聚合物减阻剂对血流动力学的调控及机理研究

Drag-reducing polymers (DRPs) are high molecular weight polymers that have a primarily linear structure and known to reduce hydrodynamic resistance in turbulent flow when added at the minute (nano-molar) concentrations. Recently, it has attracted great interest in the biomedical field because they can reduce vascular resistance, increase tissue perfusion and oxygenation, reduce the formation of atherosclerosis. However, the majority of studies have been focused on the animal experiments, and no clinical research was reported. It is because a few fundamental questions, (such as mechanical degradation of DRPs, cell movement in the micro-channel induced by DRPs, micro-vascular mechanisms of DRPs), are still not completely understood. .To solve these problems, we will utilize experimentation in conjunction with numerical modeling to explore how the rheological properties of DRPs, vessel geometry, and flow parameters affect the blood flow. We will record the variation of the velocity fields via Micro-particle image velocimetry (PIV) and the movement of the cell via a CCD camera, respectively. Also, DRPs solutions under Poiseuille flow in micro-channels will be investigated by using the dissipative particle dynamics (DPD) approach. Through experiments and numerical simulation analysis, we will propose the mechanical degradation model and the micro-vascular mechanisms of DRPs, and develop a scientific understanding of how the cell moves in the micro-channel induced by DRPs. Finally, the results will be used as the database for the study of bio-fluid, biosensor, and biomedical application in the clinic.

聚合物减阻剂在生物医学领域具有重要的科研价值和广阔的应用前景，这方面的研究已成为当今生物医学材料界最活跃的领域之一。然而，目前的研究多局限于动物实验，相关基础研究较少，临床研究鲜有报道。这是因为在微通道中聚合物减阻剂的机械降解动力学尚不明确；它对血细胞运动和流场速度的影响规律及作用机理尚未完全揭示，限制了其在临床中的应用。针对以上问题，本项目拟采用实验研究和数值模拟相结合的方法，在微通道中探索聚合物减阻剂流变性质、微通道构型和流动参数对血流动力学的影响及作用机理；明确聚合物减阻剂对流场速度分布的影响规律；建立血细胞的运动模型及聚合物减阻剂的机械降解动力学模型。通过实验和数值模拟分析对比，深化聚合物减阻剂对血流动力学调控的认识，揭示其作用机理，为减阻聚合物在生物流体力学、生物传感器及临床医学中的应用提供重要的实验依据和理论指导。

本项目通过选用不同类型的聚合物减阻剂聚氧化乙烯（Polyethylene oxide, PEO）以及透明质酸(Hyaluronic acid, HA)，借助Micro-PIV 实验平台，结合粒子追踪测速技术(Particle tracking velocimetry, PTV)、Z Project 图像处理手段以及晶格玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method, LBM) 模拟，系统地研究了聚合物减阻剂类型、分子量、浓度、聚合物降解、管道尺寸与结构、剪切速率对血液流变学的影响规律，深化了聚合物减阻剂对血流动力学调控的认识, 揭示了聚合物减阻剂对于增加血液灌注，改善血液循环的作用机理。研究结果表明：血液的剪切粘度随着所加入聚合物分子量和浓度的增加而增加，呈现出剪切稀化的非牛顿流体特性，且HA 对于血液黏度的提升效果要明显强于 PEO。PEO 和 HA 均可以增加红细胞变形性和聚集度，聚合物的氧化降解会降低其对血液流变学的作用能力。两种聚合物对于提升血液流速均有着明显效果。在壁面剪切速率为 1852 s-1 的低速条件下，PEO 对于血液流速提升更为明显；而在壁面剪切速率为 3086 s-1的高速条件下，则HA 对于血液流速提升更为明显。PEO 和 HA 对于减小无细胞层（CFL）、增加血液灌注有着明显效果，二者在直管道中均可使CFL厚度减小比例达 50%以上。在 T 型微通道中，CFL 厚度与 T 型管的尺寸密切相关，扩张型 T 型管的 CFL 厚度最大，收缩型 T 型管的 CFL 厚度最小。当血液由主管道流入分支管道后，无论管径收缩、扩张或是不变，聚合物减阻剂加入后，均可减小 CFL 厚度，抑制流动分离现象，表明减阻剂可用于治疗某些周围血管疾病。此外，PEO - 25 ppm/HA - 25 ppm 同时加入到血液中，会使血液在不同剪切速率条件下均达到最大流速以及最小的CFL厚度，表明二者具有协同作用。结合LBM模拟建立红细胞在限制流中的流动模型，从理论上探讨红细胞间作用力、红细胞变形性、以及剪切速率对于无细胞层厚度的影响，验证实验结果，并将模拟与实际结果对比，结合理论分析揭示减阻剂对于血流动力学的影响机理。项目取得的研究进展为聚合物减阻剂在生物流体力学、生物传感器及临床医学中的应用提供了重要的实验依据和理论指导。