基于红细胞碰撞溶血的血液泵新型血液破坏模型研究

Hemolysis has always been a bottleneck in the development of blood pump. To develop a novel blood damage model for accurate estimating hemolysis index is the key issue to be solved through the numerical simulation. The current study of optimizing the blood damage model at focus on the shear stress damage to erythrocyte, however, there is little research about the hemolysis results from impacting between erythrocyte and pump components, such as blades, pump casing and body, which exists widely in blood pump. In this application, numerical simulations and experiments are combined to investigate impacting hemolysis issue. Flow velocity, people, time dependent shear stress accumulation and stage of life cycle of erythrocyte suspension are varying in the experiment. Based on liquid-solid impact and spherical shell between liquid theory, Arbitrary Lagrangian-Eulerian method is applied in numerical simulation. In the experiment, erythrocyte suspension is precisely injected to microfluidic chip via microinfusion pump, then microscopy at high magnification and high-speed camera are used to observe the erythrocyte deformation in the flow, capture the rupture process of erythrocyte and determine the critical rupture flow velocity. Finally, a novel accurate hemolysis model based on impacting hemolysis is proposed. Erythrocyte impact hemolysis is comprehensively explored firstly in this research, and the results are of great academic significance and practical value for blood pump development.

血液溶血破坏一直是困扰血液泵发展的瓶颈问题，发展精确估算溶血参数的血液破坏模型是血液泵数值计算中亟待解决的关键问题。国内外现有溶血破坏模型的改进工作仅考虑了剪切力导致的红细胞破裂，对于广泛存在于旋转泵内的红细胞与旋转泵叶片、泵体及泵壳等部件间的高速碰撞导致的溶血破坏问题却鲜有研究。本申请采用数值模拟和实验研究相结合的方法，对不同流速，不同人群，不同剪切力累计历史和不同生命周期消耗下红细胞与旋转泵部件间的碰撞溶血问题进行研究，基于液固撞击理论和充液球壳理论，采用任意拉格朗日-欧拉方法进行数值模拟研究；搭建红细胞碰撞试验台，使用微量注射泵将红细胞悬浮液精密注射入微流控芯片内，通过高倍显微-高速摄像系统观察红细胞的流动变形规律，捕捉红细胞与固壁间碰撞破裂过程，确定碰撞破裂临界速度；并最终提出新型血液溶血破坏模型。本工作将弥补国内外相关研究的空白，对于血液泵的研发具有重要的学术意义和工程实用价值。

心衰严重威胁心血管疾病患者的生命安全，而采用机械血液泵暂时或永久性代替自然心脏的功能，进而挽救患者生命，则为心衰治疗提供了现实可能性，因此，机械血液泵的研究和开发已成为了生物医学和旋转机械交叉领域的研究热点。当前阻碍机械血液泵发展的瓶颈问题便是血液泵内血液组织的破坏现象，即溶血和血栓，解决这些问题，对于血液泵的发展至关重要。对于溶血现象，国内外学者已进行了大量研究，但其研究重点往往集中于剪切力作用下的红细胞变形和破裂现象。随着血液泵不断向微型化发展，血液泵的旋转速度已高达上万转，泵体内部血液流动速度将比人体本身的血液流动速度高出一到两个数量级；并且，血液泵制造材料多选用钛合金，其刚度和硬度远大于血管壁材料，因此，红细胞与其碰撞时将会产生较大损伤，将出现由碰撞导致的红细胞破裂损伤。但是，红细胞与旋转泵部件间碰撞过程中的运动和变形规律，以及由此所导致的碰撞溶血问题，尚未得到深入研究，而依此完善血液泵数值计算模型的研究则尚未展开。因此，本项目即采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，对红细胞-固体壁面高速碰撞溶血现象进行了详细研究，设计和搭建了红细胞-固体壁面高速撞击显微可视化实验系统，基于微流控技术展开实验研究，并编制了图像处理程序，对实验得到的红细胞流动和碰撞历程图片进行处理和分析，获得了不同结构碰撞面和不同流速条件下在近壁面处红细胞的三维运动规律，以及红细胞与固壁碰撞前后的变形历程；对微流控芯片内的流场进行了模拟，结合实验数据进行了多角度多层次分析，验证了数值模型的可靠性和有效性，并进一步讨论了通道结构和流动速度对红细胞流动和变形特性的影响。进一步地，基于流动微元能量平衡理论，建立了单个细胞的能量平衡模型，研究了红细胞在流动碰撞过程中几何形状和细胞膜弹性模量的变化规律，获得了高速碰撞条件下的溶血机制。本项目工作揭示了红细胞与旋转泵部件间高速碰撞导致的溶血机理，可为新型机械血液泵的设计和开发提供重要的参考依据和基础数据，对于血液泵的发展具有重要的科学研究和工程实用价值。