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用复合液滴模型研究稳定剪切流动下黏附于血管表面白细胞的变形
变形作用是黏附于血管表面的白细胞响应外界流体作用的重要特征,然而,尚不清楚白细胞的细胞核是否伴随细胞而发生变形.我们用复合液滴模拟黏附于血管表面的白细胞,根据二维计算流体动力学方法研究稳定剪切流动下白细胞及其细胞核发生变形的生物力学机制.结果表明:(1)外界流场雷诺数是引起细胞变形的重要原因.随着雷诺数的增大,细胞变形也增大;(2)细胞核随细胞的变形而发生了变形,但细胞的变形指数总是大于其细胞核,表明细胞核更能耐受剪切流动;(3)当雷诺数增大到一定值时,细胞和细胞核都不能进一步变形,变形指数达到峰值;(4)压力分布曲线表明,在细胞的下游形成一个高压区,提供促使细胞受力达到平衡的升力,从而阻止了细胞的进一步变形.因此,具有高粘性的细胞核在细胞的变形过程中发挥特殊作用.
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稳定剪切流动对黏附于血管表面的白细胞变形的影响
目的研究稳定剪切流动对黏附于血管表面的白细胞及其细胞核变形的影响.方法用复合液滴模拟黏附于血管表面的白细胞,根据二维计算流体动力学方法求解模型方程.结果 1)外界流场雷诺数是引起细胞变形的重要原因.随着雷诺数的增大,细胞变形也增大;2)细胞核随细胞的变形而发生了变形,但细胞的变形指数总是大于其细胞核,表明细胞核更能耐受剪切流动;3)当雷诺数增大到一定值时,细胞和细胞核都不能进一步变形,变形指数达到峰值;4)压力分布曲线表明,在细胞的下游形成一个高压区,提供促使细胞受力达到平衡的升力,从而阻止了细胞的进一步变形.结论具有高粘性的细胞核在细胞的变形过程中发挥特殊作用.
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黏附于血管壁表面的白细胞在稳定剪切流动下发生变形的生物力学模型
白细胞与血管表面的黏附是重要的生物医学工程问题,引起了学者们的广泛研究.我们用复合液滴来模拟黏附于血管表面的白细胞,根据二维计算流体动力学方法研究了流体切应力作用下白细胞黏附引起的压力分布.同时,通过引入"变形指数"的概念,研究稳定剪切流动下白细胞变形的生物力学特性.数值结果表明:(1)随着初始接触角、毛细血管数、外界流场雷诺数的增大,细胞的变形也增大,而细胞浆比细胞核更易于变形,表明细胞核更能耐受剪切流动;(2)当切应力增大到一定值时,细胞不能进一步变形,变形指数达到峰值;(3)压力分布曲线表明,在细胞的下游形成一个高压区,提供促使细胞受力达到平衡的升力,从而阻止了细胞的进一步变形.我们关于细胞核变形的结果有助于理解白细胞如何将外界流体作用力(如切应力)等力学信号向核内转导的生物力学机理.
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剪切流动下内皮细胞变形的模拟
血液流动和内皮的耦合是重要的生物医学问题,引起了学者们的广泛的兴趣.目前已知内皮细胞能感知流场的剪切应力而改变其形态和功能.由于剪切应力被认为是引起内皮细胞重建的始发信号,所以了解内皮细胞与流动应力之间的相互作用机制是十分重要的.我们建立了一个理论模型来模拟内皮细胞与流场应力之间的相互作用.根据二维计算流体动力学方法研究了内皮细胞应力、压力的分布以及内皮细胞在剪切应力作用下的变形情况.结果表明:(1)内皮细胞的变形随α(对应于流体作用于细胞表面的切应力)的变化而变化.当α>0.021时,细胞的变形随α的增大而显著增大;(2)流动引起了细胞表面应力和压力分布的不均匀,从而导致了细胞的变形.但内皮细胞的大应力总是位于细胞的顶点.同时,我们用流室系统提供剪切流动,测量了不同剪切应力作用下培养的人主动脉内皮细胞的变形.所得到的实验结果与上述数值模拟结果是吻合的.本文结果提示,由于剪切流动引起细胞表面应力和压力分布的不均一,可能在细胞激活和细胞功能的调节(如细胞骨架的调节,粘附分子的表达与分布等)机制上具有特殊的作用.本研究为综合应用动力学方程来建立内皮细胞模型提供了工作框架.
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用激光测速法研究稳定黏附的白细胞与血液流动的相互作用
提出了血液流动与牢固黏附的白细胞之间相互作用的理论模型,根据计算流体动力学方法推导血流作用下白细胞表面应力、压力分布,以及由于黏附的白细胞对血流阻力的影响.在此基础上,用激光测速法对上述模型进行实验研究.结果表明,血流阻力、压力梯度随血流雷诺数、白细胞直径的增大而增大;细胞表面的应力重新分布,但大剪应力总是位于细胞表面的顶点.我们认为细胞表面应力分布的不均一可能对白细胞的形态与功能变化有重要作用.
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加载实验中细胞所处流速场的研究
根据细胞加载系统的工作原理、参数及通常细胞循环加载的幅度、频率范围,由Navier-Stokes方程导出描述加载系统培养液的近似流动方程,解出了现行单、双向平面拉伸系统和四点弯梁拉缩系统工作过程培养液的流速场分布,及对细胞的剪切流动分布,并做比较.结果表明:所有系统的剪切流动在中点均为零,随其与中点的距离增加而近成正比增加;四点弯梁拉缩系统的流速场确实比单、双向平面拉伸系统和四点弯梁拉缩系统的大得多,它除含有基频剪切流动外也含高次频剪切流动.我们的研究为在用上述系统做细胞加载时,区分应变和剪切流动对细胞的增殖影响提供了理论依据.
关键词： 单、双向平面拉伸加载系统 四点弯梁拉缩系统 流速场 剪切流动
