纯血与含菌全血悬垂液滴蒸发力学机制及其在疾病诊断中的应用研究

《Journal of Fluid Mechanics》：Insights into the mechanics of pure and bacteria-laden sessile whole blood droplet evaporation

本研究针对生物医学诊断中血液液滴蒸发机制不清的问题，通过实验与理论建模相结合的方法，系统揭示了纯血与含菌全血悬垂液滴蒸发的三阶段动力学过程。研究发现细菌浓度在≤109 CFU/ml时对蒸发速率无显著影响，但在1012 CFU/ml超高浓度下会改变冠状区裂纹形态。该工作首次建立了基于润滑近似理论的红细胞输运模型，为血液生物标志物诊断提供了定量力学基础。

　　

在法医学、生物技术和医疗诊断领域，血液液滴蒸发行为的研究一直备受关注。当血液滴落物体表面形成悬垂液滴后，其蒸发过程会留下特定的残留图案，这些图案的特征蕴含着关于血液来源、年龄和成分的宝贵信息。然而，血液作为一种高度复杂的胶体悬浮液，其蒸发机制涉及流体力学、固体力学、软物质物理、表面化学和生物学等多个学科的交叉，定量理解仍然十分有限。以往的研究多基于稀释血液溶液，对全血液滴蒸发机制的深入探索仍面临挑战。

为了深入理解全血液滴蒸发的物理机制，并探究细菌感染对蒸发过程的影响，研究人员在《Journal of Fluid Mechanics》上发表了这项研究。他们通过高精度的光学诊断技术和理论分析，系统地研究了纯血和携带不同浓度细菌的全血悬垂液滴的蒸发力学和沉淀物形成机制。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：使用彩色光学成像系统（包括顶视、侧视和底视）记录液滴蒸发全过程；通过光学轮廓术和扫描电子显微镜（SEM）对干燥残留物进行微观形貌表征；利用活体荧光共聚焦显微镜追踪细菌在液滴内的运动和最终分布；并基于轴对称润滑近似理论，建立了耦合蒸发通量、液滴高度和红细胞浓度的瞬态模型。血液样本来自健康志愿者，细菌使用表达绿色荧光蛋白（GFP）的鼠伤寒沙门氏菌（S. typhimurium）和肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）。

3.1. Global overview

研究发现，全血液滴蒸发过程可根据蒸发速率明确划分为三个阶段（A、B、C）。阶段A（t/t=0-0.2）蒸发最快，边缘蒸发主导，导致接触线处发生溶胶-凝胶（sol-gel）相变，形成凝胶化前沿并向内径向传播。阶段B（t/t=0.2-0.7）为中间阶段，液滴高度减小，凝胶化前沿继续向内传播，最终整个液滴转变为含有微量水分的湿凝胶（wet-gel）。阶段C（t/t_*=0.7-1.0）蒸发最慢，湿凝胶转变为干凝胶（dry-gel），并因干燥应力形成复杂的裂纹图案。研究还发现，在生物体内常见的细菌浓度（c ≤ 10⁹ CFU/ml）下，蒸发速率和最终残留图案没有显著变化；但在超高浓度（c ~ 10¹² CFU/ml）下，冠状区的裂纹模式会偏离典型的径向裂纹。

3.3. Stages of blood drop evaporation

3.3.1. Stage A

在阶段A，由于液滴界面蒸发通量的不均匀性，产生了向外的毛细流动，将红细胞（RBCs）输运至钉扎的接触线处。当红细胞浓度超过临界凝胶化浓度（c_g）时，发生溶胶-凝胶相变，形成凝胶化前沿并径向向内传播。接触线处的蒸发通量随之显著降低。

3.3.2. Stage B

阶段B持续时间最长。液滴在恒定接触半径（CCR）模式下蒸发，接触角持续减小。凝胶化前沿继续向内传播，导致红细胞在边缘区域（冠状区，corona）沉积。在此阶段末期，整个液滴转变为湿凝胶状态。

3.3.3. Stage C

阶段C是湿凝胶向干凝胶转变的最后阶段。残留的微量水分蒸发导致沉淀物从基底上剥离（delamination）。干燥应力使得沉淀物产生裂纹：在较厚的冠状区形成径向裂纹（radial cracks），在中心和外缘较薄区域则形成泥裂状裂纹（mud-flat cracks）。通过底视成像定量测量了水分蒸发和剥离高度的动态过程。

3.4. Generalised mechanics of blood drop evaporation

研究人员建立了基于润滑近似（lubrication approximation）的理论模型，耦合求解了蒸发通量（J）、液滴高度（h）和红细胞浓度（c）的瞬态演化。模型考虑了粘度随红细胞比容（Haematocrit, Ht）的变化，以及凝胶化对蒸发通量的抑制效应（J ∝ (1-c²)）。理论计算得到的最终沉淀物厚度轮廓与光学轮廓术的测量结果高度吻合。

3.5. Characterisation of dried blood residues and bacterial distribution

对干燥残留物的表征显示，裂纹和碎片（flake）的尺寸与局部沉淀物厚度相关。扫描电镜（SEM）观察到了红细胞因渗透压变化而产生的皱缩形态以及形成的缗钱状（rouleaux）堆叠。共聚焦显微镜显示，细菌在毛细流作用下总体呈径向向外运动，但其局部轨迹复杂。在细菌浓度高达10¹² CFU/ml时，冠状区裂纹角度的概率密度函数（p.d.f.）发生明显变化，碎片尺寸也更大。

本研究通过综合运用实验观测、理论建模和微观表征，首次定量揭示了全血悬垂液滴蒸发的三阶段力学机制，并建立了能够准确预测沉淀物轮廓的理论模型。研究证实，在典型细菌感染浓度下，蒸发过程和残留图案保持稳定，这为基于血液沉淀物形态的生物标志物诊断提供了重要的可靠性依据。而在超高细菌浓度下观察到的裂纹模式变化，则揭示了极端病理条件下可能出现的诊断特征变异。这项工作不仅深化了对复杂生物流体蒸发物理的理解，而且为开发新型、非侵入性的疾病诊断工具奠定了坚实的力学基础。