血流剪切應力，是血流與血管壁摩擦產生的平行與管壁表面的切線應力。其大小取決于血液濃度、血流量及血管內徑。

內皮細胞（EC）緊密排列在血管的管壁表面，它們時刻受著血流剪切應力的影響，并根據其在血管中不同位置對血流剪切應力作出不同基因表達反應。脈動剪切應力 （PS） 多存在于層流中，主要位于直向血管區域，而渦旋擾動或振蕩剪切應力 （OS） 則多出現于血管分支口或彎曲處。

在動脈分支口或者彎曲處，血流由穩定的層流變為渦流或振蕩流，剪切應力明顯降低且方向改變。內皮功能障礙的局灶性分布對應于OS存在的區域，而內皮正常穩態則維持在PS存在的區域中，所以動脈粥樣硬化多發生于動脈分支口處、動脈彎曲及狹窄處，這些研究已成為血管疾病（如動脈粥樣硬化）的研究重點。

血流剪切應力是造成動脈粥樣硬化病變非隨機灶性分布的主要因素，許多研究顯示血流剪切應力通過調控內皮細胞的基因表型來影響血管內皮結構與功能，從而影響動脈粥樣硬化病變的發展。

有研究發現，在動脈血管分支處或者彎曲處這些好發動脈粥樣硬化部位的剪切應力一般為4dyne/cm^2，而不好發動脈粥樣硬化部位的剪切應力通常大于12dyne/cm^2。

在正常生理動脈血流剪切應力（>15dyne/cm^2）作用下，血管內皮細胞排列成梭形且其長軸與血流方向一致；當血流剪切應力較低（<4dyne/cm^2）的情況下，內皮細胞則會呈現排列不規則的多角型，分泌內皮素、炎癥介質等因子，使內皮細胞損傷，呈現動脈粥樣硬化表型。

還有許多研究表明，內皮細胞會對局部機械信號（如剪切應力）作出反應，并與源自整個生物體的生理刺激協同作用。血管和亞血管區域協調細胞反應的現象，涉及許多疾病研究，例如肺動脈高壓，阿爾茨海默病，血管性癡呆和胰腺癌等。

現代醫學、生物學對于血流剪切應力的研究多借助了微流體技術，在器官芯片中模擬血管，通過微流控系統控制液體流速等因素來研究剪切應力對于細胞表達的作用。

下圖顯示的是通過ExiGo泵和生物芯片組成的微流控系統來模擬血管中的脈動剪切應力：

1、首先，將注射器裝入ExiGo泵中。注射器規格可選范圍從100微升到5毫升。

2、然后，ExiGo泵可以通過其控制軟件SmartFlo軟件進行控制。可以在電腦軟件上自定義剪切應力和流速模式并自動執行流動過程，還可以實時監測流體情況。

3、接下來，注射器中的樣品會通過流量傳感器輸送，該傳感器將檢測剪切應力和流速情況，并可根據實驗實際需求進行調整。

4、樣品之后會通過微流體芯片（器官芯片），在芯片里樣品可以在內皮細胞上流動作用。流動模式可選，例如振蕩流動模式、勻速流動等。

5、芯片之后需連接一個儲液容器，用來收集從微流體芯片流出的廢液。

6、當注射器中的樣品液排空時，泵會通過連接到培養基容器的歧管器切換閥門并從儲液瓶中抽取補充樣品溶液。這可以擴展注射器的容量，并可長時間地連續進行實驗。

審核編輯 黃昊宇