剪切力在生物學中起著重要作用。在這篇文章中，我們將探討剪切應力對人體細胞的影響以及在細胞培養中適當應用的重要性。
在成年人體內水分高達60%。水儲存在細胞內外，構成細胞內液和細胞外液。細胞外液主要可分為組織液和血漿；其他水基細胞外液包括淋巴液、腦脊液、滑液、胸膜液、心包液、腹膜液和眼液等。
只要有流體就會存在剪切力。在生物學和血管過程中，流體作用于細胞表面。例如，血流作為摩擦力作用于血管壁的內皮表面，產生剪切力。這種機械現象通過機械轉導過程、調節細胞形態、增殖、分化、代謝、通訊和幫助形成屏障，對組織功能和生物反應有很大影響。那么，究竟什么是剪應力？
剪應力(?)定義為切向力(F)作用在表面（面積=A）上時施加的機械力：
?=F/A
對于具有恒定粘度的牛頓流體，剪切力取決于粘度(?)和剪切速率(dv/dz)
?=?(dv/dz)
盡管剪應力的國際單位是帕斯卡(Pa)，但對于心血管系統和生物應用，剪應力更普遍使用dynes/cm2。1Pa=10dynes/cm2。
有許多種類的細胞不斷受到流體剪切力的作用。例如血管和淋巴系統中的內皮細胞暴露于循環血液和淋巴液中。根據所處的環境不同，剪切力也可能會發生變化，在動脈中，其剪切力為30dynes/cm2，而在靜脈血管和毛細血管中，剪切力為1dynes/cm2。據研究表明，內皮剪切力會改變細胞骨架組織、細胞形狀和基因表達，增加細胞內鈣濃度，觸發一氧化氮產生并產生肌動蛋白應力纖維形成的變化，在流動方向上對齊和重塑微絲網絡。
另一方面，來自不同組織的上皮細胞也暴露于剪切應力。腎臟中復雜的腎小管網絡具有過濾功能，每分鐘可過濾120毫升，即每天180升。因此，每個腎單位的上皮細胞都暴露在腎小球濾液的剪應力下，其剪應力大約為0.1-1dynes/cm2。一些研究表明，腎近端小管上皮細胞在剪切應力存在下導致纖毛的形成。此外，與靜止培養的腎上皮細胞相比，調節信號轉導，改善上皮細胞結構，導致細胞體積增加，水通道蛋白、陽離子轉運蛋白和離子通道極化更大。
肺泡周圍的血管也不斷受到血流剪切力的影響。然而，在肺泡毛細血管屏障的空氣側也會產生剪切力。在我們每次呼吸時，氣道內襯的上皮細胞都會受到氣流產生的剪切力的影響，在靜止呼吸時為0.5-3dynes/cm2。這些力已被證明可以促進產生氣道上皮屏障功能、粘液產生和纖毛搏動排列。
此外，在人體腸道中，由腸壁蠕動引起的消化液流動會影響消化管內壁的腸上皮細胞，其值為0.002-0.08 dynes/cm2。應用微流控芯片，可以發現流體流動和剪切力可加速腸上皮細胞分化，形成3D絨毛狀結構，并增強腸屏障功能，重現正常人類腸道的許多復雜功能。
很明顯，剪切應力在組織和器官的功能中起著關鍵作用。與以前的體外細胞培養平臺不同，微流控芯片是一種強大的模擬體外檢測工具，可以原位控制流動和剪切應力。因此，該技術非常適用于藥物篩選和毒理學測試的模擬真實生物環境的研究。
