细胞在复杂管道内动态和流变行为的数值研究

The dynamic and rheological behaviors of cells in channels are of interest to a variety of biological and industrial applications, such as blood microcirculation. Currently, most of relevant numerical studies are focused on the cells in the simple channels, for example a rectangular channel. Unfortunately, the channels in practice are often complex, such as the capillary network in microcirculation. The present project will numerically study the cells in complex channels, including 1) the dynamic behavior of cells in the furcate, curvature and twisted channels, 2) the rheological behavior of cells in the furcate, curvature and twisted channels, and 3) the dynamic and rheological behaviors of cells in the separation chips. A 3D particle-based theoretical model is developed, consisting of the smoothed dissipative particle dynamics to model the fluid flow, the discrete nonlinear elasticity to model the cell deformation, the Morse potential model to describe the cell-cell interaction, the immersed boundary method to describe the cell-fluid interaction, and the virtual boundary method to treat the complex boundary. The present project aims to 1) probe the effects of cell aggregation on the cell motion and deformation in the complex channels, 2) reveal the differences of cell rheology in the simple and complex channels, and 3) analyze the dynamic and rheological behaviors of cells in the separation chips, and then optimize the separation chips.

在生物和工业应用中，常常会遇到细胞在管道内的运动、变形以及聚集，如血液微循环过程。目前相关数值研究主要讨论细胞在简单管道中的情形，像矩形直管；然而实际中的管道往往非常复杂，如微循环中的毛细血管网。因此本项目将针对细胞在复杂管道内的情形进行数值研究，包括：1）细胞在复杂的分叉、弯曲和纽绞管道内的动态行为研究；2）细胞在复杂的分叉、弯曲和纽绞管道内的流变行为研究；3）细胞在分离芯片中的动态和流变行为研究。为此，我们建立了一个基于粒子的三维理论模型，包括描述流体流动的光滑耗散粒子动力学模型、细胞变形的离散非线性弹性模型、细胞相互作用的摩西势模型、细胞与流体相互作用的浸入边界法、以及处理复杂边界的虚拟边界法。本项目旨在：1）探讨细胞在复杂管道内的聚集对其运动和变形的影响；2）揭示细胞悬液在简单和复杂管道内流变行为的差别、3）分析细胞在分离芯片中的动态和流变行为，进而实现细胞分离芯片的优化。

研究细胞在复杂管道中行为主要有两方面意义。1）人体血管是复杂的，分叉、汇聚、堵塞等，细胞也有健康与不健康的，那么这些细胞如何在复杂的血管中运动、变形、聚集和粘附；这有助于对人体微循环以及一些疾病的机理理解，利用血栓形成、肿瘤转移。2）微流控芯片的设计和优化，芯片在生物中应用广泛，如细胞分离，那么细胞是如何通过各种复杂的通道。本项目通过耦合光滑耗散粒子动力学和浸入边界法建立理论模型，利用MPI结合C++编写了并行程序，在大量验证和确认基础上，数值模拟了单个细胞、一串细胞和大量细胞在矩形、圆柱形、分叉、变窄、螺旋以及非常复杂的血管网络中运动、变形、聚集和粘附等行为。这些结果计划分布在13篇SCI文章，其中8篇已发表，2篇已接受，1篇在审，2篇在准备。已发表文章取得较好的影响，一篇被《SciLight》报道，一篇被选为期刊封面，一篇发表于二区期刊。