2 微流控芯片系統(tǒng)及數(shù)值模型模擬在白細(xì)胞流變學(xué)行為研究進(jìn)展

2.1 基于微流控芯片系統(tǒng)的白細(xì)胞流動(dòng)變形特性研究

白細(xì)胞在隨血液流動(dòng)過(guò)程中，收到慣性升力和細(xì)胞-血管壁相互作用的影響，會(huì)發(fā)生邊集并貼附在血管內(nèi)壁進(jìn)行滾動(dòng)。白細(xì)胞的滾動(dòng)行為受兩種力的支配，即血流的剪切應(yīng)力和白細(xì)胞膜-血管內(nèi)皮間的粘附作用力。炎癥的最初跡象之一是白細(xì)胞粘附在靜脈血管壁上。這種粘附始于粒細(xì)胞沿靜脈血管壁的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于紅細(xì)胞在相同血管中的流動(dòng)速度。在滾動(dòng)與粘附的過(guò)程中，白細(xì)胞能夠識(shí)別趨化因子并接收炎癥信號(hào)。隨著炎癥的發(fā)展,越來(lái)越多的滾動(dòng)白細(xì)胞停滯下來(lái)，其中一部分白細(xì)胞外滲出血管至炎癥區(qū)域所在的部位。

在輸血前，需要對(duì)提供的血液進(jìn)行白細(xì)胞濾過(guò)，因?yàn)榘准?xì)胞在輸注到患者身上時(shí)會(huì)被其自身的白細(xì)胞抵御，引發(fā)各種不良反應(yīng)。白細(xì)胞在血液中邊集的這一動(dòng)態(tài)特性可以用于白細(xì)胞的濾過(guò)。Xia 等人就利用受控增量過(guò)濾（Controlled incremental filtration，CIF）技術(shù)設(shè)計(jì)了一種微流控芯片系統(tǒng)，可以高效過(guò)濾分離白細(xì)胞。在該裝置中，有一個(gè)主通道和位于兩側(cè)平行的側(cè)通道，利用主通道與側(cè)通道之間規(guī)則分布的間隙過(guò)濾分離白細(xì)胞。他們經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，利用該微流控裝置可以實(shí)現(xiàn)白細(xì)胞的高效快速過(guò)濾分離，進(jìn)而將血液中白細(xì)胞濃度降低至原來(lái)的千分之一。

白細(xì)胞外滲遷移通常由趨化因子介導(dǎo)，通過(guò)感知趨化因子濃度遷移到特定位置（如損傷或感染組織）來(lái)完成免疫功能。白細(xì)胞遷移失敗或遷移到不當(dāng)位置會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害。因此，利用微 流控裝置對(duì)白細(xì)胞外滲遷移影響機(jī)制非常重要。Cheng 等人設(shè)計(jì)了一種基于水凝膠的微流控裝置來(lái)研究白細(xì)胞的遷移。該裝置采用三通道設(shè)計(jì)，在一個(gè)外通道中設(shè)置恒定的趨化因子濃度，在另一個(gè)外通道中設(shè)置空白緩沖液。這樣的設(shè)計(jì)可以避免力學(xué)刺激影響化學(xué)刺激，進(jìn)而防止剪切應(yīng)力影響趨化因子梯度分布。通過(guò)該裝置，他們成功檢測(cè)到了白細(xì)胞的趨化反應(yīng)。炎癥與許多疾?。ㄈ鐒?dòng)脈粥樣硬化）相關(guān)，最初的炎癥反應(yīng)包括白細(xì)胞沿著毛細(xì)血管后靜脈粘附到感染部位的血管內(nèi)皮并進(jìn)行滾動(dòng)，這一粘附滾動(dòng)過(guò)程由多個(gè)不連續(xù)步驟組成，受多種因素包括趨化因子影響。因此，研究各種因素對(duì)白細(xì)胞粘附滾動(dòng)的影響具有重要意義。Schaff 等人設(shè)計(jì)了一種平行板幾何結(jié)構(gòu)的微流控裝置，可用于直接觀察白細(xì)胞在微通道中的粘附滾動(dòng)情況。利用該裝置，他們研究分析了不同趨化因子濃度下白細(xì)胞的粘附滾動(dòng)和停滯情況，認(rèn)為從血液中轉(zhuǎn)移白細(xì)胞受趨化因子與整合素等因素影響。

與正常生理?xiàng)l件下的白細(xì)胞運(yùn)動(dòng)行為相比，病理?xiàng)l件下的白細(xì)胞在邊集、滾動(dòng)、外滲和遷移等運(yùn)動(dòng)行為上有不同的表現(xiàn)。因此，有必要研究病理?xiàng)l件下白細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)行為以及其受藥物作用的影響。Fay 等人設(shè)計(jì)了兩個(gè)獨(dú)立的體外微流控芯片系統(tǒng)，分別模擬毛細(xì)血管和靜脈，并研究了兩種白細(xì)胞邊集與粘附的情況。利用仿生毛細(xì)血管微流控裝置，他們通過(guò)測(cè)量白細(xì)胞通過(guò)一定距離所需的時(shí)間來(lái)評(píng)估白細(xì)胞的邊集程度；利用仿生靜脈微流控裝置，他們通過(guò)測(cè)量白細(xì)胞與通道壁的間距來(lái)評(píng)估白細(xì)胞的邊集情況。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)地塞米松等抗炎藥物可以抑制白細(xì)胞的邊集行為，這對(duì)揭示白細(xì)胞動(dòng)態(tài)行為變化的影響機(jī)制具有重要意義。另外，Tsai 等人設(shè)計(jì)了一種微流控器件來(lái)模擬毛細(xì)血管后小靜脈和小動(dòng)脈形成的分叉血管網(wǎng)絡(luò)，并在生理和病理血流下分析白細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞粘附行為對(duì)微血管堵塞及血栓形成的影響。他們發(fā)現(xiàn)，白細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞粘附及多細(xì)胞聚集等力學(xué)因素可以對(duì)包括血流速在內(nèi)的多種血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)帶來(lái)顯著影響。同時(shí)，他們還定量分析了羥基脲藥物對(duì)微血管堵塞的影響，發(fā)現(xiàn)該藥物可以降低微血管栓塞的幾率，從而為解釋該藥物的臨床療效提供了細(xì)胞水平的數(shù)據(jù)支持。

2.2 白細(xì)胞在微管道流動(dòng)變形行為的數(shù)值模型模擬

白細(xì)胞是人體最主要的免疫細(xì)胞，擔(dān)任著免疫防御、免疫穩(wěn)定和免疫監(jiān)視的角色，研究其邊集、遷移及滲出等動(dòng)力學(xué)行為對(duì)深入理解其免疫功能至關(guān)重要。數(shù)值模型模擬技術(shù)的應(yīng)用可以幫助我們深入理解細(xì)胞水平上白細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)行為，包括細(xì)胞流動(dòng)變形行為、邊集及粘附等過(guò)程。

研究表明，白細(xì)胞的邊集行為受多種因素的影響，包括紅細(xì)胞壓積、局部血流速率和速度分布、以及紅細(xì)胞-紅細(xì)胞的聚集性能。顯然，通過(guò)微流控實(shí)驗(yàn)研究分析這些影響因素對(duì)白細(xì)胞行為的影響有很大的挑戰(zhàn)。因此，研究人員開(kāi)始利用數(shù)值模型模擬來(lái)深入探討相關(guān)的白細(xì)胞邊集/流動(dòng)規(guī)律及影響機(jī)制。Fedosov 等人模擬了白細(xì)胞在不同紅細(xì)胞壓積下的邊集行為，發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞的高壓積有助于白細(xì)胞的邊集。他們認(rèn)為，這是因?yàn)楦邏悍e的紅細(xì)胞具有更大的聚集區(qū)域和更緊密的堆積性，將白細(xì)胞推向血管壁面的力則會(huì)更大，從而使得白細(xì)胞更容易邊集。Freund 等人用29個(gè)紅細(xì)胞和1個(gè)白細(xì)胞模擬了白細(xì)胞在微血管中的邊集行為，他們探究了血液流速對(duì)白細(xì)胞邊集的影響，發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞邊集的位置與血管中的無(wú)細(xì)胞層（Cell-free layer, CFL）息息相關(guān)。

白細(xì)胞的邊集與遷移受到紅細(xì)胞壓積的影響，同時(shí)與血管中的無(wú)細(xì)胞層的流速息息相關(guān)。這些理論結(jié)果為仿生微納機(jī)器人的研發(fā)提供了新的思路。例如，Alapan 等人研發(fā)了一種磁性驅(qū)動(dòng)的微納機(jī)器人，這種機(jī)器人模仿白細(xì)胞的邊集和遷移實(shí)現(xiàn)靶向遞藥。但這樣的仿白細(xì)胞微納機(jī)器人在血管內(nèi)的生物力學(xué)和生物流變學(xué)對(duì)受控的剪切應(yīng)力的響應(yīng)機(jī)制目前尚不清楚?；诖?，Qi 等人基于耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法構(gòu)建了類(lèi)似的仿白細(xì)胞微納機(jī)器人模型，以研究其在不同剪切應(yīng)力水平下的動(dòng)態(tài)性能（如圖 4）。他們的仿真結(jié)果表明，磁轉(zhuǎn)矩可以精準(zhǔn)控制被磁化的微納機(jī)器人在血管內(nèi)的順流及逆流運(yùn)動(dòng)，且逆流速度隨著磁轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度的增大而增大。此外，他們還發(fā)現(xiàn)流動(dòng)的紅細(xì)胞會(huì)與逆流運(yùn)動(dòng)的微納機(jī)器人發(fā)生碰撞，進(jìn)而阻礙其運(yùn)動(dòng)。這些模擬結(jié)果有助于理解單個(gè)微納機(jī)器人在血流中的爬行動(dòng)力學(xué)行為，為促進(jìn)仿生微納機(jī)器人在靶向和局部治療中的設(shè)計(jì)提供了一定的理論指導(dǎo)。

圖 4 仿生白細(xì)胞微型機(jī)器人在微管道中的流動(dòng)變形的數(shù)值模型模擬

3 微流控芯片系統(tǒng)及數(shù)值模型模擬在干細(xì)胞流變學(xué)行為研究進(jìn)展

3.1 基于微流控芯片系統(tǒng)的干細(xì)胞變形特性研究

用于治療的干細(xì)胞被注射入血液循環(huán)系統(tǒng)后將會(huì)有什么樣的經(jīng)歷和命運(yùn)？了解干細(xì)胞在微血管內(nèi)的“冒險(xiǎn)經(jīng)歷”對(duì)提高干細(xì)胞療法的療效有著重要的意義。干細(xì)胞直徑通常為 15-30 微米，這一數(shù)據(jù)顯然大于毛細(xì)血管直徑（3-10 微米），意味著進(jìn)入微血管的干細(xì)胞易造成血管堵塞，直接導(dǎo)致細(xì)胞無(wú)法進(jìn)入下一步的歸巢環(huán)節(jié)。因此，了解干細(xì)胞的變形性能對(duì)提高干細(xì)胞療法的療效至關(guān)重要。微流控細(xì)胞變形性檢測(cè)方法因其操作簡(jiǎn)單、無(wú)需標(biāo)記樣本、成本低、通量高的特點(diǎn)成為了單細(xì)胞力學(xué)表型分析的有力工具，在研究細(xì)胞變形過(guò)程中的生理狀態(tài)和病理變化方面表現(xiàn)出了巨大的潛力。目前，基于微流控技術(shù)的細(xì)胞力學(xué)表型測(cè)量方法主要有三種： 收 縮 變 形 流 式 細(xì) 胞 術(shù) （ Constriction deformability cytometry，cDC）、流體剪切變形流式細(xì)胞術(shù)（Fluid shear deformability cytometry，sDC）和拉伸變形流式細(xì)胞術(shù)（Extensional flow deformability，xDC）。這三種典型微流控流式細(xì)胞術(shù)是在流場(chǎng)中分別利用壓力、剪力、拉力驅(qū)動(dòng)目標(biāo)細(xì)胞產(chǎn)生不同程度的變形，從而量化其變形能力。通過(guò)以上三種方法，可以直接觀察和測(cè)量得到細(xì)胞的剛度。Ni 等人在 cDC 基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種多通道并行的微流控芯片用以測(cè)試敲除Ptpn21蛋白的造血干細(xì)胞的流動(dòng)變形能力，發(fā)現(xiàn)Ptpn21-/-的造血干細(xì)胞通過(guò)漸縮的微通道時(shí)的流動(dòng)速度明顯比天然造血干細(xì)胞的速度更快，且更不易粘滯在微流控通道內(nèi)。

不同類(lèi)型的干細(xì)胞具有不同的細(xì)胞剛度，即使是同類(lèi)型的干細(xì)胞，在健康狀態(tài)和病理狀態(tài)下也有比較大的差異。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)界致力于在人類(lèi)骨骼中鑒定并分離出各種類(lèi)型的干細(xì)胞，卻一直難以確定可靠的細(xì)胞表面標(biāo)志物、合適的組織解離方案和功能性干細(xì)胞試驗(yàn)。Xavier 等人在經(jīng)典的 sDC 基礎(chǔ)上運(yùn)用了實(shí)時(shí)可變形流式細(xì)胞術(shù)（Real-time deformability cytometry， RT-DC）分別測(cè)量了骨骼干細(xì)胞（間充質(zhì)干細(xì)胞的一個(gè)亞群）、間充基質(zhì)細(xì)胞以及白細(xì)胞的力學(xué)表型，發(fā)現(xiàn)這三類(lèi)細(xì)胞在細(xì)胞尺寸、變形程度上表現(xiàn)出了顯著的差異。實(shí)驗(yàn)表明骨骼干細(xì)胞的細(xì)胞剛度大于其他兩類(lèi)細(xì)胞，利用細(xì)胞剛度差異來(lái)提高骨骼干細(xì)胞的分離效率具有顯著的生理治療意義和臨床轉(zhuǎn)化的潛力。

干細(xì)胞的剛度和尺寸均高于紅細(xì)胞，因此在微血管內(nèi)流動(dòng)輸運(yùn)顯然存在困難。對(duì)大鼠冠狀肌從小動(dòng)脈到小靜脈的動(dòng)脈內(nèi)的輸運(yùn)過(guò)程中，跟蹤顯示 92%的間充質(zhì)干細(xì)胞在毛細(xì)血管前水平的血管中發(fā)生了阻滯，導(dǎo)致局部缺血。Lipowsky及其團(tuán)隊(duì)利用瞬態(tài)過(guò)濾實(shí)驗(yàn)（Transient filtrationtest）給出了間充質(zhì)干細(xì)胞所能通過(guò)毛細(xì)通道的直徑與壓強(qiáng)差之間的關(guān)系；同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細(xì)胞在穿越與毛細(xì)血管尺寸相當(dāng)?shù)耐ǖ罆r(shí)所需的驅(qū)動(dòng)壓差超越了體內(nèi)真實(shí)毛細(xì)血管中的壓差數(shù)值，從而導(dǎo)致極高的微血管堵塞率；此外，他們還發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞直徑與毛細(xì)通道直徑比大于1.56 臨界值時(shí)，能夠驅(qū)動(dòng)間充質(zhì)干細(xì)胞通過(guò)毛細(xì)通道的壓差值迅速上升，這與細(xì)胞直徑與細(xì)胞核直徑的平均比值（1.62±0.23SD）有直接關(guān)系。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)者開(kāi)始研究干細(xì)胞的細(xì)胞核，并得出共同的結(jié)論：細(xì)胞核是決定干細(xì)胞力學(xué)特性的核心結(jié)構(gòu)。于是，人們開(kāi)始通過(guò)改良微吸管技術(shù)（Micropipette aspiration  technique）來(lái)提高測(cè)量干細(xì)胞及其細(xì)胞核力學(xué)表型的效率。Davidson 等人開(kāi)發(fā)了一種高通量的新型微流體裝置和半自動(dòng)成像分析通道（如圖 5a）來(lái)探測(cè)完整細(xì)胞中隨時(shí)間變化的細(xì)胞核力學(xué)行為。這種高通量的微吸管芯片可以在完整干細(xì)胞中以高分辨率觀察和量化的細(xì)胞核的變形，適用于并行測(cè)量四組不同類(lèi)型的多個(gè)細(xì)胞數(shù)（每組 18 個(gè)通道），比傳統(tǒng)的單細(xì)胞微吸管實(shí)驗(yàn)或原子力顯微鏡技術(shù)高 1-2 個(gè)量級(jí)。這種多通道微流控芯片設(shè)計(jì)允許快速加載、清洗細(xì)胞并進(jìn)行測(cè)量，在提高測(cè)量效率的基礎(chǔ)上最大限度地減少細(xì)胞簇的堵塞。

3.2 基于微流控芯片系統(tǒng)的干細(xì)胞遷移行為研究

那些順利通過(guò)微血管關(guān)卡的干細(xì)胞將面臨更大的挑戰(zhàn)——遷移，即穿越直徑僅為 2-5 微米的血管內(nèi)皮細(xì)胞間的狹縫，并爬行至炎癥組織部位。干細(xì)胞遷移對(duì)其生理和病理過(guò)程都至關(guān)重要。為了在體外模擬這一特殊過(guò)程并量化細(xì)胞的主動(dòng)遷移能力，Tong 等人設(shè)計(jì)了一種具有遷移室的微流控芯片系統(tǒng)，該遷移室利用可自我維持的趨化因子濃度梯度來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞在三維受限空間內(nèi)的遷移運(yùn)動(dòng)。然而，該遷移室通道的幾何形狀與真實(shí)的體內(nèi)生理微環(huán)境幾何形狀存在較大差異，基于此，Davidson 等人對(duì)細(xì)胞遷移微流控芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行了改良，使其微通道能夠模仿體內(nèi)內(nèi)皮細(xì)胞間狹縫的尺寸，從而能夠觀察到干細(xì)胞通過(guò)狹窄通道時(shí)產(chǎn)生的變形，以預(yù)測(cè)間充質(zhì)干細(xì)胞在內(nèi)皮細(xì)胞間狹縫處的擠壓情況，量化間充質(zhì)干細(xì)胞及其細(xì)胞核在仿生微通道中的遷移能力（如圖 5b）。類(lèi)似地，他們團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核的變形能力是限制細(xì)胞在狹窄通道（2-5 微米）中遷移的一個(gè)重要因素。為了提高該微流控系統(tǒng)的檢測(cè)分析能力，Joshua 等人開(kāi)發(fā)了一套 MATLAB 程序，用以追蹤細(xì)胞核在仿生狹縫中的運(yùn)動(dòng)軌跡、遷移時(shí)間和遷移成功率，同時(shí)可以檢測(cè)細(xì)胞及其核的完整性，將檢測(cè)分析時(shí)間從數(shù)周縮短到了數(shù)小時(shí)，并且可消除手動(dòng)測(cè)量引起的誤差。

為了進(jìn)一步提高干細(xì)胞的遷移效率，Wang等人通過(guò)離心將間充質(zhì)干細(xì)胞進(jìn)行去細(xì)胞核處理，并對(duì)去核間充質(zhì)干細(xì)胞（Cargocyte）進(jìn)行了遷移能力測(cè)試（如圖 5c）。通過(guò)與天然人源間充質(zhì)干細(xì)胞（hT-MSC）的遷移實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Cargocyte 有效地通過(guò)了狹窄通道，而 hT-MSCs則經(jīng)常被捕獲在狹縫中。這一結(jié)果表明，去核干細(xì)胞比天然干細(xì)胞具有更好的變形能力，這與先前的研究結(jié)果一致：細(xì)胞核的硬度是周?chē)?xì)胞質(zhì)的 2 至 10 倍，并且細(xì)胞核與細(xì)胞骨架的物理解耦足以增加細(xì)胞骨架的變形能力。

微流控系統(tǒng)的不斷發(fā)展為研究人員提供了一個(gè)更真實(shí)、可控的仿生實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，幫助揭示干細(xì)胞生理行為中的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)干細(xì)胞療法的改良工作提供了大量潛在的策略。

圖 5（a）高通量微吸管實(shí)驗(yàn)裝置示意圖：通過(guò)加載在三個(gè)位置的不同壓強(qiáng)實(shí)現(xiàn)負(fù)壓操作。干細(xì)胞的熒光染色圖像中，紅色熒光標(biāo)記的組蛋白表示細(xì)胞核，綠色熒光標(biāo)記肌動(dòng)蛋白表示細(xì)胞質(zhì)。（b）基于微流控芯片的干細(xì)胞跨內(nèi)皮遷移裝置。兩個(gè)紅色圓柱形儲(chǔ)液池設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生趨化因子濃度梯度，有利于干細(xì)胞在綠色的空間受限區(qū)域中遷移。（c）hT-MSCs 和 Cargocyte 在微通道中沿 FBS 梯度沿縮窄移動(dòng)的延時(shí)圖像序列。紅色顯示的是細(xì)胞骨架，藍(lán)色顯示的是細(xì)胞核。標(biāo)尺長(zhǎng)度為 50 μm。

根據(jù)細(xì)胞相關(guān)生理參數(shù)在細(xì)胞整體系統(tǒng)水平建立細(xì)胞數(shù)值模型，對(duì)于進(jìn)一步理解細(xì)胞流變行為和生理狀態(tài)規(guī)律，預(yù)測(cè)各種環(huán)境擾動(dòng)對(duì)細(xì)胞功能的影響并指導(dǎo)設(shè)計(jì)干細(xì)胞微流控實(shí)驗(yàn)具有重要意義。鑒于數(shù)值模型模擬在紅細(xì)胞、白細(xì)胞流變行為研究中已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，學(xué)者們也開(kāi)始嘗試將數(shù)值模型模擬方法與微流控實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，對(duì)干細(xì)胞流變和歸巢行為的力學(xué)影響機(jī)制進(jìn)行深入研究。Qi 等人基于耗散粒子動(dòng)力學(xué)（Dissipative particle dynamics，DPD）方法建立的干細(xì)胞歸巢行為數(shù)值模型作為研究干細(xì)胞跨內(nèi)皮遷移實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)行為的模擬平臺(tái)，通過(guò)大規(guī)模并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)了干細(xì)胞在流體力推動(dòng)情況下擠壓通過(guò)仿生內(nèi)皮細(xì)胞間狹縫的動(dòng)態(tài)過(guò)程觀測(cè)，同時(shí)，他們實(shí)現(xiàn)了干細(xì)胞跨內(nèi)皮遷移行為發(fā)生時(shí)細(xì)胞及其核的表面剪切應(yīng)力變化、流場(chǎng)信息變化的數(shù)據(jù)捕捉、傳輸及自動(dòng)入庫(kù)功能?，F(xiàn)在，數(shù)值仿真技術(shù)與微流控芯片技術(shù)結(jié)合的研究方法應(yīng)用得越來(lái)越廣泛，微流控實(shí)驗(yàn)允許研究人員精確控制細(xì)胞所處微環(huán)境，數(shù)值仿真可以幫助研究人員快速進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以找到最佳實(shí)驗(yàn)條件，從而節(jié)省時(shí)間和資源，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)的同時(shí)還能提高實(shí)驗(yàn)效率。此外，數(shù)值仿真可以深入人們對(duì)細(xì)胞變形、遷移的理解，有助于解釋實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，微流控技術(shù)將在細(xì)胞力學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，為人們對(duì)生命科學(xué)的理解和醫(yī)學(xué)診療技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)更多的可能性。在本綜述中，我們總結(jié)了微流控技術(shù)以及基于微流控的數(shù)值仿真技術(shù)在血細(xì)胞及干細(xì)胞流變學(xué)行為方面的研究進(jìn)展，并簡(jiǎn)單展望了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。首先，我們介紹了微流控技術(shù)的基本原理，并闡述了其在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的重要作用。隨后，我們圍繞微流控技術(shù)及基于微流控技術(shù)的數(shù)值仿真方法在血細(xì)胞和干細(xì)胞兩大研究領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)了詳細(xì)討論。在血細(xì)胞領(lǐng)域，我們強(qiáng)調(diào)了微流控技術(shù)在紅細(xì)胞變形性分析和白細(xì)胞遷移行為研究中的關(guān)鍵作用。研究人員通過(guò)微流控芯片系統(tǒng)可以模擬不同的血流微環(huán)境，實(shí)時(shí)觀察血細(xì)胞的變形、遷移以及與周?chē)h(huán)境的相互作用，為生理與病理?xiàng)l件下的血細(xì)胞力學(xué)和血流動(dòng)力學(xué)的研究提供了新的視角。在干細(xì)胞領(lǐng)域，我們強(qiáng)調(diào)了微流控技術(shù)在研究干細(xì)胞力學(xué)特性和血流微環(huán)境對(duì)干細(xì)胞歸巢行為影響方面的應(yīng)用。微流控技術(shù)使得研究者可以更直觀地觀察和分析干細(xì)胞的變形性、遷移能力以及與周?chē)?xì)胞的相互作用，為再生醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域的研究提供了新的思路和手段?；谖⒘骺貙?shí)驗(yàn)的數(shù)值仿真在這一領(lǐng)域的發(fā)展幫助研究人員們快速優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，找到潛在的關(guān)鍵參數(shù)，能夠有效提高實(shí)驗(yàn)效率。

微流控芯片技術(shù)的微尺度、微循環(huán)的特性，可以精確考察控制單細(xì)胞尺度微環(huán)境; 但目前還難以滿(mǎn)足血管力學(xué)特性的模擬，在體外模擬血管壁彈性、內(nèi)皮粘附能力和滲透等功能方面仍面臨一系列挑戰(zhàn)。同時(shí)，由于血細(xì)胞和干細(xì)胞所處的細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境十分復(fù)雜并且在持續(xù)變化，微流控芯片還不能完全復(fù)現(xiàn)細(xì)胞所處小生境。隨著增材制造技術(shù)和 3D 打印等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們有望構(gòu)建仿真人造血管等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)生物材料的非線(xiàn)性和各向異性，從而為血細(xì)胞及干細(xì)胞流變學(xué)行為分析的后期研究和應(yīng)用提供有力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。此外，GPU 加速的大規(guī)模并行數(shù)值模擬技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等新興方法與微流控技術(shù)的結(jié)合，也會(huì)為未來(lái)的細(xì)胞流變學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究及干細(xì)胞療法的臨床應(yīng)用研究提供有力支撐。

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