Swinging of red blood cells under shear flow
我们发现，在中等剪切应力（0.1 Pa的顺序）红细胞呈现出振荡的倾斜（摆动）叠加到长期观察到的稳定的坦克踩踏（TT）运动。一种基于初始无应变粘弹性膜包围的流体椭球的模型（形状记忆）预测运动的所有观察到的特征：摆动幅度和周期均增大（TT周期的1/2）在减小剪切应力时，剪切应力触发的向连续摆动和翻滚的窄剪切应力范围间歇状态的转变，以及在较低剪切应力值下的纯翻滚运动。
2007-01-15 physics.bio-ph
Rheology of human blood plasma: Viscoelastic versus Newtonian behavior
我们研究了人血浆在剪切流和拉伸流中的流变特性。虽然我们可以确认在实验分辨率内的剪切流的牛顿行为，我们发现在毛细管破裂流变仪的纯拉伸流的血浆的粘弹性行为。在具有收缩-膨胀几何形状的微流体装置中测试血浆的粘弹性对毛细血管血流的影响。压差测量表明，等离子体具有显着的流动阻力相比，纯水。补充测量表明，等离子体的粘弹性甚至可能导致在某些条件下的粘弹性不稳定性。我们的研究结果表明，血浆的粘弹性不应被忽视，在未来的研究血液流动。
2013-02-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Influence of pulsatile blood flow on allometry of aortic wall shear stress
剪切应力在动脉粥样硬化的形成和发展中起着重要作用。体内测量和外推的关键要素是剪切应力对体重的依赖性。在血流的Poiffille模型的情况下，P.Weinberg和C.研究人员已经表明，主动脉内皮上的剪切应力与体重的$-\frac{3}{8}$次方一样变化，因此小鼠的剪切应力比人高20倍。然而，通过考虑一个更生理振荡Poistuille + Womersley组合流在主动脉中，我们表明，结果显着不同：在较大的群众（$M>10 \ kg$）剪切应力随着体重的权力$-\frac{1}{8}$和修改的人与小鼠的比例为1：8。异速生长和剪切应力的时间梯度值也发生变化：在较大的质量下，$\partialτ/\partial t$变化为$M^{-3/8}$而不是$M^{-5/8}$，人与小鼠的比例为1：150变为1：61。最后，我们证明了血流的不稳定成分不影响峰值速度对体重的恒定异速生长：$u_{max} \propto M^{0}$。这项工作扩展了我们对血液动力学参数对体重的依赖性的认识，并为更精确地将体内测量结果外推到人类和更大的哺乳动物铺平了道路。
2018-02-18 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.TO
Droplet impact of blood and blood simulants on a solid surface: Effect of the deformability of red blood cells and the elasticity of plasma
本研究通过全血与多种同黏度模拟液的液滴撞击对比实验，证明红细胞的高变形能力是血液呈类牛顿撞击行为的关键，血液模拟液应采用可变形颗粒。
2022-01-18 physics.bio-ph physics.flu-dyn physics.med-ph
Haematocrit and Shear Rate Modulate Local Cell-free Layer Thickness and Platelet Margination in Blood Flow Along a Sinusoidal Wall
Università degli Studi di Napoli “Federico II”（那不勒斯费德里科二世大学）；CEINGE Biotecnologie Avanzate “Franco Salvatore”（CEINGE先进生物技术“弗朗哥·萨勒瓦托雷”中心）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）
研究探讨血红蛋白浓度和剪切速率如何影响红细胞动力学、细胞外层厚度及血小板边缘迁移，揭示血小板聚集体形态演变机制，为血栓治疗提供理论依据。
2026-04-07 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.TO
On the rheology of red blood cell suspensions with different amounts of dextran: separating the effect of aggregation and increase in viscosity of the suspending phase
我们研究了红细胞-葡聚糖悬浮液的剪切稀化。显微图像显示，在低聚合物浓度下，聚集随着浓度的增加而增加，直到其达到最大值，然后再次降低至不聚集。这种钟形依赖性也是从流变学测量中推导出来的，如果数据通过悬浮相的粘度正确地归一化，因为大量的聚合物吸附到细胞表面。我们发现，这种剪切速率依赖的钟形的最大值的位置随着悬浮相的粘度的增加而增加，这表明聚集和解聚的动态过程是通过流体动力学相互作用耦合的。这种流体动力学耦合可以被抑制，通过表征悬浮液的80%的红细胞压积产生良好的协议，从显微镜图像的结果。
2015-10-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
von Willebrand Factor unfolding mediates platelet deposition in a model of high-shear thrombosis
高剪切条件下的血栓形成由机械敏感性血液糖蛋白血管性血友病因子（vWF）介导。vWF响应于强流动梯度而展开，并促进流动血液中血小板的快速募集。虽然vWF的血栓形成作用是公认的，但其在复杂流动中的构象反应在很大程度上被血栓形成的数值模型所忽略。我们最近提出了一个连续模型展开的vWF，在那里我们代表vWF运输和流动诱导的构象变化，使用对流扩散反应方程。在这里，我们将vWF组分纳入我们的血栓形成的多组分模型中，其中拉伸的vWF的局部浓度放大了自由流动的血小板的沉积速率，并减少了对沉积血小板的剪切清洁。我们使用三个基准来验证该模型：动脉粥样硬化血栓形成的体外模型、停滞点流和PFA-100，PFA-100是一种常用于筛选血管性血友病（vWD）的临床血液测试。模拟再现了在这些实验中观察到的vWF介导的血栓形成的关键方面，例如血栓位置、血栓生长动力学和阻断血小板-vWF相互作用的效果。PFA-100模拟与报告的正常血液和几种止血缺陷（即血小板减少症、1型vWD和3型vWD）的闭塞时间密切匹配。总体而言，在这项工作中提出的血栓形成的多成分模型，使宏观尺度的三维模拟血栓形成的复杂几何形状在广泛的剪切速率，并占定性和定量止血缺陷患者血液。结果还表明，vWF展开的连续体模型的效用，可以适用于其他数值模型的血栓形成。
2022-09-30 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Flow-induced segregation and dynamics of red blood cells in sickle cell disease
镰状细胞病（SCD）中的血流由于红细胞（RBC）的物理性质的显著改变而与正常血流有很大不同。慢性并发症，如血管壁内皮细胞的炎症，与SCD有关，原因尚不清楚。在这里，进行详细的边界积分模拟，以调查一个理想化的模型流在SCD，一个二元悬浮液的柔性双凹盘状流体填充胶囊和刚性弯曲扁长胶囊，代表健康和镰状红细胞，分别受到压力驱动的流动在一个平面狭缝。关键的观察结果是，不像健康的红细胞集中在通道的中心周围，并在壁附近形成红细胞耗尽层（即无细胞层），镰状细胞主要从悬浮液的主体中排出，并在无细胞层内聚集，显示出强烈的边缘化。这些细胞被发现经历一个刚体一样的滚动轨道附近的墙壁。此外，附加的剪切应力引起的边缘细胞的存在下的墙壁上的计算。与健康RBC悬浮液的壁剪切应力的小波动相比，观察到二元悬浮液的壁剪切应力的大的局部峰值，这是由于边缘化的刚性细胞接近壁。由于已知内皮细胞可机械调节物理力，如剪切应力的畸变，并将其转化为生理过程，如炎症信号的激活，这些结果可能有助于理解与SCD相关的内皮功能障碍的机制。
2020-04-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hemodynamic Bigger Hydrostatic Pressure Instead of Lower Shear Stress Aggravates Atherosclerosis
传统观点认为，血流的低切应力加速了动脉粥样硬化。低切应力如何损伤血管或加重动脉粥样硬化？这是一个令人困惑的问题。此外，静脉的剪切应力与动脉的相对脆弱区（RVZ）相似，而静脉的内膜增厚不像动脉那样明显。随着血流速度的降低，小动脉中有许多地方的切应力较低，而小动脉的增厚不像中型动脉那样明显。这些问题使得我们不能用低切应力来解释动脉粥样硬化的形成。根据伯努利流体方程（P+1/2 \r{ho} v^2+ \r{ho} gh=常数），在一个充满流动血液的封闭管道中，在同一高度，流体静压与血液流速的二次方成反比。在每单位质量的流体微团簇的任何点处，1/2 \r{ho} v^2的减少将被转换为P。因此，在非常短的距离内或在动脉的相同横断中，流体静压（P）与v^2成反比。当血液微团流过很短的距离或同一动脉断面时，以往的研究没有考虑1/2 \r{ho} v^2与P之间的转换，因此，低切应力导致动脉粥样硬化是一种表象，实质是这些血流速度较小的区域具有大得多的静水压力，从而导致动脉粥样硬化。这完美地解释了动脉粥样硬化的诱发部位。
2020-08-20 physics.bio-ph q-bio.TO
Erythrocyte-erythrocyte aggregation dynamics under shear flow
悬浮在血浆中的红细胞（RBC）倾向于聚集并形成红细胞串。在聚集过程中，第一阶段包括RBC双联体的形成[Blood cells，molecules，and diseases 25，339（1999）]。虽然聚集体通常被适度的流动应力解离，但在某些病理条件下，聚集体变得不可逆，这导致高血液粘度和血管闭塞。我们在这里进行二维模拟，研究在不同条件下的剪切流的双重动力学及其对流变学的影响。我们总结了我们的结果在一个丰富的相图中的参数空间（流动强度，粘附能）显示四种不同类型的双峰配置和动力学的双峰的动力学。我们发现，膜坦克踩起着重要的作用，在双重解聚，与红细胞的实验。这里发现的一个显著特征是，当单个细胞进行翻滚时（通过增加囊泡内粘度），由于粘附（即使非常弱）而形成的双峰即使在非常强的剪切速率下也保持稳定。可以看出，在这种情况下，剪切速率的增加诱导的双重构象的适应，允许聚集体抵抗细胞-细胞脱离。我们发现，双态悬浮液的归一化有效粘度随粘附能显著增加，这一事实应影响微循环中的血液灌注。
2020-06-08 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Mechanism of margination in confined flows of blood and other multicomponent suspensions
流动的血液显示出一种称为边缘化的现象，其中白细胞和血小板优先在血管壁附近发现，而红细胞从这些区域耗尽。在这里边际研究使用直接流体动力学模拟的二元悬浮液的硬（S）和软（F）胶囊，以及一个随机模型，该模型结合了悬浮液中的关键粒子传输机制-壁诱导的流体动力学迁移和剪切诱导的对碰撞。随机模型允许直接评估这两种机制的相对重要性，从而表明边缘化（至少在稀释情况下）很大程度上是由于均相（例如s-s）和非均相（s-f）碰撞的微分动力学造成的
2012-09-04 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Mathematical model for blood flow autoregulation by endothelium-derived relaxing factor
流体切应力是心血管系统的重要调节因子，通过内皮衍生的舒张因子（EDRF），即一氧化氮。该机制涉及动脉壁中的生化反应。血管紧张性是血管自动调节的主要机制，对切应力的变化起负反馈作用。本文提出了一种新的恒跨壁压下动脉血流自动调节的数学模型。内皮源性舒张因子一氧化氮、动脉壁的多层结构和动力学扩散过程被考虑在内。对薄壁动脉的极限情况进行了分析研究。给出了线性化系统的稳定性条件。求出了原系统的精确定态解，并对自动调节系统进行了数值模拟。结果表明，动脉对初始径向扰动的适应性和系统对血流变化的响应向新的平衡态的过渡。
2006-04-24 physics.bio-ph physics.flu-dyn
A model for red blood cells in simulations of large-scale blood flows
红细胞（RBC）是血液的重要组成部分。本文介绍了一种包含血液颗粒特性的方法，其目的是研究大规模真实血管中的循环。该方法使用的组合的格子玻尔兹曼方法（LBM）占等离子体运动，和一个修改后的分子动力学计划的细胞运动。数值结果说明了质量的模型在再现已知的血液流变学特性，揭示了红细胞结构的壁剪切应力的影响，与心血管疾病的发展的后果。
2011-07-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.med-ph
Air-blood interface engineered microfluidic device to mimic shear rate gradient induced human bleeding model
本研究设计了气-血界面工程化微流控装置模拟剪切速率梯度诱导的人体出血模型，观察血小板聚集等动态过程，为凝血障碍研究和个性化医疗提供新工具。
2024-07-31 physics.bio-ph
The effect of shear stress reduction on endothelial cells: a microfluidic study of the actin cytoskeleton
如在局部缺血中发生的或由于暴露于微重力（例如在太空飞行中遇到的）而导致的血流量减少引起形成血管内部的内皮细胞所感知的剪切应力水平的降低。在本研究中，我们使用微血管芯片设备，以调查在体外剪切应力的减少对剪切适应的内皮细胞的影响。我们发现，在一个小时的曝光减少壁切应力，人脐静脉内皮细胞经历了他们的肌动蛋白骨架的重组，与应力纤维和肌动蛋白的数量减少被招募到细胞的外周带，表明细胞的表型由于改变流量相当快的变化。
2020-04-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Cytoskeleton influence on normal and tangent fluctuation modes in the red blood cells
我们认为，反常的软红细胞（RBC）在波动光谱实验是显而易见的。结果表明，由涨落数据得到的红细胞有效表面剪切模量$μ_s$与静态变形实验测得的具有相同的数量级。一个简单的微观力学模型的RBC开发用于此目的帐户的影响，有限厚度的细胞骨架上的波动的复合膜细胞骨架系统。体积剪切模量估计为$μ\approx105÷165$ Pa的血影蛋白网络细胞骨架有助于系统的正常和正切波动，并限制脂质膜的波动。在该模型框架内计算的红细胞正向和切向波动均方振幅比$<X_n^2> /< X_t^2>$比在相同弯曲和剪切模量的自由膜中小2-3个数量级
2006-06-30 physics.bio-ph
Peristaltic Pumping of Blood Through Small Vessels of Varying Cross-section
本文研究了微循环系统中血液的蠕动运动。血管被认为具有不同的截面。渐进蠕动波被认为是正弦性质的。血液被认为是Herschel-Bulkley流体。特别关注的是，这里是调查的振幅比，平均压力梯度，屈服应力和幂律指数的速度分布，流线型和壁面剪应力的影响。在此基础上，进行了大量的数值计算。研究表明，由于血管几何形状的不均匀性，血液流速和壁面切应力受到明显的影响。它们对振幅比的大小和流体指数的值也高度敏感。
2012-01-30 math-ph math.MP physics.bio-ph
The influence of physiological flow development on popular wall shear stress metrics in an idealized curved artery
我们数值研究二次流模式和随后的壁面剪切应力分布在弯曲动脉模型的流动发展的影响，我们计算血管指标通常用于评估血流特性的变化，因为它适用于动脉疾病。我们用一个简单的，刚性的180度弯曲管模拟人体动脉，该管具有圆形横截面和恒定曲率，忽略锥度，扭转和弹性的影响。高保真度的数值结果计算从一个内部的不连续谱元素流解算器。本研究中使用的流速为生理流速。我们进行这项研究，使用牛顿血液模拟流体进行脉动流与两个流入条件。第一流动条件完全发展，而第二条件未发展（即均匀）。我们观察和讨论的差异，出现在生理波形的快速加速和减速阶段的二次流模式，我们直接连接的强度变化，这些二次流模式沿曲率的壁面剪切应力指标的差异，为每个入口条件。结果表明，在未开发的条件下，降低轴向速度产生不太强烈的二次流，反过来，降低了壁面剪应力矢量的振荡和多向性质，我们将这种影响与计算应力度量的异常。这些结果表明，潜在的较低的患病率，在弯曲的入口流量是相当不发达的生理相关的结果，以进一步了解血流发展对疾病的影响。
2022-09-18 physics.bio-ph physics.flu-dyn
How does confinement affect the dynamics of viscous vesicles and red blood cells?
尽管它在微流体中的意义，约束的影响，从坦克踩踏（稳定运动）到翻滚（不稳定运动）的动态状态的变形微粒的过渡还没有被详细研究。在本文中，我们研究了一个单一的粘性囊泡的动力学约束剪切作为一个一般的模型系统的红细胞，胶囊，或粘性液滴。从坦克踩踏到翻滚运动的转变可以由内部和外部流体粘度之间的比率触发。在这里，我们表明，过渡可以单独通过减少限制，保持粘度对比度恒定。所观察到的动态结果的变化的相对重要性的粘性，压力和润滑引起的扭矩施加在囊泡。我们的研究结果是感兴趣的设计未来的实验或微流控装置：触发翻滚到坦克踩踏过渡的可能性，无论是通过几何形状或粘度对比单独打开有吸引力的可能性，微流变测量以及检测和诊断的患病红细胞在受限流。
2012-07-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Clot Treatment via Compression- and Shear-Induced Densification of Fibrin Network Microstructure: A Combined in Vitro and In Silico Investigation
本研究结合体外实验与耗散粒子动力学模拟，揭示压缩与剪切联合作用下血栓纤维蛋白网络致密化及红细胞释放机制，为优化机械血栓切除装置提供理论依据。
2025-05-07 physics.app-ph physics.bio-ph
Shear-induced unfolding and enzymatic cleavage of full-length VWF multimers
ADAMTS 13对多聚体凝血蛋白血管性血友病因子（VWF）的蛋白水解对于预防微血管血栓形成至关重要。ADAMTS 13在机械敏感性A2结构域内切割VWF，该结构域被认为在剪切流下打开。在这里，我们结合荧光相关光谱（FCS）和微流控剪切细胞监测实时动力学的全长VWF蛋白水解作为剪切应力的函数。为了比较，我们还测量了在没有剪切但部分变性条件下ADAMTS 13切割野生型VWF的Michaelis-Menten动力学。在剪切下，ADAMTS 13对全长VWF的活性在没有变性剂的情况下产生，如通过FCS和基于凝胶的多聚体分析所证明的。与布朗流体动力学模拟一致，我们发现在阈值剪切速率5522/s下，酶促速率作为剪切的函数呈S形增加。我们还在血浆中观察到ADAMTS 13活性的相同流速依赖性，这与预测止血功能障碍有关。
2015-12-16 physics.bio-ph
Influence of shear rate and surface chemistry on thrombus formation in micro-crevice
血栓栓塞并发症仍然是机械循环支持患者管理的中心问题。尽管在现代心室辅助装置的设计和制造中采用了最佳实践，但这些系统的复杂性和模块化性质通常在流动路径中引入内部台阶和裂缝，其可用作血栓形成的病灶。血栓形成可能性受多种因素影响，包括生物材料的流动和表面化学特性。本研究探讨了这些元素的设置中的血流在微裂缝使用多成分的血栓形成的数值模型。模拟再现了实验观察到的血小板沉积模式，并阐明了流动，剪切速率和表面化学在形成沉积中的作用。研究结果为血液接触器械的设计和操作提供了参考。
2021-04-01 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.TO
Crossover from tumbling to tank-treading-like motion in dense simulated suspensions of red blood cells
通过计算机模拟，我们提供的证据表明，剪切速率诱导的红细胞翻滚坦克踩踏过渡也发生在相当高的体积分数，集体效应是重要的。当悬浮应力与特征细胞膜应力之比超过一定值时，发生这种转变，而与体积分数和细胞变形能力无关。该值与从取向较不有序到高度有序相的过渡相一致。平均细胞变形并没有显示任何签名的过渡，而是遵循一个简单的标度律独立的体积分数。
2013-12-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Modelling pulsatile blood flow through surgically coupled microvascular anastomoses
微血管重建中血管缝合吻合（手术连接）后术后动脉血栓形成的显著发生率引发了UNILINK耦合器等工程解决方案的开发。这些器械降低了血栓形成率，最近的数值研究表明，这是由于与缝合血管相比，吻合部位的剪切应变率降低所致。在这项工作中，我们开发和分析解决微血管吻合问题的第一个数学模型，从而发现使用这些手术耦合装置的血栓形成率可以通过降低连接处壁变形的梯度来进一步降低。
2018-04-17 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Non-Newtonian characteristics of peristaltic flow of blood in micro-vessels
本文关注的是对血液通过微血管（例如，小动脉）的蠕动流动的非牛顿特性的广义理论研究。血管被认为是可变的横截面，血液是赫歇尔-巴尔克利型流体。蠕动流的前进波前假定为正弦/直线段主导（SSD）（扩张/收缩型）;雷诺数被认为相对于微循环系统中的血流较小。控制血液的非牛顿蠕动流动的方程被认为是非线性的。研究的目的是考察振幅比、平均压力梯度、屈服应力和幂律指数对速度分布、壁面切应力、流线型和捕获的影响。据观察，上述数量的蠕动运输的血液在通道中的情况下的数值估计是非常不同的那些在圆形横截面的轴对称血管中的流动。研究进一步表明，蠕动泵，流速和壁面切应力显着改变，由于微循环系统的血管的横截面半径的不均匀性。此外，振幅比的大小和流体指数的值是影响流动行为的重要参数。SSD波传播的影响血液的流动行为的新功能也进行了讨论。
2012-12-14 math-ph math.MP physics.bio-ph
A micro-scale simulation of red blood cell passage through symmetric and asymmetric bifurcated vessels
血液在微毛细管中表现出血细胞比容、流速和有效粘度的异质性。微血管分叉对血细胞的分布和血液流动行为有重要影响。本文对具有发散分叉和会聚分叉的微血管中多个红细胞的二维运动和变形进行了模拟研究。结合流体动力学和膜力学。本文研究了红细胞形状、红细胞压积和细胞膜变形能力对红细胞流变行为和血液动力学的影响。结果表明，以较高流速进入子分支的血液倾向于接受更多的细胞。结果还表明，红细胞在微血管经历了横向迁移的母通道和钝化的速度分布在直段和子分支，这种效果受到影响的形状和初始位置的细胞，红细胞压积，和膜变形能力。此外，观察到汇合尖端周围的无细胞区域。模拟结果与现有的实验结果定性一致。本研究为更好地理解微尺度血流动力学行为提供了基础知识。
2016-02-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Cluster of red blood cells in microcapillary flow: hydrodynamic versus macromolecule induced interaction
我们目前的实验红细胞在生理条件下流过微毛细管。我们发现，红细胞团形成一个微妙的叠瓦之间的流体力学相互作用和粘附力，因为血浆蛋白。簇沿毛细血管形成，大分子诱导的粘附有助于其稳定性。然而，在高的生理流速下，剪切应力克服了部分粘附力，并且由于流体动力学的簇稳定性变得更强。对于纯流体动力学相互作用的情况下，细胞到细胞的距离有一个明显的双峰分布。我们的2D数值模拟囊泡捕捉粘合剂和非粘合剂集群之间的过渡在不同的流速。
2016-09-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cellular blood flow modelling with HemoCell
针对传统血液流变学经验描述适用场景受限的问题，研究介绍了开源高性能细胞级血流仿真工具HemoCell，其采用验证过的红细胞力学模型，可复现复杂细胞系统的输运特性，还展示了在人类疾病中的应用。
2023-05-04 cs.CE physics.bio-ph
Dissociation of red blood cell aggregates in extensional flow
本研究利用双曲微流控收缩通道和CNN图像分析，发现红细胞聚集体在微循环范围内的临界拉伸率下急剧解离，为理解微循环行为、验证模型及临床评估血液聚集性提供了关键数据。
2024-07-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Rotational behavior of red blood cells in suspension---a mesoscale simulation study
血液作为红细胞悬浮液的性质使得计算血液动力学成为一项艰巨的任务。我们的粗粒度血液模型，它建立在软颗粒悬浮液的格子玻尔兹曼方法，使研究的集体行为的顺序10^6细胞悬浮液。在演示了Kolmogorov流中的粘度测量之后，我们重点讨论了Couette流中细胞取向和旋转的统计分析。我们量化的平均倾斜度相对于流量和作为剪切速率和红细胞压积的函数的阶数。我们进一步记录的涡度方向周围的旋转周期的分布，并发现一个明显的峰值附近的理论值为自由模型细胞，即使细胞-细胞相互作用表现出自己在一个相当大的宽度的分布。
2010-10-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Hodge Decomposition of the wall shear stress vector fields characterizing biological flows
提出了一种离散边界敏感的Hodge分解作为主动脉血流中壁面切应力（WSS）矢量场分析的中心工具。该方法是基于新的结果光滑和离散的Hodge-Morrey-Friedrichs分解的流形上的边界和细分的WSS向量场分为五个分量：梯度（无卷曲），共梯度（无发散），和三个调和场从边界诱导，这被称为中心，诺依曼和狄利克雷场。首先，在几种模拟简化体模几何形状（导管和理想化主动脉）中进行WSS分析，以了解五个组件的影响。结果表明，分解是能够区分谐波血液流动所产生的入口谐波循环引起的内部拓扑结构的几何形状。最后，对11例主动脉缩窄（CoA）患者治疗前后及10例对照组进行对比分析。研究显示CoA患者与健康对照组在治疗前后有显著差异。这意味着患病受试者和健康受试者的主动脉形状之间存在全局差异，从而导致一种新型的基于WSS的病理和生理血流分析和分类。
2018-11-21 physics.bio-ph q-bio.QM
Study of non-linear viscoelastic behavior of the human red blood cell
利用红细胞流变仪的数据序列分析了人红细胞在剪切力作用下的非线性行为，并建立了理论模型。通过时隙滤波器消除线性行为，并将六阶Savisky-Golay滤波器应用于所得到的时间序列，其允许消除数据中任何可能的白噪声。对处理后的数据进行快速傅里叶变换，得到一系列频率主峰。结果表明存在一个非线性二次项的Kelvin-Voigt唯象模型。通过递归定量分析研究的关联维数给出C2=2.58。结果表明，在对应于健康供体的每个RBC样品中，潜在的动力学是相同的。
2018-10-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Long ligands reinforce biological adhesion under shear flow
在这项工作中，计算机建模已被用于显示较长的配体允许生物细胞（例如，血小板）以在它们粘附到固体壁之后承受更强的流动。聚合物介导的配体-受体粘附的机制模型之间的微粒（细胞）和一个平坦的墙壁已经开发。粘附和非粘附制度之间的理论阈值已推导出解析和模拟证实。这些结果导致了对许多生物物理过程的更深入的理解，例如，动脉血栓形成，并设计新的仿生胶体聚合物系统。
2018-03-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Axial dispersion of Red Blood Cells in microchannels
本研究通过注入红细胞脉冲并测量其沿通道的分散，提出了一种实验方法，结合模型分析，可简单评估与细胞机械特性相关的横向迁移特征。
2023-03-22 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A unified analysis of nano-to-microscale particle dispersion in tubular blood flow
当颗粒从纳米级变化到微米级尺寸时，与红细胞（RBC）相比，固体颗粒在血流中的运输表现出运输机制的质的差异。几个小组已经研究了微尺度颗粒边缘化的影响。此外，血液中纳米颗粒（NPs）的运输在过去也受到了相当大的关注。这项研究试图通过定量地显示传输机制如何随颗粒尺寸从纳米到微米尺度而变化来弥合这一差距。使用三维（3D）的多尺度方法，在微尺度的管状流的颗粒的分散进行了研究，为各种血细胞比容，血管直径和颗粒尺寸。由于严重的布朗运动，纳米颗粒在整个管半径上表现出不均匀的、平滑分散的分布。通过增加红细胞压积和限制，可以适度增强NP的近壁浓度。此外，存在临界颗粒尺寸（$\sim$ 1 $μ$ m），其导致颗粒过度保留在壁附近的无细胞区域中，即，边缘化在该阈值以上，边集倾向随着颗粒尺寸而增加。RBC增强的剪切诱导扩散率（RESID）超过布朗扩散率（BD）的优势导致RBC负载区域中的径向扩散速率比无细胞层中的径向扩散速率高10倍，这与微尺度颗粒的高边缘化倾向相关。这项工作捕获的颗粒尺寸依赖的过渡从布朗运动占主导地位的分散边缘使用统一的三维多尺度计算方法，并突出了径向分布的RESID和边缘的粒子在受限的血流之间的联系。
2019-10-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
High-speed extended-volume blood flow measurement using engineered point-spread function
生物体中血流的实验表征对于理解心血管系统的发育和功能至关重要，但是还没有报道用于以高精度对大体积厚样品进行快照成像的技术。我们结合了计算显微镜和无衍射，自弯曲属性的艾里光束跟踪荧光珠与亚微米精度通过扩展的轴向范围（高达600 $μ$ m）内的流动血液受精后3天（DPF）斑马鱼胚胎。示踪珠在流动的血液中的空间轨迹被记录在运输过程中通过两个主和intersegmentated血管，和轨迹被发现是一致的使用选择性平面照明显微镜（SPIM）记录的脉管系统的分割。这种方法提供了精确的空间和时间测量的三维血流的基础动力学，如壁剪切应力或心血管疾病的测量增强的理解的潜力。
2018-07-03 physics.bio-ph physics.optics
Cross-sectional focusing of red blood cells in a constricted microfluidic channel
血管和微流体装置中的收缩可以显著改变通过的细胞或颗粒的空间分布，并且通常用于生物医学细胞分选应用。然而，在通道横截面中的细胞聚焦的三维性质仍然很少研究。在这里，我们探索的横截面分布的活的和刚性的红细胞通过狭窄的微流体通道，通过跟踪单个细胞在多个层中的通道深度和整个通道的宽度。虽然细胞是均匀分布在通道横截面收缩前，我们观察到一个强大的几何形状引起的聚焦向四个通道面收缩后。这种横截面聚焦效应的大小随着雷诺数的增加而增加，对于活的和刚性的红细胞都是如此。我们讨论了这种不均匀的细胞分布下游的收缩的结果在一个明显的双峰速度分布在粒子图像测速分析，并表明，捕获的红细胞在回流区的突然建设取决于细胞的变形能力。
2019-12-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
On the Modelling and Numerical Simulation of Non-Newtonian Blood Flow in an Aneurysm
本研究采用Owens血液流变学模型模拟脑动脉瘤血流，提出N-Owens和I-Owens两种数值稳定化技术，发现在高We和Re数下能有效捕捉红细胞聚集效应，且其速度分布与C-Y模型存在差异。
2023-10-20 physics.bio-ph physics.flu-dyn physics.med-ph
Macro-scale Topology Optimization for Controlling Internal Shear Stress in a Porous Scaffold Bioreactor
切应力是调控细胞增殖、迁移和形态发生的重要物理因子。特别地，血管的稳态依赖于剪切应力。为了离体模拟这一过程，已经努力在生长因子的存在下和在脉动流条件下用血管和其他细胞类型接种支架。然而，所得到的生物反应器缺乏关于支架内的剪切应力和流动分布的信息。因此，很难解释剪切应力对细胞功能的影响。这些知识将使研究人员能够改进细胞培养方案。最近的工作集中在优化支架的微观结构参数，以微调剪切应力。在这项研究中，我们采用了一种不同的方法，使流动在整个生物反应器中沿着多孔支架中的通道重新定向，以产生剪切应力分布，该分布针对以目标值为中心的均匀性进行了优化。为此，设计了一种与计算流体动力学模拟相结合的拓扑优化算法。使用遗传算法和模糊逻辑的组合，在多孔支架的通道拓扑结构是不同的。该方法通过使用流场的磁共振成像（MRI）读数的实验进行了验证。
2012-01-09 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Multiscale Parareal Algorithm for Long-Time Mesoscopic Simulations of Microvascular Blood Flow in Zebrafish
各种生物过程，如氧气和营养物质的运输，血栓形成，血管生成和重塑与细胞/亚细胞水平的生物过程有关，其中解决详细的细胞动力学的介观模拟提供了理解和识别疾病的细胞基础的关键。为了打破这一瓶颈，实现生物意义的时间尺度，我们提出了一个多尺度parareal算法，其中一个基于连续求解器监督在时域中观模拟。使用迭代预测-校正策略，由其基于连续介质的对应物监督的时间上并行的介观模拟可以快速收敛。首先，在一个时间相关的流与正弦流量通过Y形分叉通道验证所提出的方法的有效性。计算了流速、壁面切应力和流量等物理量，并与参考解进行了比较，结果表明，在牛顿流体中，流量的相对误差小于1%，在非牛顿流体中，流量的相对误差小于3%.该方法被应用到一个大规模的介观模拟微血管血流在斑马鱼后脑的时间加速。采用耗散粒子动力学作为介观模型，模拟了斑马鱼后脑真实血管网络中心跳的时间依赖性血流，并在多个时间子域中由一维血流模型（基于连续介质的模型）监督。计算分析表明，所得到的微血管血流收敛到参考解决方案后，只有两个迭代。该方法适用于复杂流体和几何形状的长时间介观模拟。
2021-01-21 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Classification of red blood cell shapes in flow using outlier tolerant machine learning
生物对象的人工评估、分类和计数需要大量的时间消耗，并且主观的人类输入可能是错误的来源。调查的形状的红细胞（RBC）在微毛细管Poietille流，我们克服了这个缺点，通过引入一个卷积神经回归网络的自动，离群值容忍形状分类。从我们的实验中，我们预计两个稳定的几何形状：所谓的“拖鞋”和“羊角面包”的形状取决于当时的流动条件和细胞的内在参数。而羊角面包主要发生在低剪切速率，拖鞋演变在较高的流速。与我们的方法，我们能够找到两个“阶段”的稳定形状，这是高度兴趣，随后的理论研究和数值模拟之间的过渡点。使用基于统计的阈值，从我们的数据中，我们获得了所谓的相图，与手动评估进行比较。因此，我们的概念使我们能够对各种流动条件下的测量结果进行客观分析，并获得可比较的结果。此外，所提出的程序，使无偏的研究药物对单个红细胞的流动特性的影响和由此产生的宏观变化的全血的流动行为。
2018-06-21 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.OT
The buckling instability of aggregating red blood cells
血浆蛋白如纤维蛋白原诱导红细胞（RBC）聚集成红细胞叠连，红细胞叠连是血液的显著剪切稀化行为的原因，控制红细胞沉降速率（ESR）（一种常见的血液学测试），并且涉及许多生理相关的情况，如微循环中血液的结构化或病理情况中的凝块形成。共聚焦显微镜用于表征红细胞在红细胞红细胞红三种不同的配置，只有部分预测之前，即降落伞，男女和S形形状，并定量恢复的数值模拟。一个详细的实验和理论分析表明，两个细胞的集群的变形与相互作用能非线性增加。模型表明，在相互作用能的临界值处，接触膜经历了从平坦到变形接触区的屈曲不稳定性。这些结果不仅与理解RBC聚集体的形态和稳定性有关，而且还与一类相互作用的软变形物体如囊泡、胶囊或组织中的细胞有关。
2017-03-03 physics.bio-ph
Balance of microtubule stiffness and cortical tension determines the size of blood cells with marginal band across species
动物的快速血流与大的剪切应力有关。因此，血细胞已经进化出一种特殊的形态和特定的内部结构，使它们能够在几周内保持其完整性。例如，非哺乳动物的红细胞、哺乳动物的成红细胞和血小板都有一个微管的外周环，称为边缘带，它通过推动细胞皮质来改变整个细胞的形态。在这篇文章中，我们模拟了这些细胞的形状是如何源于边缘带弹性和皮质张力之间的平衡的。我们预测，细胞的直径与总微管聚合物的比例，并验证了预测的法律在广泛的物种。我们的分析还表明，边缘带刚度和皮质张力的组合增加了细胞承受力而不变形的能力。最后，我们模拟边缘带卷曲，发生在圆盘到球体的过渡观察，例如在血小板活化的发病。我们发现，当皮质张力增加快于交联剂可以解开，边缘带将线圈，而如果张力增加较慢，边缘带可能会缩短微管滑动相对于彼此。
2016-11-01 physics.bio-ph q-bio.SC
Nanotribology of biopolymer brushes in aqueous solution using dissipative particle dynamics simulations: an application to PEG covered liposomes in theta solvent
我们进行的调查剪切聚合物链接枝在平坦的表面上覆盖聚乙二醇刷作为一个案例研究的有效的药物输送机制，在生物相关的情况下，例如，作为载体的局部治疗疾病的人类血管模型脂质体。对于这些应用，需要特定的流变性质，例如在高剪切速率下的低粘度以改善脂质体的运输。因此，对不同长度和剪切速率的聚合物刷进行了非平衡DPD模拟，得到了θ溶剂条件下体系的平均粘度和摩擦系数随剪切速率和聚合度的变化，发现在大剪切速率下聚合物刷经历剪切变稀，粘度和摩擦系数在θ溶剂中的高剪切速率下服从标度律，而与刷的聚合度无关。这些结果证实了最近的缩放预测和再现非常好的趋势，在高剪切的红细胞在脂质体含有介质中的粘度测量。
2013-10-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Vortical flow structures induced by red blood cells in capillaries
关于毛细血管流动中红细胞周围的血浆的流场的知识对于血液流动以及流动血浆中的微米和纳米颗粒以及分子的运输的物理理解是重要的。我们对毛细血管中红细胞周围的流场进行了实验研究，并对红细胞之间的旋涡流进行了模拟。将红细胞以低血细胞比容注射到10 × 12微米的矩形微通道中，并且由于高速摄像机和通过跟踪作为示踪剂的流动中的250 nm纳米颗粒，已经表征了单个或两个细胞周围的流场。虽然周围的流场被发现是一个稳定的羊角形的刚性球体的相对相似，周围的流场拖鞋形状表现出一个小漩涡的红细胞的后部。更明显的是在两个相邻的羊角面包之间的中心区域观察到的漩涡状结构。结论：涡旋的旋转频率与细胞间的距离成反比，具有良好的近似性。我们的实验数据得到证实，并通过数值模拟补充。
2021-02-25 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.CB
Following red blood cells in a pulmonary capillary
红血细胞或红细胞是双凹形细胞，并且主要由界定具有高浓度血红蛋白的细胞质的膜组成。这种膜是高度可变形的，并允许细胞通过狭窄的通道，如毛细血管，其直径可以比红细胞小得多。由于血红蛋白，它们携带氧气，血红蛋白是一种对氧气具有非常高亲和力的复杂分子。因此，红细胞加载和卸载氧气的能力是其功效的决定性因素。在本文中，我们将集中在肺毛细血管的红细胞捕获氧气。我们提出了一种相机的方法，以数值研究沿整个毛细管的红细胞的行为。我们的目标是了解红细胞沿毛细血管的几何变化如何影响其捕获氧气的能力。本文的第一部分介绍了为红细胞选择的模型以及用于确定和跟踪其沿毛细管形状的数值方法。红细胞的膜是复杂的，并且已经通过来自Mills等人（2004）的超弹性方法建模。然后验证该相机方法，并与标准ALE方法进行比较。在我们的模拟中观察到的红细胞的一些几何特性，然后进行了研究和讨论。本文的第二部分涉及在第一部分中获得的几何形状中的氧和血红蛋白化学的建模。我们从Czerlinski et al（1999）的启发中实现了具有变构状态的完全复杂的血红蛋白行为。
2007-10-29 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
An analytical analysis of vesicle tumbling under a shear flow
在剪切流作用下，囊泡的膜呈现坦克踩踏运动，如果囊泡内外的粘度差不够大，囊泡的长轴指向与剪切应力成< 45度角。在一定的粘度对比度以上，囊泡经历翻滚分叉，已知红细胞的分叉。我们最近提出了这种转变的完整的数值分析。在本文中，我们介绍了一个分析模型，其优点是足够简单，并捕捉数值发现的基本特征。该模型是基于一般的考虑，并不诉诸于明确的计算囊泡内外的全部流体动力学场。
2004-02-02 physics.bio-ph
AI based analysis of red blood cells in oscillating microchannels
本文提出利用TensorFlow深度学习模型分析振荡微通道中的红细胞形态，以超过90%的准确率区分健康红细胞与经甲醛改变粘弹性的红细胞，为血液学诊断提供非侵入性、无标记的定量表征方法。
2023-04-13 physics.bio-ph
Synchronous PIV measurements of a self-powered blood turbine and pump couple for right ventricle support
本研究针对无需外驱的右心辅助血液涡轮-泵系统iATVA，通过同步PIV测量探究涡轮流动动力学，明确了流量与转速、流动角的关联及回流、泄漏等流动特征，验证了其低剪切率优势，为装置优化及数值验证提供依据。
2024-04-15 physics.bio-ph physics.flu-dyn physics.med-ph
Aggregation of Red Blood Cells: From Rouleaux to Clot Formation
已知红血细胞以叠连的形式形成聚集体。这种聚集过程被认为是可逆的，但对结合机制仍然没有完全的了解。至少有两种相互竞争的模型，它们要么基于桥接，要么基于消耗。我们回顾了最近的单细胞水平上的实验结果和理论分析的耗尽模型和细胞的形状对结合强度的影响。另一个重要的聚集机制是由血小板活化引起的。这导致凝块形成，这在伤口愈合的情况下是挽救生命的，但在血栓诱导的中风的情况下也是死亡的主要原因。我们回顾了历史和最近的结果，红细胞参与凝块形成。
2013-10-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Exploring noise-induced chaos and complexity in a red blood cell system
研究了随机红细胞系统的动力学变化及其相空间复杂性。该系统是通过将电源噪声与相关的正弦流。用0-1检验法对红细胞内正弦流动的混沌和非混沌动力学进行了识别。此外，系统中的正弦流的动力学复杂性进行了研究的非均匀递归基于熵。数值模拟进行量化的正弦血流的混沌动力学和复杂性的存在。
2021-01-28 nlin.CD physics.bio-ph
General coarse-grained red blood cell models: I. Mechanics
我们提出了一个严格的程序来获得粗粒度的红细胞（RBC）模型，这导致现实的红细胞准确的力学性能。基于半解析理论，红细胞膜的线性和非线性弹性性质可以与光镊拉伸实验中获得的性质相匹配。此外，我们开发了一个几乎无应力的模型，避免了一些现有的RBC模型的陷阱，如非双凹平衡形状和RBC的机械性能的三角质量的依赖。所提出的RBC模型适用于许多现有的数值方法，例如格子Boltzmann、多粒子碰撞动力学、浸入边界等。
2009-05-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Post-processing techniques of 4D flow MRI: velocity and wall shear stress
由于四维流动磁共振成像（4D Flow Magnetic Resonance Imaging，MRI）得到的原始速度场包含大量的噪声和误差，可用无发散平滑（Divergence-free Smoothing，DFS）方法对4D流动MRI数据进行去噪、去误差、修正缺失数据，最终得到平滑后的流场。然而，传统的DFS方法不具备处理近壁区域流动的能力，尤其是在满足无滑移边界条件时。因此，在本研究中，一个改进的DFS方法与特定的近壁处理，介绍了处理与4D流动MRI内流与弯曲的壁边界的血液流动。另一方面，由于4D血流MRI的分辨率较低，通常会低估近壁区域的速度梯度。因此，需要一个特殊的壁面函数来精确计算壁面剪应力（WSS）。
2019-12-08 cs.CE physics.bio-ph physics.flu-dyn
Molecular Rotors as intracellular probes of Red Blood Cell stiffness
红细胞的变形性是控制血液流变学及其在体内循环的基本参数。因此，表征血液样品中细胞的刚性及其异质性是理解闭塞现象的关键点，特别是在健康细胞与病理细胞共存的红细胞疾病的情况下。然而，在小的生物区室中测量细胞内流变学需要特定技术的发展。我们提出了一种基于分子转子的技术-粘度敏感荧光探针-来评估上述关键点。DASPI分子转子已被鉴定为具有与细胞质主要成分血红蛋白的光谱荧光特性脱钩的光谱荧光特性。在模型流体中作为粘度探针的转子验证后，我们通过共聚焦显微镜表明，除了与膜结合外，转子自发地均匀地渗透到红细胞中。在温度硬化的红细胞上进行的实验表明，分子转子可以探测它们的整体刚度。一个简单的模型使我们能够分离的贡献的细胞质的膜，提供了定量的细胞质硬化与温度，符合独立测量的血红蛋白溶液的粘度。我们的实验表明，转子可用于量化红细胞在细胞水平的细胞内流变学，以及在血液样品中的这种刚度的异质性。这项技术为生物医学应用、诊断和疾病监测开辟了新的可能性。
2021-03-19 physics.bio-ph
