基于细胞膜应力状态的红细胞机械损伤研究

论文摘要

本文以细胞膜的应力状态为切入点,针对流动所引发的红细胞机械损伤开展了相关研究。首先对红细胞进行了数学建模,采用有限元法对红细胞的运动进行了数值模拟研究,验证了红细胞模型,并确定了细胞膜参考状态等参数;采用浸没边界法实现了细胞膜与流体之间相互作用的耦合,并提出了一种保证细胞体积守恒的显式算法。其次,采用上述红细胞模型和数值方法,研究了纯剪切流和平面拉伸流中的红细胞运动规律以及细胞膜应力状态,揭示了流体正应力和切应力对红细胞损伤的影响,并指出了现有文献中标量剪切应力的局限性。针对复杂流场中的红细胞损伤,建立了红细胞体外剪切实验系统,定性研究了流体正应力和切应力共同作用时的红细胞形状及损伤情况。最后,建立了包含细胞膜拉应力微分方程、血红蛋白流失微分方程、以及宏观血流动力学方程的多尺度模型,采用湍动能耗散率描述湍流对红细胞的影响,并通过数值模拟比较了多尺度模型和指数模型对红细胞损伤的评价结果,验证了模型的有效性。论文的主要研究工作如下:(1)红细胞建模及细胞膜参考形状研究采用连续介质模型建立了红细胞的数学模型,给出了细胞膜参考状态的参数化表达。采用有限元法实现了红细胞运动的数值模拟,包括膜单元的离散、动量方程及其弱形式、以及有限元法的空间和时间离散。在此基础上,模拟了红细胞的静止形状、光镊拉伸实验、以及形状记忆特性,并且系统地研究了细胞膜参考状态的影响。通过与现有文献中的实验和数值模拟结果的对比,验证了红细胞数学模型和数值模拟方法的正确性,并且确认了后续研究中所采用的细胞膜参考状态,为接下来的研究确立了基础。(2)体积守恒的浸没边界法研究在原始的浸没边界法的基础上,提出了一种通过沿细胞膜的法向修正拉格朗日网格点的位置来保证细胞体积守恒的显式算法。采用多个算例对算法进行了验证,如球形细胞的被动流动和剪切流动,并且与现有文献中的算法进行对比。结果表明,本文提出的显式体积守恒算法在保证精度的前提下,计算效率也有了一定提高。此外,采用该算法初步模拟了红细胞在剪切流中的运动,成功再现了文献中观测到的三叶形和四叶形红细胞,进一步证明了算法的正确性和必要性。(3)强流体应力下的红细胞运动研究基于本文建立的红细胞模型和数值方法,对纯剪切流和平面拉伸流中的红细胞运动规律以及细胞膜应力状态进行了研究。结果表明,随着流体应力的增大,红细胞会被逐渐拉伸,并趋向于某一极限形状。在拉伸的过程中,细胞膜的拉应力和剪应力也会随之增大,当大于临界拉应力或屈服应力时,有可能会引起细胞膜从中部破裂或屈服。在流体的标量剪切应力相同的情况下,平面拉伸流比纯剪切流更容易引起细胞膜的破裂损伤。上述研究还指出,现有文献中的标量剪切应力不能反映细胞膜的应力状态,因此不适合作为红细胞损伤的评价指标。此外,采用正弦剪切流初步研究了湍流对红细胞的影响,指出当湍动频率低于细胞膜的弹性特征频率时,细胞膜才能对湍流做出完整的响应。(4)红细胞体外剪切实验研究建立了一种观测复杂流场中红细胞运动损伤情况的实验系统,采用转子叶轮实现空间变化的流场,通过在加载或卸载时固化红细胞的方式实现红细胞运动状态的观测。实验结果显示,随着转速的上升,红细胞被逐渐拉伸;而在卸载后,红细胞并不能在短时间内恢复正常状态,出现了皱缩的现象。进一步的数值模拟研究表明,剪切流场内的流体应力由湍流应力主导,进而引起了红细胞的损伤;红细胞的形状是流体正应力和切应力共同作用的结果,且在正应力与切应力的数量级相同时,正应力的影响更为显著。(5)红细胞损伤的多尺度模型研究提出了一种基于细胞膜拉应力和血红蛋白流失过程的多尺度模型,用于评价流动引起的红细胞机械损伤。在细胞尺度,建立了细胞膜拉应力微分方程,用于描述流动对细胞膜的作用;将红细胞内血红蛋白的流失过程分为扩散溶血和破裂溶血,分别建立了扩散方程。在宏观尺度,采用拉格朗日法或欧拉法求解血浆中的血红蛋白浓度,并采用湍动能耗散率来描述湍流对细胞膜拉应力的影响。在上述模型的基础上,采用数值模拟结果拟合了细胞膜拉应力微分方程的参数,采用指数模型拟合了血红蛋白流失方程的参数。随后通过数值模拟比较了多尺度模型和指数模型对溶血值的预测,结果表明多尺度模型能更准确地预测红细胞损伤以及溶血的过程。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 勾哲

导师: 阮晓东

关键词: 红细胞,浸没边界法,细胞膜应力状态,数值模拟,多尺度模型

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 浙江大学

分类号: Q241

总页数: 140

文件大小: 14585K

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