基于粘弹性模型的血液润滑性能研究

论文摘要

人工心脏、人工心肺机等人工器官的研制和使用过程中机械部件的磨损严重影响着其寿命和可靠性,良好的润滑不仅可以减小人工器官的磨损,延长其使用寿命,还可以保证病人的生命安全,提高生活质量。利用患者自身血液作为这类人工器官的润滑剂,可解决上述难题。血液是具有生理活性的流体,其组分复杂,流动性特殊,这就使得血液润滑带来优越性的同时也带来了一定的难度,加之以往对血液的研究主要集中在生理和病理等临床医学领域,将其作为机械部件的润滑剂是前人所未作过的尝试性探索研究。在血液流变学的基础上,探讨血液的各理化指标,结合血液的特殊流变性,利用线性粘弹性模型—Maxwell流变模型来描述血液的宏观的非牛顿流体特征和血细胞的微观粘弹性特征。在此模型的基础上,从微观和宏观两个方面对血液的润滑特性进行研究。本文针对血液的特殊性,分析讨论了影响血液润滑的因素—红细胞的聚集、变形、组分变化、摩擦界面的表面性能及温度变化等因素。针对血液润滑的特殊性,提出了评价血润滑性能的判定指标:(1)生物相容的指标—血栓;(2)生理限制的指标—溶血;(3)反映润滑性能的能承载能力;(4)温度限制。材料的表面性能决定了血细胞在摩擦界面的吸附特征及润滑过程中的表现。血细胞在材料表面的吸附会对血液的润滑性能产生影响。本文利用原子力显微镜研究了吸附在钛合金表面和云母表面的红细胞形态变化。从微观细胞力学的角度探讨在润滑过程血细胞的吸附特性和微观力学行为,在细胞力学的基础上建立了血细胞的粘附模型。基于所建立的粘附模型,从微摩擦的角度探讨血细胞的微摩擦机理,首次利用原子力显微镜研究生物细胞表面的微摩擦力及摩擦系数,从微观上研究血液的润滑提供了条件。针对血液粘弹性的特征,从分析血液组分出发,研究了红细胞比积的变化对血液粘弹性及润滑性能的影响,对不同红细胞比积的血液的承载能力进行了实验研究,发现红细胞的比积大小影响着血液的承载能力,红细胞比积越大,血液的承载能力越强。结合宏观摩擦实验,对原来建立的血液宏观粘弹性模型进行了修正,并在此基础上建立了红细胞比积和血液承载能力的关系模型;结合血液组分的动态变化和润滑间隙的动态变化,研究了血液润滑状态的变化,针对不同的血液润滑状态建立了血液润滑状态模型。推导了基于血液宏观Maxwell粘弹性模型的雷诺方程,并将此雷诺方程应用于微型轴流式血泵的仿真分析,得出了相应结论,为进一步研究血液的润滑和血泵结构的优化提供了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 课题来源、研究背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究背景及意义
• 1.2 与血液润滑相关领域研究现状
• 1.2.1 血液的流变特性的研究现状
• 1.2.2 血细胞模型及血液的本构方程的研究现状
• 1.2.3 血液流场的研究现状
• 1.2.4 血液相容性研究现状
• 1.2.5 其它人工器官润滑剂的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 主要研究工作
• 1.3.2 研究方法和路线
• 第二章 血液流变特征及粘弹性模型的建立
• 2.1 血液组分及理化特性
• 2.1.1 血液组分特征
• 2.1.2 血液的理化指标
• 2.2 血液流变特性
• 2.2.1 血液宏观流变性
• 2.2.2 血液的微观流变性
• 2.2.3 血液本构方程
• 2.3 血液粘弹性模型
• 2.3.1 血液的宏观 Maxwell模型
• 2.3.2 血细胞的微观粘弹性
• 2.4 影响血液润滑的因素分析
• 2.4.1 切变率对血液润滑性能的影响
• 2.4.2 血液组份变化对其润滑性能的影响
• 2.4.3 摩擦界面性能对血液润滑性能的影响
• 2.4.4 温度对血液润滑性能的影响
• 2.5 评价血液润滑效果的指标
• 2.5.1 生物相容性指标—血栓限制
• 2.5.2 生理指标限制—溶血指标
• 2.5.3 润滑剂的摩擦评价标准—承载能力限制
• 2.5.4 温度限制
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于粘弹性模型的血细胞微观摩擦学研究
• 3.1 血细胞在材料表面的吸附特性
• 3.1.1 实验原理和方法
• 3.1.2 生物样品制备技术要求
• 3.1.3 吸附在云母表面的红细胞
• 3.1.4 吸附在钛合金表面的红细胞形貌
• 3.2 红细胞粘附模型及实验研究
• 3.2.1 基于微观粘弹性模型的血细胞粘附模型
• 3.2.2 红细胞粘附实验原理
• 3.2.3 红细胞表面的粘附力实验
• 3.3 基于粘附力模型的红细胞表面的微摩擦分析
• 3.3.1 微摩擦力分析
• 3.3.2 微摩擦力与表面形貌的关系
• 3.3.3 微摩擦力回路曲线
• 3.3.4 微摩擦力载荷关系
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于宏观 Maxwell模型的血液润滑性能研究
• 4.1 血液的表观粘度与比积之间的关系
• 4.2 四球法测定润滑剂承载能力
• 4.2.1 四球机的工作原理
• 4.2.2 血液承载能力实验准备
• 4.3 红细胞比积对血液的承载能力影响的实验研究
• 4.3.1 血浆的承载能力实验研究
• 4.3.2 不同比积的血液的承载能力实验研究
• 4.4 基于宏观粘弹性模型的血液承载能力与红细胞比积的关系
• 4.4.1 与红细胞比积相关的粘弹性模型
• 4.4.2 血液承载能力与红细胞比积经验公式
• 4.4.3 模型验证
• 4.5 红细胞比积对血液的润滑状态的影响
• 4.5.1 流体的润滑状态
• 4.5.2 血液的不同润滑状态模型
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于宏观 Maxwell粘弹性模型的血液润滑应用研究
• 5.1 基于宏观粘弹性模型的血液润滑方程
• 5.1.1 基于Maxwell流变模型的Reynold方程的推导
• 5.1.2 基于Maxwell粘弹性模型的血液润滑模型应用
• 5.2 基于宏观粘弹性模型的血液润滑应用实例
• 5.2.1 基本公式及边界条件
• 5.2.2 仿真结果与分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 本文主要工作和结论
• 6.2 论文主要创新点
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的主要成果