电渗驱动非牛顿混合纳米流体(血液)在具有血细胞比容依赖粘度的多孔重叠不规则狭窄动脉中的生物医学模拟研究

本研究针对心血管疾病治疗中药物递送的挑战，创新性地探究了Ag-TiO2/血液混合纳米流体在电渗作用下通过不规则和重叠狭窄动脉的流动特性。通过Sutterby流体模型表征血液非牛顿特性，结合血细胞比容依赖粘度、电磁场及热辐射等多物理场耦合，采用显式有限差分法揭示了纳米颗粒体积分数增加1%可使血流速度提升41.08%（不规则狭窄）和37.93%（重叠狭窄）。该研究为靶向给药和心血管疾病诊断提供了重要理论依据。

　　

心血管疾病是全球致死率最高的疾病之一，其中动脉粥样硬化导致的血管狭窄严重威胁人类健康。传统治疗手段面临药物靶向性差、局部浓度不足等挑战，而纳米流体技术为精准给药带来了新希望。在此背景下，研究人员开展了电渗驱动混合纳米流体在狭窄动脉中流动特性的创新研究，相关成果发表在《Computers in Biology and Medicine》上。

该研究聚焦两个关键临床问题：一是血液作为非牛顿流体的复杂流变特性，二是狭窄病变形态多样性对血流动力学的影响。通过将银-二氧化钛(Ag-TiO₂)纳米颗粒引入血液，研究团队构建了更接近生理环境的药物载体模型。特别值得注意的是，研究首次在模型中整合了血细胞比容依赖的粘度变化，这源于血液中红细胞(RBCs)浓度的动态波动——临床数据显示，血细胞比容每增加1%将导致血液粘度上升4%。

为解析这一复杂系统，研究人员采用了多尺度建模策略。宏观尺度上，通过圆柱坐标系建立了包含连续性方程、动量方程、能量方程和浓度方程的偏微分方程组；微观尺度则考虑了电双层(EDL)效应，在动脉内皮带负电（由糖蛋白和蛋白聚糖介导）的生理特性基础上，施加轴向电场和径向磁场。热力学方面整合了Joule加热、粘性耗散和热辐射等多重效应，使模型兼具物理真实性和计算可行性。

关键技术方法包括：1）基于显式有限差分法(FTCS)的数值求解；2）采用MATLAB R2023a进行大规模计算；3）Debye-Huckel近似处理Poisson-Boltzmann方程；4）Sutterby流体模型表征血液剪切稀化特性；5）多参数耦合分析（电磁参数Ma²、电渗参数u_e等）。

主要研究发现：

1. 血流动力学特性：Ag-TiO₂/血液混合流体的流速显著高于纯血液或单一纳米颗粒体系。当纳米颗粒体积分数增加1%时，不规则狭窄动脉中的血流速度提升41.08%，重叠狭窄动脉中提升37.93%。这与纳米颗粒增强电渗流动和改善流体热物理性质有关。

2. 壁面剪切应力：不规则狭窄病变处的壁面剪切应力(WSS)幅值明显高于重叠狭窄，这种差异在磁参数(Ma²)增大时更为显著。高WSS区域与临床报告的血管损伤部位高度吻合，为预测动脉粥样硬化进展提供了量化指标。

3. 热传输效应：辐射参数(N_R)的增加导致努塞尔数(Nu)降低，而粘性耗散和Joule加热的耦合作用显著影响温度场分布。值得注意的是，Ag-TiO₂纳米颗粒展现出优异的光热转换效率，这对肿瘤热疗应用具有启示意义。

4. 质量传输特性：化学反参数和Schmidt数(Sc)共同调控浓度场分布。电渗流动显著增强了纳米颗粒在狭窄区域的局部分布，这种"电泳聚焦"效应可提高药物靶向递送效率。

讨论与展望：该研究通过多物理场耦合模型，首次系统揭示了电渗-磁协同作用下纳米流体在病理性狭窄血管中的传输机制。其临床价值主要体现在三方面：1）为磁性靶向给药系统设计提供参数优化依据；2）通过WSS预测易损斑块位置；3）Ag-TiO₂纳米颗粒的双重治疗（药物载体+光热剂）潜力。研究也存在一定局限，如Debye-Huckel近似可能低估电双层非线性效应，未来可结合分子动力学方法进行多尺度优化。

这项由国内团队完成的研究，将计算流体力学与纳米医学深度融合，为心血管疾病治疗提供了新的理论框架和技术路径。特别是在中国心血管疾病负担日益加重的背景下，此类基础研究对发展原创性治疗策略具有重要战略意义。随着3D打印血管模型和人工智能算法的引入，该模型有望进一步转化为个性化医疗工具，推动精准医学的发展。