利用人体上肢和下肢穴位的深度解剖、显微观察和测量信息，我们建立了一个三维多孔介质模型，使用FLUENT软件模拟流场，并研究间质细胞（肥大细胞）表面的剪应力由间质流体流动引起。数值模拟结果表明：（i）毛细血管的平行性将导致间质流体的定向流动，这可能解释了一些实验中观察到的长间质组织通道或经络；（ii）当毛细血管分布交错时，速度交替增加，速度趋于均匀，有利于物质交换；（iii）间质流体流动在间质细胞膜上引起数Pa的剪切应力，这将激活细胞并导致生物反应；毛细血管和间质参数，如毛细血管密度、血压、毛细血管通透性、间质压力和间质孔隙度，影响细胞表面的剪切应力。数值模拟结果表明，活体间质流体流动构成了细胞的力学环境，在引导细胞活动中起着关键作用，这可能解释了实验中观察到的经络现象和针刺效应。
1.简介
间质流体流动是流体通过组织细胞外基质的运动，通常在血管和淋巴管之间。这种流动为通过间质运输大蛋白提供了必要的机制，并构成微循环的重要组成部分[1]. 除了在质量传递中的作用外，间质流体流动还提供了一种特殊的机械环境，对间质细胞的生理活动很重要[2,三]. 几项体外实验表明，间质液体流动对细胞活动非常重要μm/s量级诱导的细胞生理反应[4–8]. 细胞外纤维结构如何影响细胞膜剪切应力的体外数值模拟也表明，间质流体流动对嵌入三维基质的细胞上的流体力很重要[9,10]. 血流在引导内皮细胞（EC）和平滑肌细胞（SMC）的生理活动和骨重塑过程中起着重要作用[11–13]. 然而，关于间质液体流动对间质细胞（肥大细胞）影响的研究很少。肥大细胞是结缔组织中的一种免疫细胞。当肥大细胞受到刺激时，它们从细胞颗粒中释放化学介质到细胞外基质，并启动一系列生物反应；许多反应与针刺效应有关[14].
到目前为止，还没有直接的活体间质流体流量测量，有关间质流体流动的信息只能从其他可能相关的测量中推断出来。例如，Li等人使用磁共振成像（MRI）对人类间质液中的区域性皮下迁移通道进行了可视化[15]. 这些经脉与淋巴管或血管的经脉不同，部分符合经络的特点。据信，间质液体流动可以用来帮助阐明经络的现代生理机制。在另一个实验中，将核素注射到一只最近死亡的猴子的“太原”穴位（死亡后半小时内）。沿经络没有发现传输轨迹，但当通过腋下动脉和静脉同时注入含肝素的盐水溶液时，出现了轨迹[16]. 这一现象表明，同位素沿经络的运动需要一种动力，而这种动力是由生物的血液循环提供的。我们提出了一个动力学模型来模拟经络附近的间质流体流动，发现这种流动的直接动力来源是毛细血管和间质流体之间的等离子体渗透[17]. 此外，我们开发了一个二维（2D）模型来研究结缔组织中的流场，并观察到定向流体流动[18,19].
MRI显示，针刺针尖通常位于骨间膜附近。在本文中，我们将研究人体骨间膜中间质液体的三维流动模式、生理参数对流速的影响以及流动对间质细胞的生理影响。论文的其余部分组织如下。在节中2，我们提出了一个三维多孔介质模型来描述骨间膜。从所提出的模型中获得的结果如第节所示三第节提供了本研究的讨论和总结4.
2.模型和方法
2.1. 3D模型
骨间膜为25 cm长，2 cm宽，0.2 cm厚。解剖观察表明，毛细血管形成簇状，呈交替层分布。在每一簇中，毛细血管几乎是平行的。图1（a）是一个膜单元的示意图。毛细血管的上游端与前毛细血管相连，下游端与微静脉相连。毛细血管群的平均长度为2000 μm（参见-图中的轴1（a）)，平均宽度为400 μm（参见-图中的轴1（a）). 附近星团之间的距离约为1875 μm沿-轴和约315 μm沿-轴。假设集群中毛细血管之间的距离相等，约为50 μm.根据这些特点，我们开发了一个3D模型，如图所示1（b）.实线代表毛细血管，黑色和灰色表示不同的层。虚线矩形标记计算域。
为了研究流动对间质细胞的影响，我们放置了一个肥大细胞（一个直径为16的球体 μm） 在域的中心（球体的中心位于 毫米， mm）（图1（b）). 图中放大的肥大细胞1（b）显示局部笛卡尔坐标.来源()位于球体的中心-轴，-轴和-轴平行于-轴，-轴和-轴。对于间质中的肥大细胞，细胞表面附近有一层薄的边界层，称为Brinkman边界层。因此，在网格生成过程中，肥大细胞表面附近有一个精细区域，如图所示1（b）[20].
2.2. 控制方程
由于间隙流体的雷诺数很小，因此可以忽略惯性。由平行胶原纤维组成的间质中的空间被认为是一种多孔介质。控制方程是Brinkman方程和连续性方程[20]:哪里是梯度操作符，是拉普拉斯算子，是局部流速矢量，是间隙压力，是间隙流体的粘度，以及是胶原原纤维基质的达西渗透率(1)是压力梯度。右边的第一项代表粘性项，右边的最后一项代表达西-福尔海默项，它表征多孔介质中的流动。
无量纲变量定义为;;; 和，其中是特征速度，是毛细血管的直径，是流体密度，以及是位置向量。方程式(1)和(2)以无量纲形式重写为：其中Re是雷诺数，定义为。在我们的模型中，很小（10−16 米2)，和无量纲参数大约是10−6因此，粘性项与达西-福尔海默项相比较小，可以忽略不计。方程式(三)归结为达西定律[20]:
对于间质中的肥大细胞，接下来的结果将表明，细胞附近的流场几乎与-轴。因此，我们使用球面坐标来分析肥大细胞上的剪切应力()，主导应力为
2.3. 毛细管对间隙流体流动的影响
斯塔林的假设是流体通过微血管壁的运动是由静水压和胀压的跨壁差异决定的，这已成为一个普遍的生理学原理[21]:哪里是毛细管壁的渗透系数，是血液中的静水压，是毛细管壁上的间隙静水压力，是血液中的渗透压是毛细血管壁上的间隙渗透压。胡和温鲍姆决定和（在他们的模型中，表面糖萼后面的静水压和胶体渗透压）可能与间隙中的相应压力有很大不同[25]. 通常，假设只有变化，而且沿着毛细血管的长度，从毛细血管前侧到小静脉侧呈线性减少。其他参数(,和)假设为常数[21]. 定义特征速度，其中是上游端的血管内毛细血管压力，使用表中列出的参数值1，透壁毛细血管速度为哪里是与上游端的距离，以及是毛细管的长度。
2.4. 胶原纤维对间质流体流动的影响
平行的胶原纤维会影响间质液的流动。Chen等人开发了类似于韧带和肌腱中平行胶原纤维阵列的2D和3D有限元模型，以模拟横向和纵向间质流体流动[22]. 沿着胶原纤维的流动被定义为纵向流动，垂直于胶原纤维的流被定义为横向流动。计算结果提供了达西渗透率随孔隙度变化的经验表达式.考虑到流体为牛顿流体，经验表达式如下所示：哪里[22]. 韧带孔隙度的生理范围是[22]. 骨间膜的结构与韧带相似。因此，纵向渗透率约为1.0×10−16 米2和比率到（比率=)约为10。
2.5. 边界条件
计算域如图所示1（b）包含一个完整的和两个半的毛细管簇。毛细管壁被定义为速度-入口边界，入口速度由UDF定义(8). 此外，由于周期性几何特征，我们定义了周期性边界条件，如图所示1（b）.外向流（底部边界处）充分发育-方向导数为零(). 忽略上游流量，入口速度（上边界）定义为零。计算区域为多孔区，粘性阻力为.
当间质中存在肥大细胞时，肥大细胞区域（中心的球体）将从原始计算区域中删除。假设球体表面为墙壁；因此，非滑移边界条件(,)使用。布林克曼边界层()具有一定的厚度.
2.6. 计算方法
数值模拟使用CFD软件包FLUENT（6.0版）。网格是使用GAMBIT软件包生成的。模型是层流的，求解器是分离和稳定的，求解方法是SIMPLE格式。控制方程通过迭代求解。迭代收敛时（迭代结果的误差)得到了速度场。
2.7条。生理参数
表1显示了数值模拟中使用的生理参数。
3.结果
3.1. 无间隙细胞的流场
图2（a）是中的流场-平面(，显示比例 : : , : : 2.5). 粗黑线表示毛细血管，箭头指向速度方向，箭头长度表示速度大小，彩色线表示速度轮廓。间隙液从毛细血管流向上游（左侧）的间隙。靠近-轴上，流动方向趋向于与毛细血管平行。在小静脉一侧，少量液体被毛细血管吸收，而大多数液体向外流动。在第一组中，入口速度为零。然而，通过毛细管壁的穿透通量大于吸收通量。因此，流体在第一个簇的末端流出。在第二组中，因为有流体从第一组流出，所以入口速度不再为零。比较第一组和第二组的间隙流体速度，发现第二组间隙流体速度明显较大。出现这种差异是因为第二组毛细血管的入口速度加快了间隙液的流动，第二组由第一组毛细血管产生。第二簇的流出量大于第一簇。因此，第三个星团中的速度将更大。图2（b）显示了间隙中毛细管的路径线（显示比例 : : 2.5, : : 2.5). 彩色线代表路径线，几乎与毛细血管平行，最大速度约为1.5×10−6 米/秒（~2.5 U） ●●●●。
3.2. 间质细胞周围的流场
利用该模型，我们还研究了间隙空间中含有细胞的流场。除了细胞表面附近，间隙细胞对流场的影响很小。最大速度出现在细胞表面（3.25×10−6 米/秒，5 U） 比其他位置的速度大得多。电池附近的流场几乎与-轴。图三显示单元格周围的流线，其中（a）显示局部的流线-平面(，表示横截面），（b）显示局部流线-平面(，表示-平面）和（c）显示局部流线-平面(). 数字3（b）和3（c）几乎相同。速度的方向是沿着-轴，最大速度为 毫米。
3.3. 间质细胞的力学环境
间质流体流动为间质细胞提供机械刺激。肥大细胞表面的剪切应力()计算方法为(6). 剪切应力受达西渗透率的影响.图4显示了（a）各向同性条件（比率=1）和（b）各向异性条件（比率=10）下的细胞表面分布。结果表明：具有双边对称性，且最大值()位于 mm，对于比率≥1（比率=1，比率=10）。增加为减少。随着比率的增加近的变化显著。这个图中细胞表面的分布4也显示为（c）固定( 米2)和（d）固定( 米2). 结果表明：是影响.何时是固定的，增加为减少（图4（c）). 什么时候？是固定的，作为减少，分布变得更加不均匀（图4（d）).
3.4. 生理参数对
间质中的毛细血管密度会影响间质流体的流动和截面面积定义为，图5显示了和显然，减少为增加，并且关系是非线性的。对于较小的，发生较大变化.
毛细管壁的渗透系数()也会影响间质流体的流动如图所示6,随.
血管内毛细血管压力()以及毛细管壁上的间隙静水压力()会影响毛细管壁的渗透率(7)因此间质流体流动和.图7显示中的更改，上游端的血管内毛细血管压力()和下游端的血管内毛细血管压力()影响横坐标是,、和与标准值相比,、和分别为；也就是说，.随增加线性增加和，并随增加线性减小.影响是最大的，而是最少的。
根据数值结果，我们可以进行以下观察。平行排列的毛细血管可以诱导平行的间质流体流动。间质流体流动可在细胞表面引起剪切应力。该比率决定了剪切应力的分布，以及对最大剪应力影响很大。通过减小横截面积可以增加剪切应力，这与增加毛细管密度相对应。剪切应力也可以通过增加毛细血管通透性、增加血管内毛细血管压力和降低间质压力来增加。
4.讨论
4.1. 定向间隙流可以解释一些实验观察结果
速度场表明，间隙流体流动的方向与毛细血管的方向平行。第一簇毛细血管可以产生速度约为0.75×10的间隙流体流-6 m/s。然后，该气流进入第二组毛细血管周围的空间，并加速至1.25×10-6 m/s。第二组毛细血管周围空间的最大速度为1.5×10-6 m/s。如果液体没有被淋巴系统吸收，它将流向下游，并被下游毛细血管加速。过去，人们普遍认为，毛细管小动脉侧的大部分渗漏在小静脉侧被吸收，多余的部分立即被淋巴管吸收。实际上，毛细血管并不总是靠近淋巴管，从毛细血管中渗出的液体量总是大于毛细血管吸收的液体量。因此，未被吸收的液体在被血液或淋巴管重新吸收之前会移动一段距离甚至很长距离。在以前的实验中观察到的长间隙轨迹可能实际上是间隙流体流动[16]. 注入穴位的示踪剂（Gd-DTPA）随着间质液体流动而流动。因此，观察经络上不同于血液和淋巴流的流动可能是间质液体流动[15].
4.2. 毛细血管的交错分布导致均匀的间隙流体速度
毛细血管的分布会影响间隙流体的速度分布。图2（a）显示了这种影响。在第一簇中，毛细管位于离-轴，从而使间隙流体速度远离-轴的增加速度比靠近-轴。相反，第二组中的毛细血管位于-轴附近的间隙流体速度-轴的增加速度比远离-轴。毛细血管交错分布，速度交替增加，速度趋于均匀，有利于物质交换。间质流体流动会影响细胞的生物活性。当组织血管化不良时，如韧带和肌腱，间质液体流动对新陈代谢比对血管化良好的组织更为重要。
4.3. 间质流体流动引起的剪切应力对细胞生物活性的影响
数值模拟表明，流动速度为10量级-6 米/秒，气流在肥大细胞表面产生几帕剪切应力。许多研究表明，微妙的流体力学环境在细胞增殖、分化、形成功能结构和释放化学介质的能力中起着重要作用[26,27]. 最近的研究表明，肿瘤组织间质流动影响免疫微环境[28]. 肿瘤的免疫微环境由多种细胞类型、细胞因子和基质成分组成，它们可以进一步吸引免疫细胞并引导其命运。Civelek等人首次提出直接证据，证明具有收缩表型的SMC在暴露于2D流体剪切应力时确实会收缩[29]. 研究表明，层流剪切应力（2D）和间质流（3D）均可诱导SMC收缩[30]. 这些研究为肌源性血流控制机制提供了一个不同的视角，肌源性血流量控制调节血流分布以响应血压变化。Wang发现细胞内Ca2+机械刺激后肥大细胞和介质立即释放增加[31]. 进一步研究表明，机械敏感性钙2+信道TRPV2可能参与此过程[32].
间质流动如何影响细胞生物活性的机制尚不清楚。人们一度普遍认为，流动引起的剪切应力是主要因素。进一步的研究表明，细胞膜相关受体、离子通道、细胞表面糖萼、整合素和信号信使都参与了这一过程。最近的一篇论文表明，细胞上的流体剪切应力相当小，而通过细胞表面糖萼的间质流所引起的固体应力要高得多[33]. 固体应力更有可能在调节细胞功能和行为方面发挥主要作用。然而，很难评估固体应力，因为这样做需要详细了解糖萼微观结构和细胞外基质特性。在本文中，我们没有关注通过细胞表面糖盏的间质流动引起的膜离子通道激活和固体应力的复杂机制。相反，我们只比较不同条件下肥大细胞表面的剪切应力。
4.4. 生理参数变化对
纵向渗透率和比值决定了.来自(9)，我们知道和是孔隙度的函数因此，影响事实上，较小的即，对是。在正常生理值下，与数值超出正常生理范围时相比，影响要小得多[19]. 增加血管内毛细血管压力或毛细血管通透性会增加因此，血液微循环可以影响间质细胞的生存状态，改变血液供应是调节间质液循环的有效方法。降低间隙压力也会增加这样做比改变血管内毛细血管压力的影响更大。
4.5. 中医治疗与针灸疗效
通过按摩和拔罐等传统中医疗法，可以通过周期性或负压作用于体表来改变间质压力[34]. 上述结果表明，间隙压力是影响间隙流动的主要因素因此，这些治疗与间质流量可能存在相关性。
针灸是一种将针插入特定部位（穴位）的治疗方法。当针头旋转、提起和推动时，胶原蛋白在针头上的缠绕改变了间质微环境[35,36]产生机械刺激。刺激导致局部肥大细胞脱颗粒，并释放生物介质，如组胺、P物质和白三烯C4，依此类推[14]. 这些介质可以进一步激活肥大细胞并刺激神经末梢，这可能导致“去气”（一种局部感觉沉重、麻木、酸痛或感觉异常，这被认为是针灸治疗的一个重要方面）。此外，这些介质在增加毛细血管通透性和增加间质流动方面具有强大的作用[24]. 增加的流量不仅增加了激活局部肥大细胞，但也会运输肥大细胞分泌的生物介质，以沿流动路径激活其他肥大细胞[2,37]. 总之，针刺过程中经络现象和经络沿线的“德气”感觉可能与间质流动密切相关。
鸣谢
本研究得到了国家自然科学基金（11202053）、上海市科学基金（12ZR1401100）和973项目（2012CB518502）的资助。
