臍靜脈血流動力學模擬及裝置設計

尹宗智，陳素華，艾繼輝，吳健康

臍靜脈血流動力學模擬及裝置設計

尹宗智1，陳素華2，艾繼輝2，吳健康3

目的臍靜脈內的血流動力學環境對胎兒的生長發育起至關重要的作用，體外研究臍靜脈的生物功能需要可以同時模擬臍靜脈內流體切應力和靜脈壓力的實驗裝置。方法利用雙層平行平板模型進行結構優化，模擬臍靜脈流體切應力；利用密閉儲液罐模擬靜脈壓力。結果通過力學模擬效果計算發現，該裝置可以有效模擬臍靜脈內的流體切應力及靜脈壓力。結論該實驗裝置達到了初步模擬臍靜脈內血流動力性環境的目的，可用于體外研究臍靜脈內皮細胞的生物力學特性變化。

臍靜脈；血流動力學；流體切應力；靜脈壓力

1 實驗裝置結構設計

1.1 流體切應力模擬切應力模擬部分通過經典的雙層平行平板裝置實現。細胞生長在圖1中的細胞生長區域，當細胞培養液從底板進液口通過液體通道從底板出液口流出時，培養液的流動對底板細胞生長區域的細胞產生流體切應力。所需的流體切應力可以通過進入液體通道的培養液流量來控制。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兩層平板構成，蓋板平臺位于蓋板平板的底部中央區域，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的硅膠墊構成，密封圈中央設有一空心區域，其與蓋板重疊后蓋板平臺恰好可以從中央空心區域突出。見圖3。底板由一長方體底板平板構成，在其左右兩端分別設置有進液口和出液口，通入底板平板內部；在底板平板上靠近進液口端設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部與底板進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，長度與蓋板平臺的寬度相同；在底板平板近出液口端設有流出緩沖槽；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，該透光區為一長方體槽，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齊疊放，通過定位壓緊螺絲經各定位螺絲孔將三層結構固定在一起，蓋板平臺底部平面與底板平板上平面之間構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液缸內液體上部施加壓力，該氣壓傳遞至雙層平行平板裝置內生長的細胞上，對細胞施加等量的壓力。通過控制儲液缸中密閉氣體的氣壓達到靜脈壓力的模擬效果。見圖5。

儲液缸為一密閉空腔結構。空腔結構主體為儲液槽，其側面下部設有儲液缸進液口和出液口，頂部設有加氣口及氣壓表。通過加氣口向儲液缸中加入含5%CO2的空氣，加氣同時通過氣壓表控制儲液缸內部氣壓。

圖5 儲液缸示意圖

1.3 臍靜脈血流動力學實驗裝置將靜脈壓力模擬部分、切應力模擬部分組裝，并通過醫用橡膠管經蠕動泵連接形成一個密閉的循環系統。見圖6。通過蠕動泵調節進入雙層平行平板裝置中的液體流量控制切應力大小，通過儲液缸上部的加氣口及氣壓表控制壓力大小，對細胞培養區域中生長的細胞同時施加流體切應力和靜脈壓力，達到初步模擬臍靜脈血流動力學狀態的目的。

圖6 靜脈血流動力學實驗裝置

2 力學模擬效果的驗證

2.1 流體切應力模擬效果應用流體力學計算軟件Flunet 6.3對雙層平行平板液體通道中細胞培養液流過時各處所受的切應力進行分析。下圖分別顯示的為流量Q＝7.0 ml／s和Q＝13.0 ml／s時液體通道中各處所受的切應力。本裝置所設計的細胞培養區域在切應力調節過程中的受力始終穩定，切應力模擬效果好。見圖7。

2.2 靜脈壓力模擬效果根據流體運動的能量原理（伯努利方程），儲液缸自由面和液體通道細胞處的流體能量有如下的關系：

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育的重要器官。胎盤具有物質交換功能，臍帶血管具有物質運輸及分泌調節功能。臍帶血管的物質運輸和分泌調節功能與臍帶血管內的血流狀態密切相關。母體血液性質的改變（如血液黏度的變化等）、胎兒代謝產生的生物活性物質以及胎盤內血管阻力的改變等因素均可導致臍帶血管內血流狀態發生改變，影響臍帶血管的物質運輸以及管壁細胞的生物學功能［3］。

臍帶血管由一條管腔較大的靜脈和兩條管腔較小的動脈組成，臍靜脈管腔內壁最外層的細胞為臍靜脈內皮細胞。研究［4］表明臍靜脈內皮細胞能夠分泌多種生物活性物質，與胎兒在子宮內的生長發育密切相關。且臍靜脈內皮細胞的生物學功能與臍靜脈內的血流動力學狀態密切相關。

臍靜脈內血液在循環流動的過程中，主要產生兩類力［5－6］：一是流體切應力，是指循環血液順著血流方向作用于血管壁單位面積的力；另一類為循環血液對管壁單位面積的側壓力，即血壓。這兩種力均會隨著臍靜脈內血流狀態的變化而改變，同時力的變化也會導致血流狀態的改變以及內皮細胞受力的變化，最終導致內皮細胞生物特性的改變［7－9］。

本實驗裝置從流體切應力和靜脈壓力兩方面同時模擬，更符合人臍靜脈內的血流動力學狀態。裝置中流體切應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，對這種經典的雙層平行平板裝置結構進行了優化，使得力學模擬更精確、使用更方便。主要進行3點改進：①利用流體力學技術對雙層平行平板液體通道中的流體切應力進行精確分析，選擇切應力最穩定區域作為細胞培養區域，而不是將細胞種植于整個平行平板通道內壁，避免液體入口和出口端附近細胞受力不穩定。②蓋板采用了底部突出平臺結構，通過具有彈性的密封圈與平臺的高度差獲得形成液體通道所需的微米級高度。這一設計對液體通道的高度可靈活調控，密封性好，液體通道的高度準確、操作成本低。經典實驗裝置在獲得液體通道所需的微米級高度時，加工精度要求極高，造價高昂。③底板下底面與細胞培養區域對應的位置設置透光區。實驗過程中利用顯微鏡觀察細胞時的透光度增加，提高觀測效果。

本文所述的臍靜脈血流動力學實驗裝置從流體切應力和靜脈壓力兩方面對臍靜脈內的血流動力學環境進行體外模擬，適用于體外研究臍靜脈內皮細胞的生物力學功能變化，為血液流變學異常導致的各種產科疾病的發病機制研究提供了良好的體外實驗模型。

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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人臍靜脈壁細胞主要受流體切應力和靜脈壓力兩種類型力的影響，在多種力的協同作用下細胞發生各種生物反應［1］。體外研究時，為觀察靜脈壁細胞在受力條件下的生物反應，需要有能同時施加流體切應力和壓力的實驗裝置。經典的細胞力學實驗裝置均只能模擬流體切應力，忽略了壓力對細胞的影響［2］。為此，該研究依照臍靜脈內的血流動力學特點，設計了一種可同時模擬臍靜脈內流體切應力和靜脈壓力的實驗裝置，達到初步模擬臍靜脈血流動力學狀態的目的。

2014－02－17接收

國家自然科學基金（編號：81300514）；國家自然科學基金青年科學基金培養計劃（編號：2012KJ04）

1安徽醫科大學第一附屬醫院婦產科，合肥 2300222華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院婦產科，武漢430030

3華中科技大學力學系，武漢 430030

尹宗智，男，博士，醫師，責任作者，E-mail：ahyzzh＠hotmail.com