بخشی از مقاله
چکیده
شبیه سازی گلبول قرمز خون در عروق ، برای اندازه گیری تنش برشی ناشی از دیواره سلول های قرمز خون با استفاده از الگوریتم شبکه بولتزمن انجام شد. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که مقدار تغییرات عمدتا توسط اندازه شکاف بین دیواره سلولی تعیین می شود، در حالی که محدوده فضایی تنش برشی بستگی به طول سلول و همچنین اندازه ریز رگ دارد . برای یک نقطه خاص در دیواره رگ، تغییرات تنش برشی در مدت زمان کوتاهی در سرعت جریان بالاتر افزایش می یابد و بالعکس .همانطور که غلظت سلول در ریز رگ افزایش می یابد، ساختار تنش برشی بر اساس دو پیک از دو سلول نزدیک به هم می پیوندد و در نهایت تنها یک پیک در هماتوکریت 30.72 مشاهده می شود .
با این حال، اثر هماتوکریت بر میزان تغییرات تنش برشی کمتر ، واضح نیست و طبیعت پویا تنش برشی هنوز هم قابل توجه است .به سبب سادگی این مدل، ممکن است نتایج بدست آمده در اینجا قادر به نمایش موقعیت تنش برشی واقعی نباشند . نتایج گزار ش شده در این فعالیت ممکن است در سیستم های آزمایشی به کارگیری تنش برشی و اندازه گیری کمک کنند. برای نمونه ، هنگامی که سلول قرمز حرکت می کند ، ضخامت لایه ی گلیکوکالیکس ایندوتلیال می تواند به میزان زیادی کاهش یابد و سپس تمام مسیرهای عبوری سلول ها را پوشش می دهد. همچنین ترکیب و ساختار آن می تواند با تحمیل به موقعیت های تنش برشی تغییر یافته ،تغییر کند.
-1 مقدمه
سطح داخلی رگ های خونی و مویرگ ها با سلول های ایندوتلیال تک لایه آراسته می شود، که قادر به تشخیص حس و واکنش به محرک از جریان خون است. به عنوان یک بخش ضروری نیروی هیدرو دینامیک ناشی از جریان خون، تنش برشی تاثیر قابل توجهی بر مورفولوژی و عملکردهای سلول ایندوتلیال دارد. مشاهدات داخل بدن نشان می دهند که تنش برشی یک فاکتور مهم در تعیین شکل و جهت گیری سلول های اندوتلیال است. همچنین توجه داشته باشید که تنش برشی می تواند مجموعه ای از تعاملات و روابط بیوشیمیایی را در سلول های اندوتلیال القا کند و برای مثال این روابط می توانند منجر به فعال سازی کانال هایی یونی و آماس عروق شوند. علاوه براین ، تغییرات در بیان ژن های مختلف نیز در سلول های اندوتلیال به دلیل واکنش به تنش برشی شناسایی شدند.
لذا، مطالعات اخیر نشان می دهند که گلیکوکالیکس ایندوتلیال ، یک لایه از درشت مولکول های مختلف متصل به سلول های اندوتلیال ، نقش مهمی را در انتقال و هدایت الکتریکی محرک بیوشیمیایی مانند تنش برشی به سیگنال های بیو شیمیایی موجود در سلول های اندوتلیال ایفا می کند. روش های مختلفی برای اندازه گیری تجربی و آزمایشی سلول های تنش برشی در میکروسیرکولاسیون وجود دارد. اگرچه، این اندازه گیری ها به عروق های کوچک نسبتا بزرگ به سبب مقیاس کوچک و ماهیت دینامیک درگیر در عروق کوچک یا حتی مویرگ ها محدود شده اند.
اسکومب و همکارانش حرکت سلول قرمز خون و تغییر شکل با لایه ی مدل سازی شده ی گلیکوکالیکس ایندوتلیال را به عنوان یک ماده ی متخلخل مورد مطالعه قرار دادند. دوپن و همکارانش جریان های سلول قرمز خون جمع شده را در یک کانال مستطیلی سه بعدی شبیه سازی کردند و پراکندگی فشار در میان سلول های قرمز خون نشان داده شده است. اخیرا، ژانگ و همکارانش یک فرآیند دینامیکی از توسعه و رشد لایه ی سلول را نشان دادند. سلول های قرمز خون مهم ترین مؤلفه ی خون برای عملکردهای بیولوژیکی و تاثیر مستقیم بر هیدرو دینامیک ها هستند. در نتیجه ، خواص غیرعادی و نا هنجار سلول قرمز خون معمولا با شرایط پاتولوژیکی مختلف مانند بیماری های قلبی ، فشار خون ، دیابت ها ،سرطان ، مالاریا، آنمی، بیماری سیکل سلول و ترومبوزیس در ارتباط هستند.
عملکرد اصلی سلول های قرمز خون تحویل اکسیژن و حذف دی اکسید کربن است و فرآیند مبادله ی این گاز عمدتا در شبکه ی عروقی کوچک متشکل از ریز رگ ها و مویرگ ها اتفاق می افتد. چندین ویژگی منحصر به فرد سلول قرمز خون، شامل غشاء بسیار انعطاف پذیر ، یک شکل مقعرالطرفین ویژه و سیال هسته ای داخلی با تغییر شکل قابل توجهی آنها را قادر به حرکت در برخی مسیرهای باریک و محدود با قطر کوچکتر از اندازه سلول قرمز خون می کند . در برخی شرایط ، سلول های قرمز خون همانند کپسول های قابل تغییر انفرادی رفتار می کنند. ماهیت دینامیک و گسسته ی جریان سلول قرمز خون قطعا ویژگی های تنش برشی تجربه شده توسط سلول های ایندوتلیال را تحت تاثیر قرار می دهد .اگرچه، این موضوع مهم تاکنون مورد بررسی قرار نگرفته است.
در این مقاله ، ما از لحاظ عددی فرآیند دینامیک جریان های سلول قرمز خون را از طریق یک مدل ریز رگ - عروق کوچک - مورد مطالعه قرار می دهیم. یک مدل شبکه بندی کرانی غوطه ور شده ی بولتزمن برای ترکیب دینامیک های سیال ، مکانیک های غشاء، و همچنین تعامل غشاء- سیال به کار گرفته شد. شبیه سازی ها با کنترل تغییر شکل سلول های مختلف ،اندازه عروق کوچک ،گرادیان تنش، و هماتوکریت انجام پذیرفتند. نتایج نشان می دهند که افزایش تغییر پیک – دره - شیار - -پیک فشار برشی در دیوار رگ در نتیجه ی جریان سلول قرمز خون اتفاق می افتد. ویژگی های مختلف شامل نوسان، دامنه نوسان فضایی و مدت زمان به پارامترهای سیستم خاص بستگی دارند.
- 2 مکانیک غشاء سلول قرمز خون
غشاء سلول قرمز خون با یک مقاومت خمش محدود بسیار قابل تغییر است که در نواحی با خمیدگی های بزرگ عمیق می شوند.
-3 روش شبکه بندی بولتزمن برای دینامیک های سیال
در روش شبکه بندی بولتزمن ، یک سیال به عنوان ذرات – کاذب در حال حرکت در یک حوزه ی شبکه بندی شده در مراحل زمان گسسته مدل سازی می کند. یک متغیر اصلی در روش شبکه بندی بولتزمن توزیع چگالی Fi - x,t - است ، که مقدار ذرات در حال حرکت با شتاب i ام منظم c در موقعیت x و در زمانt را نشان می دهد. ارزیابی زمان پراکندگی های چگالی با معادله ی بولتزمن منظم یا شبکه ای کنترل می شود که می تواند به عنوان گونه ی گسسته ای از معادله ی بولتزمن در فیزیک های آماری کلاسیک در نظر گرفته شود.
