?? 一、Kilby Gravity 微超重力三維細胞培養系統，研究背景與意義

1.1 研究背景

隨著太空探索和人類航天任務的增加，微重力環境對人體生理功能的影響成為重要研究方向。已有研究發現，宇航員在太空中會出現：

• 骨質流失

• 肌肉

• 血漿容量減少

• 免疫功能障礙（如白細胞減少、NK細胞活性下降等）

白細胞（WBC）是人體免疫系統的重要組成部分，其運輸依賴于血液和淋巴流。在微重力環境中，由于缺乏沉降和對流，WBC的行為可能發生改變，進而影響免疫功能。

【北京基爾比-微重力培養系統：實驗室安裝培訓】

1.2 研究目的

本研究旨在通過計算建模（使用耗散粒子動力學 DPD 方法），模擬WBC在不同重力條件下的行為，揭示其形態、空間分布、受力等方面的變化，從而幫助理解免疫功能障礙的物理機制。

?? 二、研究方法

2.1 模擬方法：耗散粒子動力學（DPD）

DPD 是一種介觀尺度的模擬方法，適用于模擬流體與柔性顆粒（如細胞）之間的相互作用。模型中將WBC簡化為由100個粒子組成的環形結構，模擬其膜、細胞質等特性。

模擬中施加了從 0g（微重力）到 2g（超重力）的重力參數。

2.2 模擬參數

• 模擬溫度：310K（人體正常體溫）

• 時間步長：0.001，總模擬時間：150秒（物理時間）

• 模擬區域：202.5rc × 20rc（rc為截斷半徑）

• 粒子總數：約16,000個

• 重力施加方向：垂直方向（y軸）

?? 三、主要研究結果

3.1 細胞形態變化

通過以下指標量化細胞形態變化：

• 伸長指數（Elongation Index, EI）

• 變形指數（Deformation Index, DI）

• 俯仰角（Pitch Angle）

• 歸一化質心位置（YCoM）

結果：

隨著重力增加，WBC的質心位置下移，細胞更靠近血管壁。

微重力下，細胞傾向于懸浮在通道。

統計檢驗（Mann–Whitney U檢驗）顯示，重力變化對細胞形態和位置有顯著影響（p < 0.001）。

3.2 細胞受力分析

分析了細胞所受的三種主要力：

• 阻力（Drag Force）

• 剪切應力（Shear Stress）

• 總力（Total Force）

結果：

隨著重力增加，細胞所受的阻力、剪切力和總力均顯著減小。在微重力（0g）下，這些力達到值。說明重力對細胞運動有抑制作用，重力越大，細胞速度越慢，受力越小。

3.3 無量綱數分析

引入四個無量綱數來分析系統中不同力的主導作用：

• Galileo數（Ga）：重力與粘性力之比

• Ohnesorge數（Oh）：粘性力與表面張力之比

• Weber數（We）：慣性力與表面張力之比

• Bond數（Bo）：重力與表面張力之比

結果：

Oh、We、Ga 隨重力增加而減小，Bond數隨重力增加而增加

表明在微重力環境中，毛細力和表面張力對細胞行為的影響更為顯著

3.4 白細胞與紅細胞對比

• RBC（紅細胞）比WBC更柔軟，無細胞核，變形能力更強。

• 在0g條件下，RBC的伸長和變形指數均高于WBC。

• WBC在微重力下面積減小，RBC面積增加，顯示出不同的響應機制。

?? 四、結論與展望

4.1 研究結論

• 白細胞在不同重力條件下表現出明顯的形態和空間分布變化。

• 重力增加會抑制細胞運動，減少其所受流體動力。

• 微重力下，毛細力和表面張力主導細胞行為。

• 細胞剛度影響其對重力的響應，剛度越大，變化越小。

4.2 研究意義&未來方向

為理解太空中免疫功能下降提供了物理機制支持。為將來太空醫學、微流控芯片設計、航天器生命保障系統提供理論依據。

拓展模型至三維空間，模擬更多細胞類型和數量。結合實驗數據，進一步驗證模型預測。探索細胞骨架、信號傳導等分子機制對重力響應的影響。

?? 五、附加信息

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