基于细胞膜应力状态的红细胞机械损伤研究

发布时间：2021-01-13 09:37

　　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... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：140 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

泵内血栓

??弹性网络模型将细胞膜离散为一系列质点，质点之间采用弹簧结构连接，形成二维的??三角形网格１５８？］，如图１－４所示。为了模拟细胞膜的粘弹性，可以将质点之间的弹簧结构??替换为弹簧阻尼结构。细胞膜的抗弯特性体现为弹簧网络之间的夹角变化。此外，有的弹??性网络模型还包含了红细胞表面积和体积守恒约束，反映了细胞膜磷脂双分子层的近似不??可压缩性和细胞质的不可压缩流体特性。弹性网络模型可以认为是细胞膜分子结构的粗化，??细胞膜的弹性由弹簧的应力应变关系决定，在实际应用中可以采用实验测得的红细胞宏观??特性来确定弹性网络的模型参数ＭＩ。??（ａ）三角形网络结构?（ｂ）弹簧网络示意图??图１－４红细胞弹性网络模型示意图【６Ｇ】??除了上述红细胞模型之外，也有研究人员提出了简化的红细胞模型，保留了红细胞的??某些特性的同时提高了计算效率。Ｐａｎ等１６４】采用１０个相连的胶体粒子组成了红细胞的简??８??

首先将正二十面体的顶点投影到与红细胞表面积相等的球面上。在毎一条边的中??点生成一个新的节点，将每一个面划分为４个三角形。再将新生成的节点投影到同样的球??面上，并循环重复这一过程。经过多次细分，可以得到球面的网格划分（如图２－丨所示），??对应于１＾／匕＝１和匕／匕＝１时的参考状态。??图２－１网格划分示意图??对于非球形的参考状态，首先可以计算出该参考状态的半长轴《。然后将上述的球面??网格整体缩放到半径为＾的球面上。保持所有网格点的ｘ、?ｚ坐标不变，将ｙ坐标垂直投??影到参考状态对应的曲面上，即可得到该参考状态的网格划分。完成网格划分之后，可以??求解得到每个网格点的曲率，作为ＲＳＬ的自发曲率ｃ。。离散曲面的曲率求解方法可参考??１６??

【参考文献】：
期刊论文
[1]左心室辅助血泵及其临床应用研究进展[J]. 张岩,孙寒松,胡盛寿.  中国胸心血管外科临床杂志. 2017(02)
[2]血液机械损伤体外模拟剪切装置研究进展[J]. 陈汐,尹成科,吴鹏,徐博翎.  中国生物医学工程学报. 2016(03)

博士论文
[1]浸入边界法及其在细胞力学中的应用[D]. 宫兆新.上海交通大学 2010



本文编号：2974653