微型植入式血泵血液自润滑机理研究

摘要

在血泵研究过程中，机械运动部件间的润滑与密封一直困绕着广大研究人员。利用人体血液作为血泵运动部件间的摩擦润滑剂，为解决上述难题提供了有效途径。由于血液是具有生命特征的特殊物质，以前人们对血液的研究主要集中在医学领域，至今还没有专门研究血液摩擦润滑性能的资料。本文主要结合血液的生理特性、流变特性及理化特性，运用血液流变学理论、流体动力润滑理论，对血液的摩擦润滑性能进行研究，并以外场驱动微型轴流式血泵为对象，研究了血液自润滑血泵径向滑动轴承的润滑性能。本研究试图从工程角度对血液润滑性能进行探讨，以期为植入式血泵直接利用人体血液润滑提供依据。具体体现在以下几方面： (1)运用血液流变学理论，对正常人体血液组分及其流变性能进行了分析。建立了简化刚脆性血细胞模型，设计了血液通过间隙能力的测量装置。利用设计的测量装置，试验得出了不同润滑膜厚条件下润滑区血液组分的变化规律及血液组分与血液表观粘度关系，提出了不同最小间隙及剪切率是影响血液润滑入口区与出口区血细胞压积的主要因素。结合血液自润滑轴承，分析了血液稳态润滑条件及形成血液非稳态润滑的微观机理。 (2)通过对红细胞在低渗透压及剪切流环境中溶血模型分析，结合血液自润滑血泵径向滑动轴承，提出了润滑出口发散区负压及剪切流中剪应力是造成溶血的主要因素。利用摩擦四球机，试验得到了血液在不同主轴转速下的机械承载能力及溶血情况，提出了符合血液生理指标要求和机械承载指标要求的综合判定。 (3)血液机械承载能力是判断血液有效润滑的重要指标。从血液自润滑轴承设计角度出发，分析了血液的流变特性、动压效应、温度效应、压力效应及血液成分随温度变化而发生理化反应等因素对血液机械承载能力的影响。试验得到了多因素耦合作用下，血液机械承载能力的变化规律。 (4)血液流变指标值直接影响血液的摩擦润滑性能。以长沙地区健康成年人群为对象，试验得到了选定人群血液流变指标值的分布及变化规律，得出了不同人群血液流变指标正常参考值存在差异的结论，为血液自润滑血泵轴承参数设计和医学检验提供了依据。 (5)根据外场驱动血泵耦合传动时磁场动态分布，运用提出的磁心概念，推导了横向磁耦合传动中转子径向受力与传递力矩的计算模型，分析了径向充磁血泵转子在传动过程中径向受力及传递扭矩变化规律；运用流体润滑理论，建立了血液自润滑血泵径向滑动轴承血液润滑模型，仿真计算了血液自润滑径向滑动轴承的压力分布、承载能力、摩擦力及摩擦功耗等力学参数，分析了轴承半径差、转速等对血液承载能力的影响，提出了血液自润滑血泵轴承设计准则。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2血泵研究的历史与现状

1.2.1血泵研究历史

1.2.2血泵研究的关键问题

1.2.3磁技术在血泵研究中的应用

1.3血液及其流变性能研究现状

1.4生物工程中血液行为的研究现状

1.5流体动力润滑理论的发展

1.6研究的主要内容

1.6.1课题来源

1.6.2主要研究工作

第二章血液组分变化对血液润滑性能影响

2.1血液组分

2.2血液流变学理论

2.2.1牛顿粘滞定律

2.2.2血液本构方程

2.2.3血液粘度特性

2.2.4红细胞流变特性

2.3血液润滑膜组分动态变化规律研究

2.3.1刚脆性血细胞模型

2.3.2血液通过不同最小间隙时组分变化

2.3.3结果分析

2.4红细胞压积与血液表观粘度关系研究

2.5红细胞压积对血液润滑稳定性能影响分析

2.6本章小结

第三章血液有效润滑的综合判定

3.1血液生理特性对有效润滑的限制

3.1.1红细胞及细胞膜结构

3.1.2红细胞溶血数学模型

3.2血液的机械承载指标试验研究

3.3血液机械性溶血试验研究

3.4血液有效润滑的综合判定

3.5本章小结

第四章血液机械承载能力影响因素研究

4.1四球法润滑剂承载能力测定

4.2血液机械承载性能影响因素分析

4.2.1剪切效应影响

4.2.2温度效应影响

4.2.3压力效应影响

4.2.4动压效应影响

4.2.5血液有机成分理化反应影响

4.3多因素耦合作用下血液承载能力的试验研究

4.4本章小结

第五章血液流变指标值分布及变化规律研究

5.1资料与方法

5.2血液主要流变指标值对比分析

5.2.1血液流变指标值分布

5.2.2血液非牛顿特性对比

5.3血液主要流变指标变化规律

5.4本章小结

第六章外磁驱动血泵径向滑动轴承血液自润滑研究

6.1外磁驱动微型轴流式血泵工作原理

6.2外磁驱动血泵转子横向磁耦合传动分析

6.2.1血泵叶轮转子受力分析

6.2.2基于磁心的磁耦合传动过程血泵转子动态受力分析

6.2.3磁耦合传动过程中血泵转子受力及传递扭矩计算

6.3普遍形式Reynolds方程

6.4高剪切稳态载荷条件下血液润滑数学模型

6.5血液厚膜润滑的仿真计算与分析

6.6血液薄膜润滑的仿真计算与分析

6.7外磁场驱动血泵径向滑动轴承设计

6.8高切非稳态载荷条件下血液厚膜润滑数学模型

6.9本章小结

第七章全文总结

参考文献

致谢

博士期间参与的科研项目及获得的奖励

作者近期公开发表的论文