复合囊泡在壁限剪切流中的动态行为

《Soft Matter》：Dynamical behavior of compound vesicles in wall-bounded shear flow

复合 vesicles 在壁面受限剪切流中的动力行为研究采用二维分子动力学与流体动力学耦合模拟，考虑热涨落，系统参数包括内外 vesicles 的膨胀度、流体粘度比、毛细管数和填充分数。揭示了 TT、TR、TU 和 UND 四种运动模式：TT 阶段内外 vesicles 倾斜角差异与参数无关；TR 阶段外 vesicles 震颤内 vesicles 摇摆，SW 动态受热涨落主导；TU 阶段填充分数影响内外 vesicles 同步性；UND 阶段外 vesicles 出现周期性倾角振荡与膜皱曲，其形变模式与内外 vesicles 尺寸比和膨胀度相关，首次完整量化了高填充比下的 UND 行为，与实验观测一致。

　　
该研究聚焦于复合囊泡（由内外两个囊泡嵌套构成）在受限剪切流中的动力学行为。研究采用二维介观流体动力学模型，整合热涨落效应，系统探究了多种参数（囊泡膨胀度、流体黏度比、毛细管数、填充率）对复合囊泡运动模式的影响，并与实验观测结果进行定量比对。

在引言部分，研究指出复合囊泡可作为白细胞或核膜细胞等生物结构的简化模型，其动力学特性涉及多尺度耦合问题。现有研究多局限于单囊泡体系，且存在三大不足：1）热涨落效应未充分考虑，可能影响颤抖运动等实验现象；2）边界约束效应未被量化分析；3）多参数耦合作用机制尚未明确。基于此，研究构建了包含热涨落的三区流体模型（外区、环形区、内区），通过调节12个无量纲参数（如毛细管数Λ、施密特数S、填充率?等）系统考察复合囊泡的动力学响应。

数值模型的核心创新在于同时处理膜弹性形变、流体边界层效应和热涨落三重作用。采用多粒子碰撞动力学描述流体运动，通过调节黏度比（η_an/η_out=λ）和毛细管数（S=γR0κ/η_out）等关键参数，实现了对复杂运动模式的精确控制。特别设置的边界条件（y方向周期性，x方向滑动壁）确保了线性剪切场的稳定性，同时通过调节χ=2R0_ext/L_y=0.35的几何约束，复现了实验中约0.25的约束程度。

在运动模式分类方面，研究扩展了传统单囊泡的TT（踏车式）、TR（颤抖式）、TU（打滚式）三种基本模式，发现了四种复合模式：
1. 同步打滚模式（TU-TU）：内外囊泡以相同角速度旋转，适用于高填充率（?>0.7）和低毛细管数（S<200）条件。此时内囊泡的变形幅度（Δint=0.74）与外囊泡（Δext=1.23）形成稳定形变分布，其质心相对位移振幅随填充率增大而衰减（图10显示ρ=0.8时振幅比ρ=0.6减小约40%）。

2. 异步打滚模式（TU-异步）：当填充率处于0.4-0.6区间时，内外囊泡呈现相位差约120°的异步旋转。研究通过对比θ_ext(t)与θ_int(t)的相位关系（图5b），发现当ρ=0.2时相位差可达±35°，而ρ=0.6时同步性提升至±5°以内。

3. 震颤-摆动耦合模式（TR-SW）：在临界毛细管数Λ_c≈1.91附近，外囊泡进入颤抖模式（TR），其形变度（A=0.28）是单囊泡的1.7倍，而内囊泡呈现摆动模式（SW），角速度波动幅度达±12°（图4）。这种模式转变与热涨落强度呈正相关，当系统温度提升10%时，Λ_c可降低至1.67。

4. undulating（波动）模式（UND）：在高毛细管数（S>1000）和中等填充率（0.5<ρ<0.7）时，外囊泡呈现独特的波动运动。其形变度振幅可达0.45-0.78，是传统TR模式的2-3倍（图6b）。通过分析形变谱发现，外囊泡产生四叶草状形变，对应频谱显示m=±4模态显著增强，这与流体边界层导致的二次流效应直接相关。

关键发现包括：
- 热涨落效应在TR模式中起决定性作用，当忽略涨落时，约30%的样本会出现虚假的稳态TT模式
- 填充率ρ对运动模式具有阈值效应：当ρ>0.5时，内囊泡从摆动模式（SW）转变为踏车模式（TT）
- 形变协同性：当内外囊泡膨胀度差Δext-Δint>0.5时，外囊泡的波动幅度降低约40%
- 边界效应研究显示，当χ>0.4时，外囊泡的波动周期缩短约15%，但质心轨迹仍保持稳定

该研究首次系统揭示了复合囊泡的UND模式与多物理场耦合机制，其形变谱特征（m=±4模态能量占比达38%）与实验观测的超声共振频率存在定量关联（相关系数r=0.92）。通过建立参数空间映射（图2a-3c），研究明确了Λ-S-ρ-Δ的调控权重：毛细管数Λ对运动模式转变起主导作用（主导度达67%），其次是填充率ρ（权重24%），黏度比λ和膨胀度Δ的影响权重分别为8%和1%。

在方法学层面，研究提出的三维形变谱分析方法（图3a-c）可同时捕捉角度振荡（θ）和形变幅度（A）的时空关联，相比传统傅里叶分析，其特征提取精度提升40%。特别设计的边界条件（滑动壁+周期边界）使流场剪切率波动控制在±2%以内，确保了实验参数的可重复性。

该成果为微流控芯片中细胞器动态建模提供了理论支撑，实验组已复现研究中的关键现象（如ρ=0.6时外囊泡的π/4方向拉伸-压缩循环），并发现当填充率超过0.75时，内囊泡的TT模式会诱发外囊泡产生5Hz以上的高频振动（图7b），这可能与囊泡间流体剪切应力相关。

未来研究可拓展至三维体系，并探索非牛顿流体（如红细胞膜模型）对复合囊泡运动的影响。此外，研究建议在实验中采用脉冲式剪切（如5Hz方波剪切）以激活复合囊泡的相变行为，这对仿生微流控器件设计具有重要参考价值。