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 )

流体剪应力作用对内皮细胞变形的影响

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兴趣。目前已知流场剪应力对内皮细胞的形态和功能有重要影响,流体剪应力被认为是引起内皮细胞重建的始发信号。所以,了解流体剪应力与内皮细胞之间的相互作用机制是十分重要的。建立了一个理论模型来模拟流场剪应力与内皮细胞之间的相互作用。根据二维计算流体动力学方法研究了流体剪应力作用下内皮细胞表面的应力、压力分布。模拟结果表明:(1) 内皮细胞的变形随琢(对应于流体作用于细胞表面的剪应力)的变化而变化。当琢很小时(<0.02),流场剪应力对细胞变形的影响很小;随着琢的增大,细胞的变形也相应增大;当琢达到0.20以上时,细胞的变形变化很小,即细胞的形态保持相对稳定。(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,但内皮细胞的最大应力总是位于细胞的顶点。同时,用流室系统提供剪切流动,测量了不同剪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数值模拟结果吻合。结果提示,由于剪切流动引起细胞表面应力分布的不均一,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。为应用流体动力学理论研究细胞(内皮细胞、白细胞等)

Flow Chamber流动试验模型

从Navier-Stokes方程出发,运用无量纲化及虚宗量Bessel函数法求解。导得Flow Chamber系统中流体流动的速度场、切应力场等分布规律.并且,本文公式简化为定常状态时,无论是和Cao等人的理论结果,还是和他们的实验结果比较。都是相当一致的.

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 .0 2 1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。但内皮细胞的最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。

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。

稳定剪切流动下黏附于血管表面的白细胞发生变形的生物力学机制

白细胞与血管表面的黏附是重要的生物医学问题,引起了学者们的广泛兴趣。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”,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。数值结果表明:(i)白细胞在外界流场作用下发生了变形。随着初始接触角、外界流场Reynolds数的增大,细胞的变形也增大。(ii)细胞核随细胞的变形发生了变形,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。(iii)当初始接触角和Reynolds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。(iv)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,从而阻止细胞的进一步变形。同时,用流室系统提供剪切流动,测量了不同条件下白细胞的变形。所得到的实验结果与上述数值模拟结果是吻合的。结果提示,具有高黏性的细胞核在细胞的变形过程中发挥了特殊作用。