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血液时变剪切力模拟装置的研究

作者: 符珉瑞;高斌;常宇;刘有军; 
单位:1.北京工业大学环境与生命学部2.浙江大学医学院附属儿童医院,国家儿童健康与疾病研究中心
关键词: 血流动力学;血液剪切装置;剪切力;暴露时间;溶血; 
分类号:
出版年·卷·期(页码):2024·43·5(464-470)
摘要:

目的 开发一种Couette型血液时变剪切力模拟装置,为研究流动诱导的血液损伤提供实验平台。方法 血液剪切装置主要由三个部分组成,分别是驱动控制模块、剪切流产生模块和暴露时间控制模块。其中,最核心的部分是剪切流产生模块,其原型为轴流式血泵,经过重新设计后改为轴流式Couette装置(溶血泵)。溶血泵转子和外壳间存在间隙,用以产生流动诱导的剪切力。溶血泵整体采用医用钛合金制作,前后导叶内使用红宝石滑动轴承。通过注射泵的流量控制暴露时间,采用伺服电机结合同步带传动结构驱动溶血泵转子旋转。利用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟软件Fluent对溶血泵内部流场进行模拟。对血液剪切装置的响应速度和稳定性进行实验验证,并做溶血实验。结果 CFD结果表明,在微小间隙内可以产生一个均匀的高剪切力区域,而其他地方的剪切力较低。由于采用伺服电机驱动,装置最高可以产生300 Pa、25 Hz的时变剪切力。设备在相同条件下进行多次实验时,实验结果的变异系数小于10%。通过调整溶血泵转速和血流速度,在暴露时间(1 s和2 s)和剪切力(50、100、150、200、250 Pa)的矩阵下,采用来自不同个体的血液对剪切诱导产生的溶血进行量化,在相同实验条件下个体之间的差异是影响实验结果的关键因素。结论 血液时变剪切力模拟装置能够满足相关实验要求,在实验过程中需要重点关注由于血液自身差异对实验结果的影响。

参考文献:

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