基于气液固三相流模型的原位血栓形成机理研究

血小板的粘附、聚集、释放和凝血作用导致了原位血栓的形成，红细胞对血小板的碰撞和夹带在原位血栓的形成中也起着重要的作用。血液流动的剪切率、红细胞压积等参数在促使血小板聚集、导致血栓形成中具有重大的意义，能够模拟血小板、红细胞的运动及其与受损血管壁面相互作用的血液动力学模型是研究血栓形成机制的重要手段。本项目拟借鉴多相流体力学的研究手段研究血小板和红细胞的流动特性，耦合基于非结构化网格的VOF算法、血小板聚集粘附模型和红细胞变形模型，发展气液固三相流数理模型。同时建立微流控芯片实验系统，观测流道几何形状、剪切率、红细胞压积等对血小板与受损血管壁面纤维蛋白原的粘附过程，深入研究血小板/红细胞/受损血管壁面之间的相互作用机理，分析原位血栓形成的血液动力学机制，为揭示原位血栓的形成机制奠定基础。本项目有助于丰富和完善多相流学科体系，具有重要的理论和学术意义及实际应用价值。

本项目以含有血小板和红细胞的血浆流动为对象，通过实验观察和数值模拟研究了原位血栓的生成机理。在实验测量方面，搭建了一套观察微尺度液液两相流动的微流控实验平台，可视化观察了交错和十字聚焦微通道内微液滴的生成和破裂过程，绘制了流型图并给出了不同流型之间的转换准则，得到了预测不同流型下微液滴尺寸大小的经验公式。实现了未染色、非球形血小板颗粒的体外可视化流动特性测量，比较了不同壁面切变率下血小板悬浊液中的血小板颗粒速度与血浆速度，发现血小板颗粒由细胞膜包裹，且体积较小，其形状在流动过程中基本不变，流速与血浆流速区别不大。采用激光照射加热SD大鼠背部血管的方式成功诱导产生了血栓，得到了血栓的运动规律，为验证数值算法提供了有力的数据。.在数值模拟方面，发展了一种基于非结构化网格的二阶精度PLIC界面构造方法，形变误差总体优于结构化网格。发展了基于非结构化网格的投影法并将其与PLIC界面构造方案进行耦合，将CSF模型针对非结构化网格进行了优化，有效提高了表面张力的计算精度，消除了由于表面张力离散化导致受力不均而产生的虚假流动，提高了计算的稳定性。发展了基于非结构化四面体网格的三维血小板、红细胞流动三相模型，对连续相血浆采用PISO算法完成速度与压力的耦合，血小板颗粒的流动由拉格朗日颗粒轨迹方程描述，红细胞的界面由基于非结构化四面体网格的快速VOF方法构造。针对病变状态下血小板与血管壁面和红细胞的吸附，建立了多弹簧红细胞模型。活化血小板粒子流动附着于壁面并被固定的过程用可旋转的弹簧力模型描述，血小板与红细胞的吸附作用模化为活化血小板粒子与红细胞最外层吸附粒子之间的吸引力，成功模拟了红细胞的坦克履带式运动以及血管中红细胞/血小板/受损壁面的吸附过程。研究了颈动脉分叉和门静脉系统的血流动力学及血栓生成机理和影响规律，为有关手术的预后提供了理论指导。.本项目为研究复杂的血液流动提供了切实可行的高效新算法，拓宽了多相流的学科内涵，具有重要的学术意义和应用价值。.项目成果：发表论文59 篇，其中国际期刊论文13篇，国内核心期刊论文7 篇，SCI 收录12 篇次，EI 收录15 篇次，国际会议特邀报告5篇，国内会议特邀报告3篇，国际会议论文分组报告8 篇，国内会议分组报告22 篇。授权发明专利2 项、公示发明专利1 项。