基於氣液固三相流模型的原位血栓形成機理研究

《基於氣液固三相流模型的原位血栓形成機理研究》是依託西安交通大學，由陳斌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於氣液固三相流模型的原位血栓形成機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳斌
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

血小板的粘附、聚集、釋放和凝血作用導致了原位血栓的形成，紅細胞對血小板的碰撞和夾帶在原位血栓的形成中也起著重要的作用。血液流動的剪下率、紅細胞壓積等參數在促使血小板聚集、導致血栓形成中具有重大的意義，能夠模擬血小板、紅細胞的運動及其與受損血管壁面相互作用的血液動力學模型是研究血栓形成機制的重要手段。本項目擬借鑑多相流體力學的研究手段研究血小板和紅細胞的流動特性，耦合基於非結構化格線的VOF算法、血小板聚集粘附模型和紅細胞變形模型，發展氣液固三相流數理模型。同時建立微流控晶片實驗系統，觀測流道幾何形狀、剪下率、紅細胞壓積等對血小板與受損血管壁面纖維蛋白原的粘附過程，深入研究血小板/紅細胞/受損血管壁面之間的相互作用機理，分析原位血栓形成的血液動力學機制，為揭示原位血栓的形成機制奠定基礎。本項目有助於豐富和完善多相流學科體系，具有重要的理論和學術意義及實際套用價值。

結題摘要

本項目以含有血小板和紅細胞的血漿流動為對象，通過實驗觀察和數值模擬研究了原位血栓的生成機理。在實驗測量方面，搭建了一套觀察微尺度液液兩相流動的微流控實驗平台，可視化觀察了交錯和十字聚焦微通道內微液滴的生成和破裂過程，繪製了流型圖並給出了不同流型之間的轉換準則，得到了預測不同流型下微液滴尺寸大小的經驗公式。實現了未染色、非球形血小板顆粒的體外可視化流動特性測量，比較了不同壁面切變率下血小板懸濁液中的血小板顆粒速度與血漿速度，發現血小板顆粒由細胞膜包裹，且體積較小，其形狀在流動過程中基本不變，流速與血漿流速區別不大。採用雷射照射加熱SD大鼠背部血管的方式成功誘導產生了血栓，得到了血栓的運動規律，為驗證數值算法提供了有力的數據。 在數值模擬方面，發展了一種基於非結構化格線的二階精度PLIC界面構造方法，形變誤差總體優於結構化格線。發展了基於非結構化格線的投影法並將其與PLIC界面構造方案進行耦合，將CSF模型針對非結構化格線進行了最佳化，有效提高了表面張力的計算精度，消除了由於表面張力離散化導致受力不均而產生的虛假流動，提高了計算的穩定性。發展了基於非結構化四面體格線的三維血小板、紅細胞流動三相模型，對連續相血漿採用PISO算法完成速度與壓力的耦合，血小板顆粒的流動由拉格朗日顆粒軌跡方程描述，紅細胞的界面由基於非結構化四面體格線的快速VOF方法構造。針對病變狀態下血小板與血管壁面和紅細胞的吸附，建立了多彈簧紅細胞模型。活化血小板粒子流動附著於壁面並被固定的過程用可旋轉的彈簧力模型描述，血小板與紅細胞的吸附作用模化為活化血小板粒子與紅細胞最外層吸附粒子之間的吸引力，成功模擬了紅細胞的坦克履帶式運動以及血管中紅細胞/血小板/受損壁面的吸附過程。研究了頸動脈分叉和門靜脈系統的血流動力學及血栓生成機理和影響規律，為有關手術的預後提供了理論指導。 本項目為研究複雜的血液流動提供了切實可行的高效新算法，拓寬了多相流的學科內涵，具有重要的學術意義和套用價值。 項目成果：發表論文59 篇，其中國際期刊論文13篇，國核心心期刊論文7 篇，SCI 收錄12 篇次，EI 收錄15 篇次，國際會議特邀報告5篇，國內會議特邀報告3篇，國際會議論文分組報告8 篇，國內會議分組報告22 篇。授權發明專利2 項、公示發明專利1 項。