微流控装置助力研究人员解密血流中的红细胞形状变化

红细胞的形状取决于它们在体内的位置，据麦姆斯咨询报道，德国和法国的研究人员使用微流控装置结合数值模拟，以获取这种形状变化如何发生的重要新见解。

红细胞是盘状物体，直径约为8微米，几乎占血液成分的一半。在静止时，细胞呈现对称的双凹盘形状，其边缘比中心厚。

它们不是刚性颗粒，包含由细胞膜包裹的液态细胞质，使得整个细胞结构具有柔性。当细胞在体内穿行时，它会流经宽的动脉和静脉，也可以通过狭窄的血管。一直以来，细胞都沉浸在相对较厚和粘稠的血浆中，血浆会对细胞形状产生影响。

形状和流动性

血细胞在穿过身体过程中的形变，在其流动性中起着重要作用，将影响到血液循环。因此，了解形状如何影响流动性，对理解基本的血液循环，一些血液相关疾病，以及药物如何在体内作用至关重要。

科学家们知道，由于存在剪切应力，红细胞在狭窄的血管中会发生形状转变。随着剪切速率的增加，，细胞首先翻滚，然后变成翻滚中的“口形红细胞”，彷佛一顶不对称的降落伞。在较高的剪切速率下，红细胞形成奇特的多叶形状。

现在，于利希研究中心（Research Center Jülich）复杂系统研究所（the Institute of Complex Systems）的Dmitry Fedosov和来自蒙彼利埃大学（University of Montpellier）的同事们研究了细胞液（细胞内的液体）和血浆之间的各种剪切速率和粘度比如何影响各种红细胞形状之间的转换。

Fedosov表示，该团队的研究“旨在从物理学角度解释红细胞的基本行为及其可能发生的形状和动态变化”。他补充道，“我们已经了解到这些细胞在简单流体中的表现，下一步是了解他们在更复杂的微血管系统流动中的运动。”

微通道

为了探索生理条件下红细胞的行为，研究人员需要对细胞施加具有相对强流量的高剪切速率。然而，从实验角度来看，在常规流变仪中以高剪切速率使用水样溶液有较高难度。因为溶液可能不够粘稠以保持在流体腔室内。Fedosov及其同事利用微流控装置克服了这一局限，该装置可以使流动的液体通过微通道。

研究人员从新鲜的人体血液中获取红细胞。细胞在粘性流体中稀释并通过缝隙状矩形通道。研究人员使用配备有高速相机的显微镜记录细胞的形状和运动。随着研究团队在微流控装置通道内增加流速，细胞形状开始从类似滚动的甜甜圈变为多层结构。

研究人员观察到的形状和动力学，与使用两种不同流体动力学技术完成的3D模拟所做的预测完全一致。

下一步研究计划

研究小组计划继续研究，并将红细胞形状的动态变化和各种疾病的病理变化联系起来。Fedosov解释道，“我们想要模拟更复杂的几何形态和更逼真的血流环境，实际上，人体血液密度比我们模拟的更大。”

他补充道，“就理论而言，我们的研究成果可以应用于不同疾病与血细胞的联系。例如，我们已经研究过疟疾。同理也适用于探索镰状细胞贫血症。我们可以创建一个模拟系统，模拟这些疾病中血细胞的变化，以研究它们在流体中的行为和对氧气输送的影响。”

爱丁堡大学的Timm Kruger表示，该研究的一大重要优势在于研究人员在一项实验中使用了两种不同且大不一样的建模方法。

他补充道，“为了模拟较大血管中复杂的红细胞系统，我们需要关于单细胞行为的相关信息。” Fedosov及其同事所作的研究提供了上述信息，并可用于更高级的模型。

Kruger也预测了该研究在医学诊断领域的潜在应用。“如疟疾或镰状细胞贫血症等一些疾病，会影响到红细胞的形状。更好地了解红细胞的流动行为，或许可以借助少量血液帮助医学工作者更好地诊断疾病。”

相关研究工作发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.118103

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