微血管中血红细胞流变性的模拟研究及在疟疾上的应用

摘要

血红细胞的流变特性对血液的流动及氧气和营养物质的传输具有重要影响。健康的人类血红细胞在常态下是两面凹形的，最大直径接近甚至大于最小的微血管直径。血红细胞有很大的可变形性，当红细胞穿过微血管时会遭遇血流的阻力，从而导致其发生形变，这种形变大到可以使它们轻易通过最小的微血管。 本文数值模拟血红细胞在微血管中的流变特性并特别关注其在疟疾上的应用。首先研究了健康和被疟疾感染的血红细胞在狭窄病变的微血管中随血液流动的运动与变形，系统分析了一些主要因素诸如血管直径、血红细胞硬度、血管狭窄程度以及血红细胞间相互作用力的影响。然后数值研究了部分感染疟疾的血红细胞在微血管中引起的局部血红细胞比容的波动及其对血液流动的影响。本文采用对细胞膜形变有很好描述的弹簧模型(Spring Model)对血红细胞的形状和变形性进行数值模拟；对血红细胞在血液中的流动采用浸入边界法(Immersed Boundary Method)来研究；对于有狭窄病变的微血管，用虚拟区域法(Fictitious Domain Method)和浸入边界法相结合的方法，二维模拟研究血红细胞通过微血管狭窄病变部分的动力学性质。 模拟结果显示血红细胞在形成聚集体时产生一定的形变。细胞膜硬度较低同时细胞间作用力较强的血红细胞形成的聚集体比较紧密，而且在血流中很难分解；硬度较高和细胞间作用力较弱的聚集体中，红细胞最大程度的保持了正常的双凹形状，而且在流体力的作用下易分解成单个细胞。所以血红细胞在通过微血管时受到细胞膜硬度的影响。另外，血红细胞受到的流动阻力随细胞间相互作用力和细胞硬度的增加而上升，以及血液在血管最狭窄处的流速随着细胞膜硬度的增加而降低。研究还发现被感染血红细胞和健康红细胞在血红细胞比容较低时会形成细胞串，并且被感染血红细胞的流速会变慢，从而导致其周围的红细胞比容暂时增加；在血红细胞比容较高时，被感染血红细胞和健康红细胞之间会产生连续的流体动力学作用，使被感染血红细胞向血管壁方向移动，称之为“着边”现象。 本文把数值模拟结果与他人的实验和研究结果相比较，取得了很好的一致性。本研究的结论不仅对于生物医学的实验及仪器设计提供参考，也将为那些对于疟疾和其他与血液流动受阻的相关疾病的医学研究作出贡献。