基于卡若-亚苏达流变模型的关节滑液磁纳米润滑多物理场耦合模拟：从流变学到神经疼痛信号的概念验证

《Scientific Reports》：Numerical study of magneto-nanolubricant transport through a porous wavy channel using three non-Newtonian rheological models

　　

摘要

关节炎性膝关节中的滑液动力学涉及非牛顿流变学、多孔软骨、蠕动运动、磁性纳米颗粒以及神经疼痛通路，然而现有模型极少将这些现象耦合在一起。本研究开发了一个有限体积框架，用于模拟通过波浪形多孔通道（代表关节软骨间隙）的磁纳米润滑液流动。该框架集成了三种非牛顿粘度模型——指数模型、可变剪切变稀指数模型以及具有温度与浓度双重依赖性的卡若-亚苏达模型，并结合了感应磁场（保留完整的感应方程）和菲茨休-那古莫神经激活模型。采用嵌套割线算法以强制满足一个波长范围内的压力周期性，并对每个控制方程模块进行了闭式极限验证。在三种流变模型中，只有卡若-亚苏达模型将粘度同时与温度场和纳米颗粒场耦合，产生了一种指数模型和可变指数模型无法复现的缓和响应。感应磁场由软骨渗透率（通过达西数表征）和磁雷诺数共同控制，并随着渗透率下降至骨关节炎水平而减弱。将这些传输场（主要是温度和纳米颗粒浓度）与神经激活变量关联起来，为疼痛信号的机制通路提供了概念验证，同时提高雷诺数会增加维持流动所需的压力梯度，从而改变润滑状态。综上所述，温度-浓度卡若-亚苏达流变模型、压力周期性公式、感应磁场动力学以及流体-神经耦合，共同提供了一个框架，用于探索软骨孔隙率、炎症以及外加磁场如何影响滑液传输，并有望应用于个性化骨关节炎治疗。