人类精子导航的流固耦合模拟与运动行为调控的力学机理研究

The navigational motility of human sperm is closely related to the male reproductive ability, while the sensing mechanism of the navigational signal and the principle of the motor behavior regulation are not fully clear yet up to now, further efforts are necessary to be made to improve the corresponding theory. In this project, sperm motility is modeled with the fluid-structure interaction strategy by combined the lattice Boltzmann method and the immersed boundary. In order to simulate the sperm configuration evolution in the experimental process of navigational motility, the bending moment on the sperm flagellum is modulated to drive the swimming sperm, and a novel sperm motional model, which owns the both characters of kinematics and praxeology, is obtained. Under the guide of the experimental observations, by designing the perceptual strategies of the navigational signals, the relevancy between the bending moment on the sperm flagellum and the the navigational signal can be established, and the motilities of taxis and the rheotaxis of sperm are reproduced numerically. Based on the model, the rheotaxis mechanism and the energy efficiency ratio in adherent motile are further exposed, and the cooperation or competition mechanism in the swimming of the sperm colony is also to be explored under the conditions of multiple navigational signals. The implementation of this project can provide a novel theoretical research method for the sperm motility, and will improve the situation that the theoretical research falls evidently behind the experimental case. In addition, our research also can provide a more effective theoretical research platform for the sperm preference in the human assisted reproduction, and contribute to the development of the reproductive medicine.

人类精子导航运动规律与男性生殖能力密切相关，但当前对其导航信号感知机制和运动调控原理尚未完全明确，其理论完善亟待进一步研究。本项目拟组合浸入边界法和格子玻尔兹曼方法实现精子运动的流固耦合模拟，以实验观测的精子在导航运动中的形态演化为依据，调节精子鞭毛弯矩分布，建立兼具动力学特性和行为学特性的精子运动调控模型。结合精子导航运动实验观测结果，通过设计精子模型的导航信号感知方案，实现导航信号与鞭毛弯矩的关联，复现实验中精子的趋向性及趋流性运动。以此为基础，进一步揭示精子趋流性运动机理及贴壁运动能效关系；模拟多种导航信号作用下的精子的群体游动，探索精子在群体游动过程中的竞争、合作机制。本项目的实施，可望为精子运动行为研究提供新的理论研究方法，改善相应机理研究明显滞后于实验研究的局面；同时也为人类辅助生殖技术中的精子优选提供了更加完善的研究模型，进而促进生殖医学发展。

研究背景：精子细胞的导航机制及运动对于人们了解生殖过程和发展辅助生殖技术意义重大。但当前对其中的原理尚未完全明确。一方面是很难直接观测体内环境下的精子运动，另一方面目前还缺少相应的理论研究模型。本项目提出通过采用IB-LBM建立精子运动的理论研究模型，研究精子的导航机制与运动规律。.研究内容：1、通过与301医院合作，录制完成精子在添加稀释液后的运动视频，为建立精子的运动模态获得了实验依据。2、建立了二维及三维的IB-LBM精子游动模型，并实现了GPU加速。在此基础上实现精子在壁面附近游动行为的水动力推动机理研究。3、建立了一种可自由游动的精子运动模型，并实现了非牛顿流动下的运动。4、建立了精子的群体运动模型，在此基础上对精子的贴壁聚集、趋流性等进行了深入研究。在后续研究中，还将进一步完善当前模型，增加精子的“感知-调控”功能，使得其运动更符合实际。.主要成果：1、率先提出采用IB-LBM建立精子运动模型。2、采用多重网格及GPU-Cuda加速优化了模型的计算效率。3、发现振动弹性体的外力诱导聚焦现象。4、研究了精子的壁面加速机理，对壁面加速现象给出了机理的定量化解释。5、实现了精子在非牛顿流体中运动的模拟。6、改进并完善了精子的流固耦合模型，同时复现精子的趋流性、壁面聚集特性、趋化性等。7、建立了三维的精子运动模型，实现了进行平面波动的三维精子游动。8、研究了精子群体在不同的流动环境下的趋流性、贴壁性及局部聚集等现象。9、还利用IB-LBM进行了肺泡、纤毛、颗粒等生物/生理现象的模拟，也形成了一定的成果产出。通过本项目的实施，培养博士研究生2名，硕士研究生4名。共发表论文10篇，其中SCI论文7篇（顶刊4篇），中文论文3篇。申请专利1项，出版专著1部；共计参加学术会议5次，作会议报告4次。.科学意义：本项目的实施，为精子运动行为研究提供了一种新的理论研究方法，为人类辅助生殖技术中的精子优选提供了更加完善的研究模型，有助于促进生殖医学发展。