12211

12211

مدلسازي رفتار سلولهاي منفرد در جريان خون با استفاده ازشبكه بولتزمن

دكتري

مكانيك - تبديل انرژي

آبان 1392

آبان 1392

دكتر مهدي نويد بخش

چكيده گلبولهاي قرمز يكي از اجزاي مهم خون با درصد حجمي 40 % هستند كه به دليل انعطافپذيري بر خواص رئولوژيكي خون تاثير مهمي دارند. در بسياري از بيماريها از جمله بيماريهاي قلبي- عروقي، ديابت و مالاريا، اين سلولها سختتر شده و خاصيت انعطافپذيري خود را از دست ميدهند. اين پاياننامه از روش شبكه بولتزمن- مرز غوطهور براي بررسي رفتار ديناميكي گلبولهاي قرمز درون يك در حالت دو بعدي ميپردازد. گلبول - Re≈ 60 و در محدوده 0.01 μm 20 و طول μm ميكروكانال با ارتفاع قرمز به صورت يك كپسول حاوي مايع با يك غشاء نئوهوكين مدلسازي شده است. روش شبكه بولتزمن براي شبيهسازي جريان سيال در يك شبكه كارتزين ثابت و روش مرز غوطهور براي مدلسازي اثر متقابل سيال- جامد با استفاده از يك مجموعه نقاط متحرك لاگرانژي براي غشاء به كار رفتهاند. براي اعمال شرط مرزي عدم لغزش روي ديوارههاي كانال از شرط بازتاب آينهاي و براي اعمال گراديان فشار در طول كانال از شرط مرزي پريوديك اصلاح شده در ورودي و خروجي كانال استفاده شده است. تغيير شكل گلبولقرمز با استفاده از پارامترهاي ريخت شناسي كه بر اساس ممانهاي سطحي شكل محاسبه ميشوند، تعيين ميگردد. نتايج شبيهسازي براي مسائل شناخته شدهاي مانند جريان حول استوانه و جريان درون محفظه با نتايج تحليلي و عددي موجود معتبرسازي شده است. سپس با استفاده از اين برنامه، رفتار ديناميكي گلبولقرمز مبتلا به بيماري مالاريا، گلبولقرمز خارج از مركز، دو گلبولقرمز بدون اثر متقابل درون جريان و حركت گلبولقرمز از درون يك ميكروكانال با گرفتگي مورد بررسي قرار گرفته است. براي بررسي تغيير شكل گلبولقرمز مبتلا به مالاريا، ابتدا پروفيل شكل براي دو مرحله تروفوزيت و شيزونت استخراج شده و اثر شكل اوليه و مدول الاستيسيته برشي بر نسبت هماتوكريت و تغيير شكل گلبول قرمز در مراحل مختلف رشد انگل مالاريا بررسي شده است. نسبت هماتوكريت گلبول در مرحله تروفوزيت و شيزونت مقدار كمتري نسبت به مرحله رينگ و گلبول سالم دارد. براي كپسول دايروي واقع در خارج از مركز ميكروكانال، اثر مدول الاستيسيته برشي و مقاومت خمشي بر تغيير شكل و پارامترهاي ريختشناسي آن مورد بررسي قرار گرفته است. اثر ديواره در تغيير شكل كپسول نزديكتر به ديوار كانال بيشتر بوده كه در اثر تنشهاي ناشي از ديواره است. با افزايش مدول الاستيسيته برشي، كپسول تغيير شكل كمتري داشته و با سرعت كمتري نسبت به جريان زمينه حركت ميكند. همچنين در اين حالت، حركت چرخش حول خود كه حركتي شناخته شده در مطالعات تجربي است، مشاهده شده است. همچنين سرعت حركت كپسول به سمت مركز كانال كه از شبيهسازي استخراج شده است با رابطه تجربي پيشنهادي مقايسه گرديده و از تطابق خوبي برخوردار است. بهترين تطابق، مربوط به كپسول با مدول الاستيسيته مربوط به گلبول قرمز سالم و مدول الاستيسيته اندكي بالاتر از مقدار طبيعي آن است. حركت كپسول از درون يك ميكروكانال با گرفتگي مطالعه شده و اثر ميزان گرفتگي، مدول الاستيسيته برشي و مقاومت خمشي بر تغيير شكل كپسول در نظر گرفته شده است. به طور كلي با افزايش ميزان گرفتگي، حركت كپسول كندتر شده و به انرژي بيشتري براي حركت نياز دارد. از طرفي در محل گرفتگي كپسول با سرعت بيشتري حركت ميكند و به تبادل مواد بين گلبول و جداره اثر گذار است. مدول الاستيسيته برشي اثر چنداني بر سرعت حركت كپسول نداشته ولي بر ميزان تغيير شكل آن در حين عبور از گرفتگي و بعد از آن موثر است. با افزايش تعداد كپسول ها، پروفيل سرعت جريان سيال نسبت به جريان پوازي بدون سلول تختتر مي- شود. همچنين تغيير شكل كپسول دوم به علت قرار گرفتن در جريان پايين دست كپسول اول كمتر مي- باشد. در مجموع، نتايج حاصل از شبيهسازي از تطابق خوبي با نتايج تجربي برخوردار بوده و نشاندهنده كارايي روش تركيبي شبكه بولتزمن و مرز غوطهور براي شبيهسازي رفتار گلبولهاي قرمز و ديگر ذرات تغيير شكل پذير درون جريان است. براي بررسي تغيير شكل كپسول از پارامترهاي ريختشناسي كه بر اساس ممانهاي سطحي محاسبه ميشوند، استفاده شده است.