基於紅細胞碰撞溶血的血液泵新型血液破壞模型研究

《基於紅細胞碰撞溶血的血液泵新型血液破壞模型研究》是依託西安交通大學，由張荻擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於紅細胞碰撞溶血的血液泵新型血液破壞模型研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張荻
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

血液溶血破壞一直是困擾血液泵發展的瓶頸問題，發展精確估算溶血參數的血液破壞模型是血液泵數值計算中亟待解決的關鍵問題。國內外現有溶血破壞模型的改進工作僅考慮了剪下力導致的紅細胞破裂，對於廣泛存在於旋轉泵內的紅細胞與旋轉泵葉片、泵體及泵殼等部件間的高速碰撞導致的溶血破壞問題卻鮮有研究。本申請採用數值模擬和實驗研究相結合的方法，對不同流速，不同人群，不同剪下力累計歷史和不同生命周期消耗下紅細胞與旋轉泵部件間的碰撞溶血問題進行研究，基於液固撞擊理論和充液球殼理論，採用任意拉格朗日-歐拉方法進行數值模擬研究；搭建紅細胞碰撞試驗台，使用微量注射泵將紅細胞懸浮液精密注射入微流控晶片內，通過高倍顯微-高速攝像系統觀察紅細胞的流動變形規律，捕捉紅細胞與固壁間碰撞破裂過程，確定碰撞破裂臨界速度；並最終提出新型血液溶血破壞模型。本工作將彌補國內外相關研究的空白，對於血液泵的研發具有重要的學術意義和工程實用價值。

結題摘要

心衰嚴重威脅心血管疾病患者的生命安全，而採用機械血液泵暫時或永久性代替自然心臟的功能，進而挽救患者生命，則為心衰治療提供了現實可能性，因此，機械血液泵的研究和開發已成為了生物醫學和旋轉機械交叉領域的研究熱點。當前阻礙機械血液泵發展的瓶頸問題便是血液泵內血液組織的破壞現象，即溶血和血栓，解決這些問題，對於血液泵的發展至關重要。對於溶血現象，國內外學者已進行了大量研究，但其研究重點往往集中於剪下力作用下的紅細胞變形和破裂現象。隨著血液泵不斷向微型化發展，血液泵的旋轉速度已高達上萬轉，泵體內部血液流動速度將比人體本身的血液流動速度高出一到兩個數量級；並且，血液泵製造材料多選用鈦合金，其剛度和硬度遠大於血管壁材料，因此，紅細胞與其碰撞時將會產生較大損傷，將出現由碰撞導致的紅細胞破裂損傷。但是，紅細胞與旋轉泵部件間碰撞過程中的運動和變形規律，以及由此所導致的碰撞溶血問題，尚未得到深入研究，而依此完善血液泵數值計算模型的研究則尚未展開。因此，本項目即採用理論分析、實驗研究和數值模擬相結合的方法，對紅細胞-固體壁面高速碰撞溶血現象進行了詳細研究，設計和搭建了紅細胞-固體壁面高速撞擊顯微可視化實驗系統，基於微流控技術展開實驗研究，並編制了圖像處理程式，對實驗得到的紅細胞流動和碰撞歷程圖片進行處理和分析，獲得了不同結構碰撞面和不同流速條件下在近壁面處紅細胞的三維運動規律，以及紅細胞與固壁碰撞前後的變形歷程；對微流控晶片內的流場進行了模擬，結合實驗數據進行了多角度多層次分析，驗證了數值模型的可靠性和有效性，並進一步討論了通道結構和流動速度對紅細胞流動和變形特性的影響。進一步地，基於流動微元能量平衡理論，建立了單個細胞的能量平衡模型，研究了紅細胞在流動碰撞過程中幾何形狀和細胞膜彈性模量的變化規律，獲得了高速碰撞條件下的溶血機制。本項目工作揭示了紅細胞與旋轉泵部件間高速碰撞導致的溶血機理，可為新型機械血液泵的設計和開發提供重要的參考依據和基礎數據，對於血液泵的發展具有重要的科學研究和工程實用價值。