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瞬态空化中微气泡与细胞相互作用的边界元建模研究

耿昊  
【摘要】:微气泡的空化效应可引发细胞膜上的声孔效应,对于基因转染及治疗有重要意义。本文基于边界元方法(BEM)对瞬态空化中微气泡与细胞间的相互作用(“推”、“拉”和微射流冲击)进行研究,提出利用细胞近气泡点的形变量来量化细胞损伤。基于流体力学和气泡动力学建立边界元模型,利用Rayleigh-Plesset方程描述气泡初始运动状态,Tait方程描述细胞内部状态,表面张力随表面积线性增长的模型描述细胞膜。首先模拟了超声作用下微气泡半径随时间演化行为和超声对细胞的“按摩”作用,结果与RP方程相吻合。其后,对超声激励下微气泡与细胞的相互作用进行模拟,时序截面图和各参量曲线显示:气泡在塌缩末期出现射流,细胞的近气泡点发生明显凹陷。进一步系统研究了超声参数(超声频率、声压幅值)和几何参数(气泡-细胞间距、气泡半径)对相互作用强度的影响,结果表明:超声频率越低、幅值越高,相互作用强度越高;气泡与细胞的间距越小,作用强度越高;气泡半径越大,作用强度越高并趋于饱和。本文的研究结果有助于深入理解超声作用下微气泡与细胞的作用机制,进而在临床上有效控制声孔效应强度。


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