多階層スケールの流動解析による赤血球と内皮グリコカリックスの力学的相互作用の解明

使用多级流分析阐明红细胞和内皮糖萼之间的机械相互作用

基本信息

批准号：
19K20659
负责人：
宮内優
金额：
$ 2.66万
依托单位：
University of Miyazaki (2021-2022)Tohoku University (2019-2020)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

血管内皮を覆う血管内皮細胞の膜表面にはグリコカリックスと呼ばれる、糖鎖に連なったブッシュ状の高分子膜タンパク群が存在しており、グリコカリックスの損傷が様々な循環器系疾患を引き起こすことが知られている。本研究は赤血球とグリコカリックスの力学的相互作用の解明を目的としている。これまでの研究において、傾斜遠心力下で壁面近傍を移動する赤血球の数値解析に赤血球の曲げ剛性モデルを導入すると、赤血球が壁面に近づいたときに計算が不安定になり、計算が破綻すること、単純せん断流れ場の球形カプセル挙動の解析では先行研究と同様の結果が得られることが確認された。本年度は、作成したコードの検証の続きとして、単純せん断流れにおける赤血球挙動の解析を行った。赤血球の弾性にはSkalakモデルを使用しており、有限要素法によって離散化されている。単純せん断流れにおける単一赤血球の変形挙動は、無次元パラメータであるキャピラリー数によって整理される。本解析においてもキャピラリー数が小さい場合に現れる赤血球の形状を維持したまま、赤血球が回転するタンブリング運動は再現されたが、その運動は周期的でなく、不自然な挙動を示した。また、キャピラリー数が大きい場合には、流れの方向に伸長した楕円形に近い形状になることが報告されているが、本解析で得られた赤血球形状は先行研究とは異なる形状となった。これらの問題が生じた理由として、本解析で設定した計算領域が赤血球形状に比べて十分に大きくないこと、赤血球膜の格子点の時間発展の計算精度が低いこと、流体用の格子点数が少ないことなどが考えられる。今後はこれらの計算条件や計算法を変更し、問題の解決を試みる。

在覆盖血管内皮的血管内皮细胞的膜表面上，有一组与糖链相连的灌木状聚合物膜蛋白，称为糖萼，已知糖萼的损伤会导致各种心血管疾病。本研究旨在阐明红细胞和糖萼之间的机械相互作用。在之前的研究中，当红细胞的弯曲刚度模型被引入到在倾斜离心力下靠近壁运动的红细胞的数值分析中时，证实了当红细胞接近壁时计算变得不稳定并且破裂。对简单剪切流场中球形胶囊行为的分析得出了与之前研究相似的结果。今年，作为对我们创建的代码进行验证的延续，我们分析了红细胞在简单剪切流中的行为。 Skalak模型用于红细胞的弹性，利用有限元方法对其进行离散化。单个红细胞在简单剪切流中的变形行为由毛细管数组织，毛细管数是无量纲参数。在该分析中，再现了毛细血管数量较少时出现的红细胞在保持红细胞形状的同时旋转的翻滚运动，但该运动不是周期性的，表现出不自然的行为。此外，据报道，当毛细血管数量较多时，形状会接近于在流动方向上拉长的椭圆形，但本次分析中获得的红细胞形状与之前的研究不同。造成这些问题的原因是本次分析中设置的计算区域相对于红细胞的形状来说不够大，红细胞膜网格点时间演化的计算精度较低，以及红细胞膜网格点时间演化的计算精度较低。流体的网格点数量很少，可以考虑的事情很多。今后我们将尝试通过改变这些计算条件和计算方法来解决问题。