A New Designed Two-Dimensional Bifurcation Parallel-Plate Flow Chamber

解决平行平板流槽每次实验只能观测壁面培养细胞受一种剪应力作用的问题。作者在平行平板流槽的基础上,首次提出了一种改进后的流槽--二维平板分叉流槽。通过数值模拟,给出了流体作定常流动时,流速和壁面剪应力的分布。结果发现,利用这种二维平板分叉流槽可以研究壁面培养的细胞在不同大小剪应力作用下的力学行为。该研究结果为流槽的合理设计和使用,并分析剪应力空间分布对内皮细胞的影响有重要实际意义。

Study of Interaction Force between Antigen and Antibody Using Flow Chamber Method

A parallel plate flow chamber was used to study the interaction force between human IgG (immobilized on a chip surface as ligand) and goat anti-human IgG (immobilized on microspheres surface as receptor). First, it was demonstrated that the binding force between the microspheres and the chip surface came from the bio-specific interaction between the antigen and the antibody. Secondly, it was obtained that the critical shear rate to detach microspheres from the chip surface increases with the ligand surface concentration. Finally, two models to estimate the antigen-antibody bond strength considering bonds' positions were proposed and analyzed.

Performance and mechanism of phosphorus removal in an integrated vertical flow constructed wetland treating eutrophic lake water

Phosphorus removal performance and a possible mechanism for the phosphorus removal from an eutrophic lake water were investigated using a medium-scale integrated vertical constructed wetland (combined vertical and reverse-vertical systems) from April, 11, 2001 to September, 28, 2004. Environmental factors affecting phosphorus removal and release profiles were monitored simultaneously under hydraulic loads from 400 to 2000 mm per day. The phosphorus removal rate varied with the environmental conditions. The removal rate for acidic influent water was superior to that for alkaline influent water. The substrate in the wetland chamber acted as a buffer to regulate the pH value of the water sample. As regards the water temperature, no significant differences were observed for the removal rate of total phosphorus (TP) and soluble reactive phosphorus (SRP) between low (lower than 15 degrees C) medium (16-25 degrees C) and high temperature (higher than 26 degrees C) conditions. Under a hydraulic load of 400 mm per day, the removal rate reached over 70%, the highest value achieved in this work. In addition, the highest hydraulic load of 2000 mm/d did not result in the lowest removal rate, as had been expected. After a two-year high hydraulic load test, the removal rate decreased significantly. Phosphorous release from the substrate was examined using a spatial sampling method. Depth profiles of total phosphorus and different states of phosphorus present in the substrate were recorded. This further study demonstrated that binding of phosphorus by iron and calcium might be another major factor in the removal and release of TP and SRP in this wetland system. The distribution of the speciated phosphorus showed that the amount of phosphorus captured in the substrate of the down-flow chamber was significantly higher than that captured in the up-flow chamber, suggesting that the up-flow chamber was the main source of phosphorus release in this constructed wetland.

剪切流动法研究表面固定化配基与目标分子的相互作用力

基于剪切流动腔技术,以微球作为受力载体,设计了一套可用于研究表面固定化配基与目标分子特异性相互作用力的实验和分析方法,并以人免疫球蛋白G (human IgG)和羊抗人免疫球蛋白G(goat anti-human IgG)分别作为模型配基和模型目标分子进行了研究.基于平面Poiseuille层流模型设计了流场参数,以数值计算结果验证了设计的合理性.使用牛血清白蛋白(BSA)作为非特异性对照,判断微球与基片表面的结合力来自配基和目标分子的生物特异性相互作用,并由进一步的目标分子灭活对比实验确认了这一结论.实验观察到微球与基片表面的结合力受到配基面密度的影响,说明发生结合的是多对而非单对蛋白质分子.将95%的微球被剥离时对应的壁面剪切率设定为临界剪切率,由大量实验结果拟合得到了临界剪切率与配基面密度间的定量关系.在受力分析模型中,考虑到多分子的结合,以及分子键位置不同造成的力臂长度的差异,最终计算得到单对配基与目标分子的平均结合力约为342pN.

Kinetic measurements of cell surface E-selectin/carbohydrate ligand interactions

Selectin/ligand interactions initiate the multistep adhesion and signaling cascades in the recruitment of leukocytes from circulation to inflamed tissues and may also play a role in tumor metastasis. Kinetic properties of these interactions are essential determinants governing blood-borne cells' tethering to and rolling on the vessel wall. Extending our recently developed micropipette method, we have measured the kinetic rates of E-selectin/ligand interactions. Red cells coated with an E-selectin construct were allowed to bind HL-60 or Colo-205 cells bearing carbohydrate ligands. Specific adhesions were observed to occur at isolated points, the frequency of which followed a Poisson distribution. These point attachments were formed at the same rate with both the HL-60 and Colo-205 cells (0.14 +/- 0.04 and 0.13 +/- 0.03 mum(2) s(-1) per unit density of E-selectin, respectively) but dissociated from the former at a rate twice as fast as did from the latter (0.92 +/- 0.23 and 0.44 +/- 0.10 s(-1), respectively). The reverse rates agree well with those measured by the flow chamber. The forward rates are orders of magnitude higher than those of Fc gamma receptors interacting with IgG measured under similar conditions, consistent with the rapid kinetics requirement for the function of E-selectin/ligand binding, which is to capture leukocytes on endothelial surfaces from flow.

Atomic force microscopy observations of the topography of regenerated silk fibroin aggregations

How fibroin molecules fold themselves and further self-assemble into aggregations with specific structures when the solution concentration increases is the key to understanding the natural silk-forming process of the silkworm. A regenerated Bombyx mori silk fibroin solution was prepared, and serially diluted solutions were coated on aminated coverslips. Atomic force microscopy (AFM) observations of the topography of fibroin molecules revealed a transformation from rodlike aggregations 100-200 nm long to small globules 50 mn in diameter with decreasing concentrations. When the incubation duration increased, the aggregations of fibroin molecules showed a self-assembling process, which was measured with AFM. In particular, after the molecules were incubated for more than 20 min, rodlike micelles formed and were distributed evenly on the surface of the aminated slides. Flow chamber technology was used to study the effect of the shear loading on the topography of the fibroin molecular aggregations. After a shear loading was applied, larger rodlike particles formed at a higher incubation concentration in comparison with those at a lower concentration and were obviously oriented along the direction of fluid flow.

一种新的二维平板分叉流槽的设计

目的 解决平行平板流槽每次实验只能观测壁面培养细胞受一种剪应力作用的问题。方法 作者在平行平板流槽的基础上，首次提出了一种改进后的流槽-二维平板分叉流槽。通过数值模拟，给出了流体作定常流动时，流速和壁面剪应力的分布。结果 结果发现，利用这种二维平板分流槽可以研究壁面培养的细胞在不同大小剪应力作用下的力学行为。结论 该研究结果为流槽的合理设计和使用，并分析剪应力空间分布对内皮细胞的影响有重要实际意义。

T型分叉流槽中前列环素和内皮素分泌的研究

动脉粥样硬化（atherosclerosis）的非随机分布与当地的血流动力环境有关，借助平行平板式平直流槽和以T型分叉流槽为代表的平行平板式异型流槽，可以模拟血管的主要形状特征，首,先在数值模拟的基础上分布了流型特征参数，确定了流的设计尺寸。然后，通过实验研究，探讨流型改变对内皮细胞血管活性物质分泌的影响，发现扩张效应流线偏转和驻点效应使得异型流槽前列环素和内定素的沁泌水平与相同入口雷诺数（Re）条件下的平直流槽分别有降低趋势和显著差异。为进一步研究流型对血管内皮细胞的影响提供了实验数据。

突然扩张流槽中血管内皮细胞表面粘附蛋白表达的研究

动脉粥样硬化的非随机分布与当地的血流动力环境有关，为了研究复杂的流体动力学条件对血和皮细胞生理功能的影响，构建了平行板式平直流槽和突然扩张流槽，通过数值模拟分析了流型的特征，并探讨流型改变对人脐静脉血管内皮细胞表面粘附蛋白表达的影响，发现突然扩张流槽中流动的空间变化使得总体细胞表面粘附蛋白ICAM-1的表达显著高于平直流槽中的均匀定常剪切作用，表明局部流动空间变化的性质可以影响血管内皮细胞的功能。

异形流动腔的数值分析和设计优化

动脉粥样硬化的非随机发生与当地的流体动力环境有关。完全模拟体内血流动力学环境是不可能的。我们的思路是将复杂的血管形态，分解成若干几何因素，尽可能地研究某一几何因素对流场和血管内皮细胞生长的影响。在体外实验中，为了便于在线观测，主要采用流动腔（Flow Chamber）技术。不同于国内外己有的研究，我们主要研究几何因素引起的流型的改变及其对血管内皮细胞生长的影响。本论文主要是用数值方法来研究五种几何因素（扩张、弯曲、驻点、分叉和后向台阶）引起的流型特征。分析各参数的影响，进而优化设计。为在体外进行血管内皮细胞培养实验，研究不同流场条件下由于几何形状改变引起的流场特性改变对内皮细胞生长的影响，提供理论依据。

Avaliação da eficácia da desinfecção de instrumentos usados durante o período transoperatório do tratamento endodôntico

Esta investigação objetivou a eficácia antimicrobiana de agentes desinfetantes utilizados na desinfecção dos instrumentos endodônticos, durante o período transoperatório do tratamento endodôntico. A atividade antimicrobiana dos desinfetantes álcool isopropílico, acetona e ácido peracético (PAA) foi avaliada sobre microrganismos planctônicos através de teste de contato (time kill assay), utilizando inóculo de 9,9 X 109 a 1,2 X 1012 unidades formadoras de colônia (UFC) e por determinação da concentração bactericida mínima (CBM), usando inóculo de aproximadamente 106 UFC. Os agentes químicos também foram avaliados sobre Enterococcus faecalis (E. faecalis) ATCC 29212 cultivada em matriz de dentina (ex vivo) visando a formação de biofilme. O biofilme (organismos sésseis) microbiano foi removido com limas tipo Kerr (LK), até as lâminas estarem visualmente preenchidas. As LK contaminadas foram usadas como carreadores (logo após a contaminação ou secas dentro de uma câmara de fluxo laminar por 10 minutos). As LK carreadoras foram imersas em álcool isopropílico ou acetona ambos a 80%, ou em Ácido peracético 2%, por 30 ou 60 segundos. As limas foram posteriormente colocadas em tubos de ensaio contendo caldo Enterococcosel para observar o crescimento dos enterococos viáveis. Depois, os experimentos in vivo foram realizados com LK contaminadas por material necrótico pulpar da região cervical de dentes indicados para tratamento endodôntico. As LK contaminadas foram imersas, por 30 ou 60 segundos, em 80% de acetona ou 80% de álcool isopropílico ou 2% de PAA. As limas foram então inoculadas em tubos de ensaio contendo meio tioglicolato. Os organismos que cresceram, foram identificados após o tratamento com PAA. A corrosão mediada pelos agentes químicos também foi testada, após a incubação de LK de aço inoxidável e de NiTi por 60 minutos, medindo o peso das LK antes e depois da imersão e por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Todos os agentes químicos foram capazes de eliminar ou reduzir a viabilidade das bactérias de espécies planctônicas Gram-negativas e Gram-positivas, embora a atividade dos produtos químicos sobre E. faecalis sésseis em testes de carreadores de LK demonstrou que o álcool isopropílico ou acetona foram incapazes de eliminar a contaminação bacteriana, especialmente, quando as limas foram secas previamente à exposição aos produtos químicos, por 15 ou 30 segundos. O PAA demonstrou a melhor atividade antimicrobiana e eliminou a viabilidade das células sésseis E. faecalis de ambas as limas endodônticas tipo K úmidas ou secas, após exposição por 15 segundos (100% de eliminação). Os experimentos desenvolvidos in vivo demonstraram que o PAA foi o agente mais eficaz (p<0,05), capaz de eliminar a viabilidade dos organismos em 92% das LK imersas depois de 60 segundos, quando comparado com acetona (64%) ou com álcool isopropílico (50%). O crescimento microbiano após o contato com o PAA demonstrou que somente o grupo dos Lactobacillus sp foi resistente a essa substância química. Os agentes químicos não demonstraram ser corrosivos, após a imersão por 1 hora, tanto por pesagem quanto por MEV. Foi observado que o PAA foi o agente mais eficaz para ser utilizado como desinfetante de instrumentos, durante o período transoperatório do tratamento endodôntico.

Enzymatic activities in constructed wetlands and di-n-butyl phthalate (DBP) biodegradation

The bioaccumulation of phthalate acid esters (PAEs) from industrial products and their mutagenic action has been suggested to be a potential threat to human health. The effects of the most frequently identified PAE, Di-n-butyl phthalate (DBP), and its biodegradation, were examined by comparison of two small scale plots (SSP) of integrated vertical-flow constructed wetlands. The influent DBP concentration was 9.84 mg l(-1) in the treatment plot and the control plot received no DBP. Soil enzymatic activities of dehydrogenase, catalase, protease, phosphatase, urease, cellulase, beta-glucosidase, were measured in the two SSP after DBP application for 1 month and 2 months, and 1 month after the final application. Both treatment and control had significantly higher enzyme activity in the surface soil than in the subsurface soil (P < 0.001) and greater enzyme activity in the down-flow chamber than in the up-flow chamber (P < 0.05). In the constructed wetlands, DBP enhanced the activities of dehydrogenase, catalase, protease, phosphatase and inhibited the activities of urease, cellulase and beta-glucosidase. However, urease, cellulase, beta-glucosidase activities were restored 1 month following the final DBP addition. Degradation of DBP was greater in the surface soil and was reduced in sterile soil, indicating that this process may be mediated by aerobic microorgansims. DBP degradation fitted a first-order model, and the kinetic equation showed that the rate constant was 0.50 and 0.17 d(-1), the half-life was 1.39 and 4.02 d, and the r(2) was 0.99 and 0.98, in surface and subsurface soil, respectively. These results indicate that constructed wetlands are able to biodegrade organic PA-Es such as DBP. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Xenobiotics removal from polluted water by a multifunctional constructed wetland

Removal efficiencies on xenobiotics from polluted water in a twin-shaped constructed wetland consisting of a vertical flow chamber with the crop plant Colocasia esculenta L. Schott and a reverse vertical flow one with Ischaemum aristatum var. glaucum Honda, were assessed by chemical analysis and bioassays. After a four-month period of application, removal efficiencies of the applied pesticides parathion and omethoate were 100%, with no detectable parathion and omethoate in the effluent. For the applied herbicides, the decontamination was less efficient with removal efficiencies of 36% and 0% for 4-chloro-2-methyl-phenoxyacetic acid and dicamba, respectively. As shown by toxicity assay with duckweed Lemna minor L., growth retardation may occur if the water treated for herbicide removal is used in irrigation of sensitive cultivars in agriculture or horticulture. In contrast to I. aristatum var. glaucum Honda, the crop C esculenta L. Schott has a high yield in biomass production as a valuable source of renewable energy. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Étude de la mécanotransduction dans la scoliose idiopathique de l’adolescence (SIA)

À ce jour, la scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est la déformation rachidienne la plus commune parmi les enfants. Il est bien connu dans le domaine de recherche sur la SIA que les forces mécaniques, en particulier les forces biomécaniques internes dans le système musculosquelettique, pourraient jouer un rôle majeur dans l’initiation et le développement de la maladie. Cependant, les connaissances sur la transformation des forces et des stimulations mécaniques en activité biochimique sont peu abondantes. Cet axe de recherche est très prometteur et peut nous fournir de nouvelles idées dans le dépistage et le traitement de la SIA. Dans le cadre de cette étude, nous visons à caractériser la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA en employant des techniques novatrices aux niveaux in vivo et in vitro. Antérieurement dans notre laboratoire, nous avons démontré que les niveaux d’Ostéopontine (OPN) plasmatique chez l’humain corrèlent avec la progression et la sévérité de la maladie, et que ces changements sont observables avant le début de la scoliose. En plus, selon la littérature, l’OPN est une molécule sensible à la force mécanique, dont l’expression augmente en réponse dans de nombreux types de cellules chez plusieurs espèces. Toutefois, il n’existe aucune preuve que ce résultat soit valide in vivo chez l’humain. L’hétérogénéité physique et biochimique de la SIA pose un gros défi aux chercheurs. Souvent, il est très difficile de trouver des résultats ayant une grande applicabilité. Les études portant sur les facteurs biomécaniques ne font pas exception à cette tendance. En dépit de tout cela, nous croyons qu’une approche basée sur l’observation des contraintes de cisaillement présentes dans le système musculosquelettique pourrait aider à surmonter ces difficultés. Les contraintes de cisaillement physiologique sont générées par des courants de fluide en mouvement à l’intérieur des os. Aussi, elles sont omniprésentes et universelles chez l’humain, peu importe l’âge, le sexe, la condition physique, etc., ce qui veut dire que l’étudier pourrait fort bien avancer nos connaissances en formant une base fondamentale avec laquelle on pourra mieux comprendre les différences quant à la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA par rapport aux sujets sains. Pour ce projet, donc, nous proposons l’hypothèse que les sujets atteints de la SIA se différencient par leurs réponses respectives à la force mécanique au niveau cellulaire (en termes de l’expression génique) ainsi qu’au niveau in vivo (en termes du marqueur OPN et son récepteur, sCD44). Afin de vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant l’aspect in vivo, nous avons recruté une cohorte de patients âgés de 9-17 ans, y compris i) des cas pré-chirurgicaux (angle de Cobb > 45°), ii) des cas modérément atteints (angle de Cobb 10-44°), iii) des témoins, et iv) des enfants asymptomatiques à risque de développer la scoliose (selon nos dépistages biochimiques et fonctionnels) d’âge et sexe appariés. Une pression pulsatile et dynamique avec une amplitude variant de 0-4 psi à 0.006 Hz a été appliquée à un des bras de chacun de nos sujets pour une durée de 90 minutes. Au tout début et à chaque intervalle de 30 minutes après l’initiation de la pression, un échantillon de sang a été prélevé, pour pouvoir surveiller les niveaux d’OPN et de sCD44 circulants chez les sujets. Nous avons découvert que le changement des niveaux d’OPN plasmatique, mais pas des niveaux de sCD44, corrélaient avec la sévérité de la difformité rachidienne chez les sujets, ceux ayant une courbe plus prononcée démontrant une ampleur de réponse moins élevée. Pour vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant la réponse mécanotransductive cellulaire, des ostéoblastes prélevées à 12 sujets ont été mis en culture pour utilisation avec notre appareil (le soi-disant « parallel plate flow chamber »), qui sert à fournir aux ostéoblastes le niveau de contraintes de cisaillement désiré, de manière contrôlée et prévisible. Les sujets étaient tous femelles, âgées de 11-17 ans ; les patients ayant déjà une scoliose possédaient une courbe diagnostiquée comme « double courbe majeure ». Une contrainte fluidique de cisaillement à 2 Pa, 0.5 Hz a été appliquée à chaque échantillon ostéoblastique pour une durée de 90 minutes. Les changements apportés à l’expression génique ont été mesurés et quantifiés par micropuce et qRT-PCR. En réponse à notre stimulation, nous avons trouvé qu’il n’y avait que quelques gènes étant soit différentiellement exprimés, soit inchangés statistiquement dans tous les groupes expérimentaux atteints, en exhibant simultanément la condition contraire chez les témoins. Ces résultats mettent en évidence la grande diversité de la réponse mécanotransductive chez les patients comparés aux contrôles, ainsi qu’entre les sous-groupes fonctionnels de la SIA. Globalement, cette œuvre pourrait contribuer au développement d’outils diagnostiques innovateurs pour identifier les enfants asymptomatiques à risque de développer une scoliose, et évaluer le risque de progression des patients en ayant une déjà. Aussi, dans les années à venir, les profils mécanotransductifs des patients pourraient s’avérer un facteur crucial à considérer cliniquement, particulièrement en concevant ou personnalisant des plans de traitements pour des personnes atteintes.

Réduction d'expansion volumique au cours de la gestation : conséquence sur la circulation utéro-placentaire.

La grossesse est caractérisée par une augmentation du volume circulant maternel et du débit sanguin afin de subvenir aux besoins croissants du foetus. En diminuant l'expansion volumique maternelle, nous avons développé un modèle de restriction de croissance intra-utérine (RCIU) chez la rate dans lequel on observe une diminution du diamètre des artères utérines arquées ainsi qu'une diminution de la réponse à l'angiotensine II. Nous avons émis l'hypothèse que comparativement aux rates normales, les vaisseaux utérins des rates RCIU présentent une dysfonction des mécanismes de relaxation dépendant de l'endothélium lors de la réponse à des agents vasoactifs. Notre objectif était de caractériser l'influence de l'endothélium sur la régulation de la réactivité des artères utérines radiales dans notre modèle RCIU. À l'aide d'un myographe pressurisé, des courbes de concentration-réponse à des agents vasoactifs (Phényléphrine (Pe), Carbachol (Cbc) et Nitroprussiate de sodium (SNP)) ont été effectuées, en présence ou en absence d'inhibiteurs des voies principales de la relaxation dépendante de l'endothélium (monoxyde d'azote (NO), prostacycline (PGI2) et facteurs hyperpolarisants dépendant de l'endothélium (EDHF)). Nous avons ainsi démontré que les artères utérines radiales des rates RCIU ont un diamètre plus petit que celles des rates contrôles. Une utilisation plus grande du NO dans la réponse dilatatrice au Cbc a été observée chez les rates RCIU. De plus, l'inhibition de la voie de l'EDHF par l'ajout de KCl aux inhibiteurs de la voie du NO (L-NAME) et des PGI2 (Ibuprofène) bloque presque complètement la relaxation au Cbc chez les deux groupes. En conclusion, dans les artères utérines radiales des deux groupes, il y a une participation importante de l'EDHF lors de la dilatation au Cbc. De plus, dans notre modèle RCIU, la voie du NO est activée, probablement afin de compenser la diminution du diamètre des artères et la réduction de la perfusion utérine.