综述：剪切应力诱导生物系统中的旋流现象

这篇综述深入探讨了生物系统中剪切应力驱动的旋流（swirling motion）现象，指出其普遍存在于滑液、血液、黏液、细胞骨架及多细胞系统中，并强调其受黏弹性（viscoelasticity）、各向异性（anisotropy）和非均匀流动等特性影响。作者整合实验与模型，提出升力（lift force）和法向应力差（normal stress differences）是旋流产生的关键物理因素，为理解生理/病理过程（如癌症转移、组织稳态）提供了新视角。

　　

剪切应力诱导生物系统中的旋流现象

Abstract

旋流运动是影响生物过程的核心现象，从亚细胞组分混合到多细胞集体迁移均与其相关。滑液、血液、黏液等系统虽结构迥异，却均表现出旋流行为，其共性包括密度/应力分布不均、黏弹性、各向异性及非均匀流动模式。本文通过整合实验与模型，揭示剪切应力通过升力和法向应力差驱动旋流的物理机制。

Introduction

剪切应力在低至中等雷诺数（Re）下通过直接（剪切扭矩）或间接（改变升力、法向应力差）方式触发旋流。生物系统的黏弹性（能量存储/耗散）、应力不均性和各向异性共同促成了这一现象。例如：

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  滑液：关节腔内的旋流促进无血管软骨的营养输送（Mow et al., 1984）；

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  血液：血管几何形状与脉动流协同产生二次流（Saqr et al., 2020）；

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  黏液：纤毛运动形成的旋流可抗菌或助长细菌（Khelloufi et al., 2018）；

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  细胞骨架：肌球蛋白（myosin）等分子马达驱动胞内组分运输（Stein et al., 2021）；

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  上皮/癌细胞：集体迁移产生数十帕（Pa）级剪切应力，旋流可减轻细胞损伤（Pajic-Lijakovic et al., 2023a）。

低雷诺数湍流与旋流

非均匀流动引发低Re湍流，导致流动失稳并产生旋流（Amini et al., 2014）。例如聚合物溶液的库埃特流（Couette flow）中，径向链拉伸导致局部硬化，扰动主流并形成涡旋。

旋流的物理驱动因素

升力（F_L∝ρv²）和法向应力差（N₁-N₂）是量化旋流强度的关键参数。各向异性重组（如细胞簇变形）会打破对称性，而应力梯度（?σ）进一步加剧涡旋形成（Pajic-Lijakovic et al., 2024a）。

Conclusion

旋流通过降低剪切应力暴露保护细胞，同时促进营养运输和组织修复。未来研究需聚焦跨尺度模型，以统一解释从分子到组织水平的旋流动力学。