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一种新的方法来测量机械疲劳如何影响生物细胞

人红细胞(RBC)具有极强的弹性,并能在各种微血管和毛细血管中穿行时发生细胞变形。在正常的120天使用寿命内,RBC必须通过较大的弹性拉伸和松弛而经历明显的循环变形。红细胞的病理变形与多种疾病有关,例如疟疾,镰状细胞性贫血,糖尿病,心肌梗塞和各种遗传性疾病。

红细胞循环应变引起的机械疲劳也是工程材料和结构退化的关键因素。这种疲劳会损坏并破坏天然生物材料(例如骨骼)以及用于植入设备(例如牙科植入物和合成心脏瓣膜)的合成生物材料。然而,由于机械疲劳导致循环生物细胞降解的机理尚未得到很好的理解,尤其是在人类红细胞中。测量生物细胞在健康和疾病中的复杂且与临床相关的机械疲劳行为一直困扰着科学家数十年。

佛罗里达大西洋大学工程与计算机科学学院的研究人员与麻省理工学院和新加坡南洋理工大学合作,开发了一种测量机械疲劳如何影响生物细胞的新颖方法。此外,他们已经确定了这种作用在影响生物细胞(如RBC)的物理特性中的重要作用。

该研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上,也为洞悉血液循环过程中累积的膜损伤提供了见识,为进一步研究红细胞的最终衰竭以及引起其在各种血液中破坏的机制铺平了道路。镰状细胞性贫血等疾病病理。

这项新技术使用包含振幅调制电变形的常规微流控方法评估了RBC的机械完整性和疲劳行为。它会引起RBC的静态和周期性机械变形,并测量健康人RBC的形态和生物力学特性及其膜力学性能的系统变化。该方法还能够使细胞长时间承受静载荷或经受大量受控的机械疲劳循环。

我们开发的疲劳测试平台具有多个独特的优势,可以定量表征单个生物细胞的机械疲劳行为。我们方法的优势在于它的简单性和灵活性,可以在选定的频率和波形上施加受控的机械负载,并且具有在数千个疲劳循环中探测多个单电池的能力。”

研究人员希望更好地了解健康生物细胞的应力波动或变形对其机械和物理特性,结构完整性和性能的影响。他们还希望确定因素的功能,例如最大强度,应变的幅度和速率,循环变形的频率以及循环次数,以及这种影响是否特定于变形的周期性变化。

研究结果进一步表明,在相同的最大载荷和相同的累积载荷时间内,RBC的周期性变形过程中的可变形性损失要比静态变形下的RBC快得多。在较高的循环变形幅度下,这种疲劳引起的变形能力损失更加明显。

斯特拉·巴塔拉玛(Stella Batalama)博士说:“杜教授及其小组开发的这一尖端技术将改变游戏规则,它将帮助科学家更好地了解影响人类健康许多方面的红细胞和其他细胞的生物学功能。” F. FAU工程与计算机科学学院院长。“此外,这种独特的方法在机械疲劳研究以及与健康和材料工程相关的其他微环境中具有重要的应用。

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