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不同的圓錐角度和旋轉(zhuǎn)速度對于轉(zhuǎn)盤間的流場的影響-生物科學(xué)

血管內(nèi)層細(xì)胞（Vascular Endothelial Cell）位于血管之

內(nèi)層并作為血管之內(nèi)襯而與血液接觸，血液流動(dòng)所產(chǎn)生

之剪應(yīng)力即直接作用于血管內(nèi)層細(xì)胞。于人體之動(dòng)脈中，

作用于血管內(nèi)層細(xì)胞之剪應(yīng)力，在一般狀況下為 2~20

dynes cm [3]，而在特殊部位如管分叉或高曲度彎管之外

側(cè)，剪應(yīng)力可高至 100

dynes cm 。于[4] ~ [8]中均有針對

剪應(yīng)力對血管內(nèi)層細(xì)胞之影響作過研究，他們發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)

層細(xì)胞在受到固定之剪應(yīng)力作用一段時(shí)間后，其完整性、

外形變化、再生性或生化活動(dòng)均有明顯的不同。Niklason, et

al.[9]以管流方式進(jìn)行血管細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，由其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可

知血管細(xì)胞經(jīng)五週及八週剪應(yīng)力作用后之成長現(xiàn)象

進(jìn)行血管細(xì)胞培養(yǎng)將造成血管細(xì)胞除受剪應(yīng)力影

響外，另會(huì)有垂直正向之壓力作用，故無法針對剪應(yīng)力對

血管內(nèi)層細(xì)胞之影響作深入研究。而圓錐-平板黏度計(jì)裝置

具備精確量測流體黏度之優(yōu)點(diǎn)，其亦可由控制圓錐之轉(zhuǎn)速

以調(diào)整流體對底部平板所產(chǎn)生之剪應(yīng)力大小，故設(shè)計(jì)類似

于圓錐-平板裝置以分析剪應(yīng)力對血管細(xì)胞作用后之影

響，將較以管流方式進(jìn)行血管細(xì)胞培養(yǎng)之實(shí)驗(yàn)更具有定量

分析之研究價(jià)值，故其亦可作為研究血管內(nèi)層細(xì)胞在受固

定流體剪應(yīng)力作用下會(huì)有何反應(yīng)之主要設(shè)備[10] ~ [14]。

本研究即欲以數(shù)值模擬方式研究位于旋轉(zhuǎn)圓錐與固定

平板間流體之運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并以不同圓錐角度及不同之旋轉(zhuǎn)

速度研究近似于血液之流體作用于固定平板上之剪應(yīng)力變

化，藉此評估此具產(chǎn)生剪應(yīng)力功能圓錐-平板裝置之性能及

設(shè)計(jì)參數(shù)，以作為設(shè)計(jì)、制作具不同圓錐角度及不同剪應(yīng)

力模式功能之圓錐-平板裝置之重要基礎(chǔ)

旋轉(zhuǎn)圓盤系統(tǒng)之研究可朔自 1921 年 Von Karman [15]

之研究，雖然其外型結(jié)構(gòu)簡單，但因兩轉(zhuǎn)盤間因旋轉(zhuǎn)而使

其內(nèi)部流場受科氏力與離心力之作用，此即造成流體以曲

徑運(yùn)動(dòng)及產(chǎn)生複雜之非線性流動(dòng)現(xiàn)象，此即造成旋轉(zhuǎn)平板

與固定平板間所產(chǎn)生之剪應(yīng)力會(huì)隨著不同位置而有所不

同。但如將上方帶動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)之圓盤改為圓錐時(shí)，圓錐之

角度變化則成為另一改變流場之變數(shù)。當(dāng)角度很小時(shí)，于

旋轉(zhuǎn)圓錐與靜止平板間流體之流動(dòng)乃處于線性之狀態(tài)而造

成作用于平板上之剪應(yīng)力為一定值，此可應(yīng)用于血管內(nèi)層

細(xì)胞或血管組織之研究，使血管內(nèi)層細(xì)胞或血管組織受固

定剪應(yīng)力作用一段時(shí)間后觀察其所發(fā)生之變化。

藉由數(shù)值模擬方法可了解并研析複雜之三維旋轉(zhuǎn)流

場，并可研究不同之圓錐角度和旋轉(zhuǎn)速度對于轉(zhuǎn)盤間的流

場之影響。圖 1 所示即為旋轉(zhuǎn)圓錐與固定平板之裝置設(shè)計(jì)

及其流場之物理模式示意圖，下方平板部分即可于一適當(dāng)

位置放置培養(yǎng)皿及所欲培養(yǎng)之細(xì)胞。因藉由圓錐旋轉(zhuǎn)變化

可產(chǎn)生符合于生理情況之剪應(yīng)力大小變化

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