透水层上的细胞-琼脂糖复合物施加正弦压力。许多用于封装细胞的自制压力板加载装置均采用与之相似的构造与原理[2-6]。三维胶原结构中人间充质干细胞的压应力加载可使用基于微操作器的压力板加载装置实现[7]。该装置主要由倒置显微镜、两个微操作器、加样孔板组成，而两个微操作器以压力板接触的方式直接对包埋在胶原中的细胞施加循环或静态压应力。这一类的压力加载装置，所需设备少，具有经济性高的优点，但无法对细胞施以精准的压力。

1.2. 气体压力加载装置

气体压力加载装置是将细胞置于密闭小室，通过向培养室内注入气体或是压缩培养室内气体体积来给细胞施加压力。Liu等人开发的加载装置主要由含5%CO2和95%空气的气瓶、针阀气体压力控制器、给气体加热加湿的蒸馏水瓶、压力表、细胞培养室、流量计组成[8]，该装置通过向培养室内注入气体可以给细胞施加0-200 mm Hg的恒定静水压力（图1C）。许多气体装置以相似或者更少的组件，在封闭的培养室中注入气体来模拟体内细胞的静态、动态压缩生理环境[9-12]。除此之外，一些其它加载装置使用计算机驱动步进电机来控制细培养箱内的活塞移动来达到压力加载的效果[13]。微流控芯片也被广泛的用于气动压力加载装置[14，15]，协调气瓶、压力表、压力控制器、阀门工作达到力学加载效果。微流控芯片可由PMMA基板、玻璃板、PDMS膜组成，实验过程中PDMS膜覆盖在细胞和培养基表面，微流控芯片中充入氮气来压缩PDMS膜进而给细胞压力刺激[15]。气体压力加载装置可以实现的压力范围广，施加给细胞的压力较为均匀，但在设计时需要消除或控制额外的气体剪切力对细胞的影响。

1.3. 液体压力加载装置

液体压力装置是在培养室内注入的液体来产生重力进而对细胞产生压力。Angele等为探究循环静水压力对间充质干细胞成软骨能力的影响，制作的液压装置由电脑、液压执行元件、压力表、充满液体的负荷室构成[16] 。细胞和培养基放入聚丙烯管，用中间为弹性橡胶的铝盖密封放入加载室。电脑控制液动装置调控反应室内的液体量对细胞施加循环压力。注入的液体来产生静水压力，这种方式在很多自制液压装置中得以体现。同时，存放培养物和培养基的聚丙烯管可以用硅胶塞密封的六孔板[17]、无菌袋[18]、橡胶密封的小液体池[19]等替代。当然，直接使用培养基来调节压力大小就不需要额外的容器培养细胞[20]。Muller-Marschhausen为给内皮细胞提供连续梯度压力，将细胞接种于载玻片，用铁夹固定载玻片竖直放在15cm高的培养基中[17]。Song等创造性的提出一种新奇的循环压应力加载装置，直接将薄盖玻片盖在玻璃上的汇合细胞层上，通过磷酸盐缓冲溶液滴到玻璃板上来调节循环机械应力，由液滴下降高度和滴落频率控制压应力大小、频率[21]。此外，微流控芯片也同样在液压装置中有着广泛的使用[22-24]，其组成并不复杂，泵控制的注射器、管道、微流控芯片、夹子、压力计可以构成一套完善的基于微流控芯片的压力加载系统[22]。因液体加载装置可施加的压力范围广、准确可控，液体压力加载装置是最为广泛使用的细胞压应力加载装置之一。但设计时同样需要考虑剪切力对细胞的影响，同时大规模使用液体时需要提供专门的加热装置，使其保持恒温。

2. 拉伸力

肺、眼、膀胱、骨、心、血管、肝等器官参与的生命活动时广泛存在着拉伸应力。基底形变加载技术被用于体外细胞拉应力的加载，该方式使用弹性膜作为基底材料，通过机械拉伸、气（液）压、真空负压三种方式引起弹性膜底面的形变，从而给附着于底面的细胞施加牵引力。四点弯曲的拉应力加载装置也属于基底形变加载装置。基底形变加载技术可以实现对细胞的单轴拉伸[25，26]、双轴拉伸[27]。商用的STREX细胞应力拉伸仪、Flexcell细胞应力加载系统采用的正是基底形变加载技术。

2.1. 机械拉伸

早期的基底形变加载装置，使用聚碳酸酯作为柔性基底膜，夹子将基底膜固定在杠杆上，步进电机带动夹子固定的基底膜移动，从而对基底膜上的细胞进行形变拉伸[28]。Huang等人开发的基底加载装置由组织培养系统和拉伸单元组成[29]，组织培养系统包括细胞培养室、培养基储存器、MaterFlex泵，拉伸单元包含步进电机、步进电机驱动器、信号放大器、控制单元（电脑）。单轴拉伸应变是依靠弹性硅胶膜的收缩和舒张实现的。Subramanian等[30]发明的单轴拉伸应变生物反应器，简单而且成本低廉，可用于将生理负荷下的单轴应变精确且均匀的应用于细胞构建体。生物反应器采用基于硅树脂专门设计用于拉伸的装载室，无需夹子固定，最大限度地减少结构末端的应力集中并保持其完整性。装载室由多功能步进电机滚珠丝杠驱动系统驱动，拉伸细胞构建体。

2.2. 气（液）压和真空负压

申晓东等[31]发明的弹性膜细胞拉伸加载装置由细胞培养单元、力学加载单元、控制电路单元三个部分构成。蠕动泵转动泵出水位瓶中的水，导致紧贴在硅胶管上的弹性膜膨胀，从而达到拉伸弹性膜上的细胞的效果。Meza等[32]开发的可同时对内皮细胞施加生理流体剪切应力和循环拉伸的剪切拉伸装置，将带有柔性膜的培养板密封在活塞真空系统内，通过电脑控制活塞移动来产生变化的真空压力，从而对膜上的细胞施加双轴拉伸应变。

3. 剪切力流体

在心血管、肾、骨、肿瘤等的体外研究中，平板流动室、椎板、振荡摇床这三种方式均可施加剪切力。成熟的商用剪切力系统有如Flexcell STR-4000细胞流体剪切力系统[33，34]、Ibidi system[35]、Quasi Vivo[35]灌注培养系统以及各类轨道振荡器等。

3.1. 平板流动室

平板流动室组成的自制剪切力加载装置，很早就被用于内皮细胞[36]、骨细胞[37]施加剪切力刺激。现今，仍被广为使用[38-41]。平板流动室结合泵、流量探针、与空气和5%CO2相连的储液瓶可以组成一套功能完善的剪切力加载装置[42-44]。细胞接种在载玻片上组装在平行板流动室内，泵送培养基流经平行板流动室产生层流，对载玻片上的单层细胞施加流体剪切应力。计算机直接控制泵来调控液体流速和作用时间、频率，流量探针用来监测流速。注射器泵也可以从介质储存器中抽取介质并穿过平板流动室产生反向的剪切应力[45]，模拟生理条件下颈动脉窦壁剪力。平行流动室可以直接用微流控芯片进行代替[46，47]，PDMS制成中间有圆柱形通道的微流控芯片，胶原包被后可以直接接种细胞施加层流或湍流，同时还可以直接在显微镜下观察细胞接受剪切力刺激后的形态学变化。此外，微流控芯片的同一通道可以设计成不同位置的梯度不同[48]、面积不同[38]，以此来施加一系列生理流体剪切力。同时，微流控芯片还可以具有多个通道，来实现流体剪切力梯度[40]。

3.2. 椎板

椎板为核心部件的剪切力加载装置在操作上与商用椎板粘度计相似。锥板剪切装置主要应用于心血管相关的研究，该装置主要由椎板、电机、培养板三部分组成[49]。旋转锥体在固定平板中旋转，带动平板上的液体流动，从而产生层流和湍流剪切应力[50]。旋转锥体中心尖端稍稍变平，可以减少对平板上血管内皮细胞的损伤[51]。圆锥体可被锥形轴取代，锥形轴能更稳定的旋转[52]。电机负责通过指定锥体的旋转速度来控制施加在细胞上的剪切力。普通的培养皿无法满足对多个样品同时施加剪切力，因此，同一个电机控制的多个锥体被应用于普通的6孔板[51，53，54]、96孔板[52]，来满足高通量研究的需求。

3.3. 振荡摇床

摇床或者轨道振荡器上的培养皿会因平台的运动导致培养皿内的液体运动。由此产生的流体运动使培养在孔底部的细胞接受孔中心多轴和边缘单轴的剪切应力刺激。振荡摇床可以实现慢性、高通量的多轴和单轴流剪切力，且多轴流由周期性方向变化，便于研究血流对内皮细胞的影响[51，55，56]。细胞培养使用DiaD构造可以限制中心多轴剪切力，获得较为均匀的剪切力[55，57]。

4. 基质力学

基质的硬度、微拓扑结构以及基质对细胞的几何约束等会影响细胞的形态、迁移、功能。聚丙烯酰胺凝胶[58，59]、I型胶原蛋白涂层的聚丙烯酰胺凝胶[60]、纤维连接蛋白包被聚丙烯酰胺水凝胶[61，62]、甲基丙烯酸透明质酸水凝胶[63]、明胶[64]、纤连蛋白[65]等都可以通过调整浓度来模拟不同的基质硬度。

5. 结语

细胞力学加载设备的费用是影响教研推广的重要因素之一。虽然通过简易原理自制的力学加载设备往往功能比较单一，但其能够有效加深学生们对实验的理解，进而提升学生对该学科的喜爱，达到推广细胞力学，甚至生物力学学科的目标。

参考文献

[1]Huang CY， Hagar KL， Frost LE， et al. Effects of cyclic compressive loading on chondrogenesis of rabbit bone-marrow derived mesenchymal stem cells[J]. Stem Cells， 2004， 22（3）： 313-323.

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