新方法揭示了由于机械疲劳如何在人体生物细胞中发生损伤

人体红细胞(RBC)具有极强的弹性，并且当它们穿过各种微血管和毛细血管时具有细胞变形的能力。在120天的正常寿命期间，RBC必须通过大的弹性拉伸和松弛而经历显着的周期性变形。红细胞的病理性变形与各种疾病相关，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。

由红细胞中的循环应变引起的机械疲劳也是工程材料和结构降解的关键因素。这种疲劳会破坏和破坏骨骼等天然生物材料以及植入设备中使用的合成生物材料，如牙科植入物和合成心脏瓣膜。然而，由于机械疲劳导致循环生物细胞降解的机制尚不清楚，特别是在人类RBC中。几十年来，测量生物细胞在健康和疾病中的复杂和临床相关的机械疲劳行为一直在挑战科学家。

来自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新方法来测量机械疲劳如何影响生物细胞。此外，他们已经确定了这种效应在影响生物细胞如RBC的物理性质中的重要作用。

发表在“美国国家科学院院刊”上的这项研究结果也为血液循环过程中累积的膜损伤提供了见解，为进一步研究红细胞最终失败及其导致各种血液破坏的机制铺平了道路。障碍疾病，如镰状细胞性贫血。

这种新技术使用包含调幅电变形的一般微流体方法评估红细胞的机械完整性和疲劳行为。它诱导红细胞的静态和循环机械变形，并测量健康人红细胞的形态学和生物力学特征及其膜机械性质的系统变化。该方法还能够使细胞经受长时间的静态载荷或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种独特的优势，可用于定量表征单个生物细胞的机械疲劳行为，”Sarah Du博士说，他是FAU海洋部的高级作者和副教授。机械工业。“我们的方法的优势在于其简单性和灵活性，可以在选定的频率和波形上施加受控的机械负载，并且能够在数千次疲劳循环中探测多个单体电池。”

研究人员希望更好地了解健康生物细胞的应力或变形波动对其机械和物理特性，结构完整性和性能的影响。他们还想确定因素的函数，例如最大强度，振幅和应变率，循环变形频率，循环次数以及这种影响是否特定于变形的周期性变化。

该研究的结果进一步表明，在相同的累积加载时间内，在相同的最大载荷下，在循环变形期间RBC的可变形性的损失比在静态变形下的快得多。这种疲劳引起的变形能力损失在较高的循环变形幅度下更明显。

“由杜教授和她的团队开发的这项尖端技术将改变游戏规则，这将有助于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，”Stella Batalama博士说。 .D。，FAU工程与计算机科学学院院长。“此外，这种独特的方法在与健康和材料工程相关的其他微环境中具有重要的机械疲劳研究应用。”

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