一种分析脉动血流对流体中物质作用的体外装置及系统制造方法及图纸

一种分析脉动血流对流体中物质作用的体外装置及系统，属血流动力学和生物力学技术领域。基于流体力学原理，利用拓扑优化方法设计装置流道形状，使流道中轴线上流速的空间分布波形与血流波形相似。当物质循环流动通过装置流道时，物质周围流体流速动态变化，将流道中空间变化的流速波形转化为物质感受到的随时间变化的波形，实现对脉动血流环境的模拟，并探究流速波形影响细胞和药物大分子的规律和机理。通过调整流道边界形状，灵活实现对不同生理和病理条件下血流脉动波形的体外模拟，极大降低对流动泵和循环系统元件精度的要求，且装置加工成本低廉、可观测性好，有望为心血管疾病的研究和血液中药物运载体的设计提供便捷高效的实验装置和平台。捷高效的实验装置和平台。捷高效的实验装置和平台。

【技术实现步骤摘要】
一种分析脉动血流对流体中物质作用的体外装置及系统


[0001]本专利技术属于血流动力学和生物力学
，是基于流体力学原理通过体外装置模拟复杂的脉动血流环境，并研究流速波形对流体中的悬浮细胞(如血细胞和肿瘤细胞)、血管壁细胞以及药物大分子的影响。

技术介绍

[0002]人体内血流环境是动态和复杂多变的，在一个心动周期内，动脉血流速度随着心室的收缩和舒张进行波动；心室收缩时血流加快，达到几十厘米每秒的流速峰值，然后流速逐渐减慢；在心缩后期，流速达到第二个峰值；之后心室舒张，流速降低至第一个谷值；在血管的弹性效应作用下，降低至谷值的流速发生反弹，恢复至略低于第二个峰值的流速，然后持续降低直至整个心动周期中的最小流速值；在此之后心室重新开始收缩，进入下一个心动周期。血流速度的峰值、谷值以及心室的收缩和舒张时间受到不同生理和健康状态的影响。例如，女性的第一个心缩峰值通常略低于男性，而第二个心缩峰值和两个流速谷值都高于男性。
[0003]动态变化的血流环境对其中的细胞和大分子物质(如药物颗粒)产生剪切力，进而影响细胞的性质和状态以及药物的释放规律。因此，研究复杂血流环境对细胞分子的作用，对于心血管疾病的诊疗和药物运载体的设计都具有十分重要的意义。
[0004]因为体内难以观测血流情况和其中物质的状态变化，早期研究主要通过构建数值模型(如流固耦合模型)来计算血管内的压强和流速，并估测血管壁细胞和悬浮的红细胞在流体作用下的变形。但由于数值模型简化了复杂的血液流动和细胞性质，计算结果的准确性还有待商榷。近些年研究者利用脉动泵、顺应性室、单向阀、可调阻力阀和连接管道构建了体外循环系统模型，实现了在体外细胞培养腔室内产生脉动血流环境，并研究脉动血流对内皮细胞的作用。这种体外模型干扰因素少且可观测性好，有望为研究脉动血流剪切力作用提供更加准确的结论。但由于脉动泵的控制复杂、可调精度有限，且所形成的的流速波形受到循环系统中各个元件单独和交叉影响，目前还无法成功构建精确模拟体内血流波形的装置系统，更无法根据不同人体生理和病理状况实现个性化血流环境的构建；同时脉动泵成本昂贵，维护困难，限制了这种体外模型的广泛应用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术设计一种基于普通恒速流动泵实现的能灵活模拟脉动血流流速波形的体外装置系统。首先通过拓扑优化方法设计装置流道的边界形状，使沿流道中轴线上流速的空间分布波形与所模拟的真实血流波形相似；其次将物质(如细胞和药物分子)通过流动泵灌注入装置流道中，当物质沿流道中轴线流动时，流道中空间分布的流速波形被转化为物质感受到的随时间变化的流速波形，物质受到的流体剪切力也随之动态变化；最后利用流动泵将液体和物质循环不断地灌注入装置，实现对流体中物质施加周期性变化的剪切力。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种分析脉动血流作用的体外装置，其特征在于，所述的体外装置1包括鞘流入口1
‑
1、物质入口1
‑
2、血流脉动波形生成通道1
‑
3以及流体出口1
‑
4；两个鞘流入口1
‑
1分别通过两条鞘流通道与血流脉动波形生成通道1
‑
3始端相连；物质入口1
‑
2位于两个鞘流入口1
‑
1之间，并通过注入通道与血流脉动波形生成通道1
‑
3始端相连；血流脉动波形生成通道1
‑
3的末端设置流体出口1
‑
4；由物质入口1
‑
2通入的细胞或药物大分子流经注入通道后在鞘流的作用下聚焦于流道中央通过血流脉动波形生成通道1
‑
3，之后经流体出口1
‑
4流出芯片。
[0008]进一步的，所述的一种分析脉动血流作用的体外装置，主要用于研究脉动血流向其中的物质(如红细胞、循环肿瘤细胞和药物大分子等)以及血管壁细胞施加的周期性变化剪切力的作用；具体来说，通过改变血流脉动波形生成通道1
‑
3的边界形状使流道中轴线上流速的空间分布情况与动脉中一个脉动周期内的血流波形相似，当细胞和药物大分子等物质沿中轴线通过血流脉动波形生成通道1
‑
3时，不均匀分布的流速使物质受到流体产生的剪切力随时间动态变化，且变化情况与血流脉动波形相似，从而实现模拟脉动血流环境中物质的受力。
[0009]进一步的，所述的一种分析脉动血流作用的体外装置，通过调整血流脉动波形生成通道1
‑
3的边界形状，能够模拟受性别、年龄和疾病等生理和病理条件影响而产生的不同血流脉动波形，并研究不同波形影响物质性质和状态的规律与机理。
[0010]进一步的，所述的一种分析脉动血流作用的体外装置，基于流体力学原理，通过拓扑优化方法实现装置流道形状的设计。设计长和宽方向(x和y方向)尺寸远大于高度方向(z方向)尺寸的平行板流动腔，由于流体流速在长和宽方向的分量远大于在高度方向的分量，流道沿高度方向的横截面(y
‑
z截面)可近似处理为相同，高度方向的平均流场可近似为理想流场。因此，三维流道的设计和流场的计算可简化为设计在x
‑
y横截面上流道的边界形状以及二维理想流体的流动问题。在x
‑
y横截面上，若所模拟的血流流速波形为u0，则流道形状可通过求解下述优化问题获得
[0011][0012][0013]div u
ρ
＝0 inΩ
[0014]其中是包括了所有可能的流道形状的二维平面，u
ρ
是x
‑
y横截面上沿高度方向的平均流速，p是压强，是应变速率张量，μ是流体黏度，ρ是材料密度，表示ρ的可取值范围，m
α
(ρ)是流体的渗透率，通常定义为(α和q为优化问题的参数)，通过m
α
(ρ)将流体限制在ρ接近于0的区域流动，无法进入ρ接近于1的区域，k是优化问题的参数，通过调整k的值来实现既对流动波形u0的拟合，同时也减少流动能量耗散。结合有限元和优化算法(如牛顿法)求解上述优化问题，得到材料密度ρ在二维平面上的分布，将其中ρ接近于0的区域设置为流道区域，将ρ接近于1的区域设置为边界固体区域，从而实现装置血流脉动波形生成通道1
‑
3形状的设计。
[0015]进一步的，所述的一种分析脉动血流作用的体外装置，当流体通过出口1
‑
4流出装置后，能通过恒速泵2重新注入到装置中，从而实现液体循环流动，以及向其中的物质施加周期性变化的剪切力。
[0016]进一步的，所述的一种分析脉动血流作用的体外装置，由于动脉中血流速度快(通常为4.9
‑
19厘米/秒)，且一个脉动周期约为1秒，设计体外装置1的长度为厘米量级；为了使体外装置1中的流动保持层流状态，体外装置1的宽度设计为毫米量级；通过精密车床或者激光切割PMMA来实现体外装置1的加工。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分析脉动血流对流体中物质作用的体外装置，其特征在于，所述的体外装置(1)包括鞘流入口(1
‑
1)、物质入口(1
‑
2)、血流脉动波形生成通道(1
‑
3)以及流体出口(1
‑
4)；两个鞘流入口(1
‑
1)分别通过两条鞘流通道与血流脉动波形生成通道(1
‑
3)始端相连；物质入口(1
‑
2)位于两个鞘流入口(1
‑
1)之间，并通过注入通道与血流脉动波形生成通道(1
‑
3)始端相连；血流脉动波形生成通道(1
‑
3)的末端设置流体出口(1
‑
4)。2.根据权利要求1所述的一种分析脉动血流对流体中物质作用的体外装置，其特征在于，所述的分析脉动血流作用的体外装置用于研究脉动血流向其中的物质以及血管壁细胞施加的周期性变化剪切力的作用；具体来说，通过改变血流脉动波形生成通道(1
‑
3)的边界形状使流道中轴线上流速的空间分布情况与动脉中一个脉动周期内的血流波形相同，当脉动血流中的物质沿中轴线通过血流脉动波形生成通道(1
‑
3)时，不均匀分布的流速使物质受到流体产生的剪切力随时间动态变化，且变化情况与血流脉动波形相同，从而实现模拟脉动血流环境中物质的受力；通过调整血流脉动波形生成通道(1
‑
3)的边界形状，能够模拟受生理和病理条件影响而产生的不同血流脉动波形，并研究不同波形影响物质性质和状态的规律与机理。3.根据权利要求1或2所述的一种分析脉动血流对流体中物质作用的体外装置，其特征在于，设血流脉动波形生成通道(1
‑
3)的长和宽方向分别为x方向和y方向，高度方向为z方向，在x
‑
y横截面上，若所模拟的血流流速波形为u0，则血...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈柯洁，覃开蓉，周荣信，杨治东，杨庆陆，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：