脐静脉血流动力学模拟及装置设计

尹宗智，陈素华，艾继辉，吴健康

脐静脉血流动力学模拟及装置设计

尹宗智1，陈素华2，艾继辉2，吴健康3

目的脐静脉内的血流动力学环境对胎儿的生长发育起至关重要的作用，体外研究脐静脉的生物功能需要可以同时模拟脐静脉内流体切应力和静脉压力的实验装置。方法利用双层平行平板模型进行结构优化，模拟脐静脉流体切应力；利用密闭储液罐模拟静脉压力。结果通过力学模拟效果计算发现，该装置可以有效模拟脐静脉内的流体切应力及静脉压力。结论该实验装置达到了初步模拟脐静脉内血流动力性环境的目的，可用于体外研究脐静脉内皮细胞的生物力学特性变化。

脐静脉；血流动力学；流体切应力；静脉压力

1 实验装置结构设计

1.1 流体切应力模拟切应力模拟部分通过经典的双层平行平板装置实现。细胞生长在图1中的细胞生长区域，当细胞培养液从底板进液口通过液体通道从底板出液口流出时，培养液的流动对底板细胞生长区域的细胞产生流体切应力。所需的流体切应力可以通过进入液体通道的培养液流量来控制。见图1。

图1 双层平行平板装置

双层平行平板装置由盖板、底板和两者之间的密封圈组成。盖板由盖板平板和盖板平台两层平板构成，盖板平台位于盖板平板的底部中央区域，长度、宽度均小于盖板平板，在盖板平板两长边的近边缘处各均匀分布有定位螺丝孔。见图2。密封圈由一与盖板平板长度宽度均相同、厚度略大于盖板平台的硅胶垫构成，密封圈中央设有一空心区域，其与盖板重叠后盖板平台恰好可以从中央空心区域突出。见图3。底板由一长方体底板平板构成，在其左右两端分别设置有进液口和出液口，通入底板平板内部；在底板平板上靠近进液口端设有流入缓冲槽并向底板平板的上部开口，其底部平面在底板平板内部与底板进液口的底部位于同一高度，流入缓冲槽长边与底板平板窄边平行，长度与盖板平台的宽度相同；在底板平板近出液口端设有流出缓冲槽；在底板平板上靠近流出缓冲槽一端接近底板平板中央处有一透光区，该透光区为一长方体槽，位于底板平板底部并向上凹陷。见图4。盖板、密封圈、底板三层自上而下对齐叠放，通过定位压紧螺丝经各定位螺丝孔将三层结构固定在一起，盖板平台底部平面与底板平板上平面之间构成的长方体空腔即为液体通道。

图2 盖板示意图

图3 密封圈示意图

图4 底板示意图

1.2 静脉压力模拟静脉压力模拟部分通过向密闭的储液缸内液体上部施加压力，该气压传递至双层平行平板装置内生长的细胞上，对细胞施加等量的压力。通过控制储液缸中密闭气体的气压达到静脉压力的模拟效果。见图5。

储液缸为一密闭空腔结构。空腔结构主体为储液槽，其侧面下部设有储液缸进液口和出液口，顶部设有加气口及气压表。通过加气口向储液缸中加入含5%CO2的空气，加气同时通过气压表控制储液缸内部气压。

图5 储液缸示意图

1.3 脐静脉血流动力学实验装置将静脉压力模拟部分、切应力模拟部分组装，并通过医用橡胶管经蠕动泵连接形成一个密闭的循环系统。见图6。通过蠕动泵调节进入双层平行平板装置中的液体流量控制切应力大小，通过储液缸上部的加气口及气压表控制压力大小，对细胞培养区域中生长的细胞同时施加流体切应力和静脉压力，达到初步模拟脐静脉血流动力学状态的目的。

图6 静脉血流动力学实验装置

2 力学模拟效果的验证

2.1 流体切应力模拟效果应用流体力学计算软件Flunet 6.3对双层平行平板液体通道中细胞培养液流过时各处所受的切应力进行分析。下图分别显示的为流量Q＝7.0 ml／s和Q＝13.0 ml／s时液体通道中各处所受的切应力。本装置所设计的细胞培养区域在切应力调节过程中的受力始终稳定，切应力模拟效果好。见图7。

2.2 静脉压力模拟效果根据流体运动的能量原理（伯努利方程），储液缸自由面和液体通道细胞处的流体能量有如下的关系：

图7 受力分布图

3 讨论

胎盘和脐带是胎儿赖以生存和生长发育的重要器官。胎盘具有物质交换功能，脐带血管具有物质运输及分泌调节功能。脐带血管的物质运输和分泌调节功能与脐带血管内的血流状态密切相关。母体血液性质的改变（如血液黏度的变化等）、胎儿代谢产生的生物活性物质以及胎盘内血管阻力的改变等因素均可导致脐带血管内血流状态发生改变，影响脐带血管的物质运输以及管壁细胞的生物学功能［3］。

脐带血管由一条管腔较大的静脉和两条管腔较小的动脉组成，脐静脉管腔内壁最外层的细胞为脐静脉内皮细胞。研究［4］表明脐静脉内皮细胞能够分泌多种生物活性物质，与胎儿在子宫内的生长发育密切相关。且脐静脉内皮细胞的生物学功能与脐静脉内的血流动力学状态密切相关。

脐静脉内血液在循环流动的过程中，主要产生两类力［5－6］：一是流体切应力，是指循环血液顺着血流方向作用于血管壁单位面积的力；另一类为循环血液对管壁单位面积的侧压力，即血压。这两种力均会随着脐静脉内血流状态的变化而改变，同时力的变化也会导致血流状态的改变以及内皮细胞受力的变化，最终导致内皮细胞生物特性的改变［7－9］。

本实验装置从流体切应力和静脉压力两方面同时模拟，更符合人脐静脉内的血流动力学状态。装置中流体切应力模拟部分所采用的为Frangos et al［10］在1985年提出的双层平行平板装置，对这种经典的双层平行平板装置结构进行了优化，使得力学模拟更精确、使用更方便。主要进行3点改进：①利用流体力学技术对双层平行平板液体通道中的流体切应力进行精确分析，选择切应力最稳定区域作为细胞培养区域，而不是将细胞种植于整个平行平板通道内壁，避免液体入口和出口端附近细胞受力不稳定。②盖板采用了底部突出平台结构，通过具有弹性的密封圈与平台的高度差获得形成液体通道所需的微米级高度。这一设计对液体通道的高度可灵活调控，密封性好，液体通道的高度准确、操作成本低。经典实验装置在获得液体通道所需的微米级高度时，加工精度要求极高，造价高昂。③底板下底面与细胞培养区域对应的位置设置透光区。实验过程中利用显微镜观察细胞时的透光度增加，提高观测效果。

本文所述的脐静脉血流动力学实验装置从流体切应力和静脉压力两方面对脐静脉内的血流动力学环境进行体外模拟，适用于体外研究脐静脉内皮细胞的生物力学功能变化，为血液流变学异常导致的各种产科疾病的发病机制研究提供了良好的体外实验模型。

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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人脐静脉壁细胞主要受流体切应力和静脉压力两种类型力的影响，在多种力的协同作用下细胞发生各种生物反应［1］。体外研究时，为观察静脉壁细胞在受力条件下的生物反应，需要有能同时施加流体切应力和压力的实验装置。经典的细胞力学实验装置均只能模拟流体切应力，忽略了压力对细胞的影响［2］。为此，该研究依照脐静脉内的血流动力学特点，设计了一种可同时模拟脐静脉内流体切应力和静脉压力的实验装置，达到初步模拟脐静脉血流动力学状态的目的。

2014－02－17接收

国家自然科学基金（编号：81300514）；国家自然科学基金青年科学基金培养计划（编号：2012KJ04）

1安徽医科大学第一附属医院妇产科，合肥 2300222华中科技大学同济医学院附属同济医院妇产科，武汉430030

3华中科技大学力学系，武汉 430030

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