在生理状态下,被流体环境所包围的各类型细胞承受着流体的剪切作用,且剪切力以多种方式影响细胞形态和行为。在体外细胞培养条件下,模拟体内作用于细胞的力学环境,并诱导细胞呈现生理状态的体内生物行为有重要意义。本文研制出一套具有标准尺寸,又适用于实验室培养细胞和支架的流体剪切系统,方便用于细胞力学生物学的研究。本系统由驱动控制系统、循环培养系统和灌流测试系统三个子系统组成。循环培养系统是整个系统中的核心,由接种室和灌流盖构成新型流动培养室。接种室可使用生物实验室通用耗材培养皿或六孔培养板;灌流盖为加成型硅胶材料,由3D打印模具浇注成型技术制备,其材料的优良特性,使装置具有良好的密封性,无需额外的密封圈进行密封,并且可以根据实验需求快速制备出所需型腔的硅胶盖。流动培养腔设计了三种不同的平行高度,分别为0.3mm、0.5mm和0.8mm,利用Gambit软件设计出流动培养腔的模型,导入FLUENT中进行流体动力学分析,设置速度范围0.01m/s到0.23m/s,每次以0.01m/s速度递增,得出不同高度的流动培养腔底面的剪切力大小和均匀流场范围,并对比了三者对流动培养腔底面剪切力的影响。结果表明:在0.3mm、0.5mm和0.8mm高度的流动培养腔除了在入口端和出口端的邻近区域的流场是不均匀的,在底面中心区域均可产生均匀的流体剪切力;在0.3mm、0.5mm和0.8mm高度的型腔中能达到理论剪切力值为最大剪切力值68dyn/cm~2、23dyn/cm~2和11dyn/cm~2;对三者对比分析,得出高度越高,随着速度的增加其剪切力变化率越小。在平行流动培养腔的基础上,我们进一步研究设计了两种异型流动培养腔,一种为中间高度为0.3mm,两边高度为0.6mm的坡型流动培养腔;另一种为入口高度为0.3mm,出口高度为0.6mm的波型流动培养腔。并进行了流体动力学仿真。分析得出:除了在入口端和出口端的邻近区域的流场是突变的,在流动培养腔的底面,可以同时产生不均匀但连续的剪切力,坡型流动培养腔的剪切力在流场方向上逐渐增大;波型流动培养腔中间剪切力最大,如波纹一样逐圈减小,通过对这种异型结构流动腔可以同时研究底部培养细胞在多种剪切力下的力学行为。利用该系统进行了体外细胞培养的实验,在剪切力为8dyn/cm~2、10dyn/cm~2和12dyn/cm~2下刺激细胞生长2h,探究了体外细胞在流体剪切作用下的响应。实验结果表明:在8dyn/cm~2剪切力的作用下,细胞的数量和形态发生变化较小,当剪切力达到10dyn/cm~2和12dyn/cm~2时,观察发现细胞的粘附性开始降低,且随着剪切力的增大,细胞开始出现明显的取向。本研究所设计的流体剪切系统,不仅能对体外细胞进行流体剪切培养,还可以对支架进行流体剪切培养。我们通过有限元建立了简易的支架模型,探究了流体剪切力对支架本身和种子细胞的影响。