微血管中血红细胞流变特性及其对药物传递影响的模拟研究

Rheological properties of red blood cells significantly affect the blood flow as well as the oxygen and nutrient transport in microvessels. Recent experimental research shows that red blood cells can be engineered as carriers for drug delivery. In this study, the Fictitious Domain-Immersed Boundary method is developed. By combining with the spring model for red blood cell and the ligand-receptor model, the method is utilized for the numerical study of blood flow dynamics and rheological properties of red blood cells in complex microvessels such as bifurcations, as well as the attachment and delivery of drug particles. Simulation studies are performed for rheological properties of red blood cells of abnormal stiffness and adhesion in complex microcirculatory system. Mathematical model is developed for the attachment of drug particles on red blood cell membrane. The key factors and optimal parameters are revealed by investigating the effect of red blood cells on blood flow and drug delivery. In addition, simulation results are compared with the existing theoretical and experimental data to analyze the results and to provide biomedical mechanism. It is expected that this study will lead to better understanding on microcirculatory system and providing of new ideas and theoretical foundation for the design of biomedical experiments.

微血管中血红细胞的流变特性对血液的流动及氧气和营养的输运具有重要影响。 最新的实验研究表明可以通过血红细胞作为全身给药载体实现药物传递。本项目将发展Fictitious domain-immersed boundary 方法，并利用此方法研究复杂形状（如带分支）微血管中的血液动力学和血红细胞的流变特性，以及微血管中存在药物微颗粒时血红细胞对药物的附着和传递的的影响。本项目拟进行诸如硬度和表面黏性异常的血红细胞在复杂微循环系统中的流变特性的模拟研究；建立药物颗粒在血红细胞上附着过程的数学模型；模拟探讨血红细胞对不同形状和浓度的药物颗粒在血液中传递的影响，揭示关键影响因素，找出最优参数。并把模拟计算结果同现有的理论研究和实验数据做比较，解释计算结果，提出合理的生物医学机理。通过本项目的研究，有望进一步加深对人体血液微循环系统的理解和认识，为生物医学实验的设计提供新的思路和理论依据。

人体中的微循环系统是由无数带弯曲分支的微血管组成的网络，模拟研究微血管中的血液流动及血红细胞的流变性对于微循环系统的精确模拟有着重要意义；同时微血管的结构以及其中的血红细胞对药物传递也有着不可忽视的影响，血红细胞和药物载体之间的微观相互作用直接影响药物在体内传递的效率，因此这方面的研究是当前生物医学和药物工程领域的重要课题。.此项目首先研究了微血管中带疟疾病变的血红细胞的流变性，发现病变血红细胞引起局部血红细胞比容的波动和疟疾感染血红细胞的“着边”现象。研究了带弯曲分支的微血管和带狭窄病变的微血管中血红细胞聚集体的流变性，结果显示血红细胞的聚集对无细胞层的厚度有较大的影响，而且会降低带狭窄病变以及内径较小的微血管内的血液通量。.此项目还研究了微血管中含有纳米级别药物颗粒或药物载体时血液流变性的变化。当血液中含有多个血红细胞和弹性药物载体时，药物载体在血红细胞的推动下会产生着边现象，这是促使药物到达无细胞层进而接近管壁的重要过程，这种着边现象与很多因素，诸如载体大小、形状、软硬以及血液流速有关，研究结果显示较小的以及非球形载体利于着边。我们进一步研究了单个血红细胞与单个刚性药物颗粒在接近血管壁处的微观相互作用，观察到血红细胞和药物颗粒间的“crossing”式的运动轨迹促进了血红细胞从血管壁处向血管中心处迁移。而血红细胞和药物颗粒的相互运动轨迹取决于药物颗粒大小、血红细胞的弹性、以及血液流速。为了研究表面改性的药物载体，我们建立了一种基于ligand-receptor的模型来模拟表面粘性药物载体与血红细胞或血管壁之间的相互作用。.研究微观下血红细胞及微血管之间的相互作用能够帮助我们更好的了解血液的微观动力学性质，同时也为模拟更为复杂的微循环系统打下基础。此研究也有助于对血红细胞和药物载体之间的微观相互作用有更深入的理解，为优化药物载体靶向效率研究提供新的思路，对生物医药技术创新起到促进作用。