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为解决动脉狭窄相关药物输送及血液流动特性难题，印度韦洛尔理工学院研究人员开展三元纳米颗粒在磁场下的脉动血流研究。结果揭示多参数影响规律，对癌症治疗等意义重大，推荐科研读者阅读。
在医学研究的广阔领域中，心血管疾病一直是备受瞩目的焦点。血液在血管中的流动看似平常，却隐藏着诸多奥秘，而这其中，动脉狭窄（动脉血管变窄，影响血液正常流动）相关的问题更是亟待解决。
想象一下，动脉就像一条条为身体各个器官输送 “生命之泉”—— 血液的高速公路，而动脉狭窄就如同道路上突然出现的一处处拥堵路段。当动脉因为各种原因出现狭窄时，血液的流动就会受到阻碍。这不仅会导致组织和器官得不到充足的氧气和营养供应，还可能引发一系列严重的后果。比如，血液中的脂肪分子堆积在动脉壁上，形成动脉粥样硬化（一种常见的心血管疾病，动脉壁变厚、变硬，弹性降低），使得动脉狭窄情况愈发严重。而且，狭窄处粗糙的表面还容易形成血栓（血液在血管内凝固形成的块状物），一旦血栓脱落并随着血液流动，就可能堵塞其他更小的血管，引发更危险的状况。
目前，虽然已经有不少关于血液流动的研究，但仍存在许多未解之谜。一方面，在研究与动脉狭窄相关的药物输送问题时，如何更有效地将药物精准送达需要治疗的部位，一直是个难题。另一方面，血液在不同情况下的流动特性，尤其是在受到多种因素影响时，还没有被完全弄清楚。正是为了解决这些问题，来自印度韦洛尔理工学院（Vellore Institute of Technology）的研究人员 Anthuvan Ezhilarasi P 和 Dhivya Mohanavel，在《Heliyon》期刊上发表了名为《Response of intensive and thermophysical properties of a Pulsatile blood through Stenosed artery subject to drug delivery》的论文。
他们通过研究发现，使用三元纳米颗粒（Au、GO 和
）能够对脉动血液在狭窄动脉中的流动产生重要影响。具体来说，较高含量的纳米颗粒会使流体变得更黏稠，进而降低速度分布。而磁场的存在则像是一位 “交通指挥官”，可以控制血液和磁性纳米颗粒的速度，改善血液流动，帮助它们更顺畅地通过狭窄部位。此外，研究还发现，壁面剪应力（血液流动时对血管壁产生的摩擦力）会随着狭窄高度的增加而增大，尤其是在狭窄区域的下游。同时，动脉中的电阻抗（对血液流动的一种阻力）会随着狭窄高度、磁场强度、时间以及沃默斯利数（Womersley number，影响脉动血流的一个关键参数）的增加而增加。沃默斯利数还会影响脉动血流的动力学，数值越大，振荡越剧烈，对动脉造成的压力也越大。通过敏感性分析，他们还发现沃默斯利参数和磁场强度对壁面剪应力最为敏感。这些研究结果对于癌症治疗、肿瘤治疗、心脏手术以及其他热疗等领域都具有重要的意义，为相关疾病的治疗和研究提供了新的思路和理论依据。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们采用半解析法来求解控制方程，以此对纳米流体流动进行建模。同时，借助 MATLAB 求解器，运用打靶法进行计算模拟，通过不断调整初始猜测值，逐步逼近精确解，从而对模型进行深入分析。
下面我们来详细看看研究结果：
5.1 速度分布对多个参数的影响
研究人员通过绘制不同类型纳米流体（单纳米流体、混合纳米流体、三元纳米流体和血液）的平均速度与径向位置的关系图发现，单纳米流体和混合纳米流体的速度通常比三元纳米流体和血液要高。这是因为纳米颗粒浓度越高，流体的黏度越大，速度也就越低，所以三元纳米流体的速度最慢。这一发现就像是为医生们提供了一张 “血管速度地图”，有助于为血管疾病患者制定个性化的治疗方案，比如评估血管成形术和支架置入术对恢复正常血流模式的效果。
在研究磁场参数对三元纳米颗粒速度分布的影响时，研究人员发现，改变磁场参数会使速度降低。这是因为磁场对纳米颗粒施加的阻力会减弱流体的流动动量，从而降低纳米流体的平均速度。这一现象就好比给流动的血液和纳米颗粒设置了一道 “阻力屏障”，通过研究这种变化，有助于了解磁场如何控制含有磁性纳米颗粒的血流运动，对于利用磁性粒子成像（MPI）技术监测心血管动力学和功能具有重要意义。
此外，研究人员还研究了沃默斯利数和时间对平均速度的影响。他们发现，随着沃默斯利数的增加，动脉中心的峰值速度会降低，这表明脉动效应会使动脉横截面上的速度分布更加均匀，同时减少壁面附近的剪切速率。而较高的轴向流速会使沃默斯利参数升高，加剧流动振荡，这种振荡可能会影响纳米颗粒在流动中的运动和分散，进而改变其在体内的分布模式。这一发现对于理解动脉粥样硬化的发展过程以及优化纳米颗粒在不同用途中的迁移过程具有重要意义。
5.2 壁面剪应力对不同参数的影响
在研究壁面剪应力对三元纳米颗粒轴向速度分布的影响时，研究人员发现，壁面剪应力在狭窄区域下游的变化比上游更为显著。而且，狭窄高度越高，壁面剪应力越大，这种情况可能会导致组织坏死或损伤，因为它会使动脉管腔变窄，限制血液向下游区域的流动。这就好比狭窄的血管对血液流动施加了更大的 “摩擦力”，可能会对血管壁和下游组织造成伤害。
研究人员还发现，血管的锥度（tapering）会影响血液速度的分散。在收缩的动脉中，正锥度会增加速度，导致壁面剪应力升高；而在扩张的动脉中，负锥度会降低速度，从而减少壁面剪应力。这表明锥度参数在狭窄区域的血液动力学环境中起着至关重要的作用，可能会影响疾病的发展和治疗效果。
磁场对壁面剪应力也有显著影响。研究发现，没有磁场时，负壁面剪应力的幅度最大，这意味着血液流动产生的摩擦力最强；而存在磁场时，负壁面剪应力会减小，且磁场越强，效果越明显。这说明使用磁场可能会降低强摩擦力对血管造成损伤的风险，为保护血管健康提供了新的思路。
此外，研究人员还发现，壁面剪应力会随着沃默斯利参数和时间的增加而增强。这种变化对内皮细胞功能可能会产生不利影响，最终导致血管疾病的发生，如动脉粥样硬化。而且，在较高的时间值下，这种变化更为显著，对血流行为的影响也更大。这提醒我们，在研究血管疾病的发病机制和治疗方法时，需要充分考虑这些因素的影响。
5.3 流动阻抗对各种参数的影响
研究人员通过研究发现，随着狭窄高度和锥度参数的增加，流动阻力也会上升。一般来说，收敛锥形动脉的流动阻抗值比发散锥形动脉更高。这一结果表明，狭窄高度和锥度参数在决定动脉血流阻力方面起着重要作用，通过调整这些参数，有可能降低动脉疾病患者的能量损失，提高血液流动效率。
磁场参数对流动阻力也有重要影响。当磁场强度增加时，额外的洛伦兹力会增强电阻抗效应，导致更高的阻抗和更大的流动阻力。这一发现对于磁流体动力学血泵的应用具有重要意义，这种血泵利用磁场来输送血液，无需机械部件，能够降低血液凝固和溶血的风险，为需要长期循环支持的患者提供了一种有前景的治疗选择。
研究人员还发现，动脉对脉动血流的阻力会随着沃默斯利数和时间的增加而增加。较高的沃默斯利数通常与更大的阻力和更高的脉动频率相关，这是因为惯性效应在此时超过了粘性效应。此外，流动条件和血管特性的变化也会导致阻抗随时间变化。了解这些关系对于预测和治疗影响动脉健康的疾病，如高血压和动脉粥样硬化，具有至关重要的意义。
5.4 速度分布随时间的变化
研究人员研究了脉动血流条件下平均速度与时间的关系，发现不同的锥度角会对速度产生不同的影响。发散锥度角会使速度降低，因为动脉变窄会增加阻力；而收敛锥度角则会使速度升高，因为它能使血流更顺畅，减少阻力。这就好比不同形状的管道对水流速度的影响不同一样，血管的形状变化也会显著影响血液的流动速度。
狭窄高度对速度也有明显影响。研究发现，狭窄高度越大，流动阻力越高，整体速度就会降低。而且，狭窄不仅会影响平均速度，还会影响脉动性，在较高的狭窄水平下，脉动的波动会减小。这种速度降低可能会导致湍流增加，增加血栓形成的可能性，进一步威胁血管健康。
沃默斯利数对速度随时间的变化也有重要影响。当沃默斯利数为 0 时，血流保持稳定，没有振荡；随着沃默斯利数的增加，血流会出现更明显的振荡，频率和幅度都会增大。较低的沃默斯利数会产生更平稳的血流，主要受粘性效应影响；而较高的沃默斯利数会导致快速振荡，增加动脉压力，影响药物和营养物质的输送。这表明沃默斯利数在控制血流特性和物质输送方面起着关键作用。
研究人员还对研究结果进行了验证，通过与前人研究结果对比，证实了该研究方法的可靠性。同时，他们运用响应面方法（Response Surface Methodology）对壁面剪应力进行了深入分析，发现模型与数据的拟合度很高，能够有效预测响应变量。敏感性分析则进一步揭示了不同参数对壁面剪应力的影响程度，为优化治疗方案提供了依据。
总的来说，这项研究通过对脉动血液在狭窄动脉中流动的深入探究，揭示了多种因素对血液流动特性的影响。研究结果对于理解心血管疾病的发病机制、开发新的治疗方法以及优化药物输送系统具有重要意义。然而，研究也存在一些局限性，比如将血液视为牛顿流体可能无法完全准确地反映真实血液流动的非牛顿特性；研究主要关注三元纳米颗粒的体积分数，其结果可能不适用于其他类型的纳米颗粒或混合配置；实验数据可能不足以充分验证数值结果；打靶法的边界条件可能无法涵盖所有生物场景；敏感性分析可能没有完全考虑所有相关变量和参数变化。
尽管如此，这项研究为后续的研究指明了方向。未来的研究可以进一步拓展分析框架，纳入非牛顿流体模型，如 Casson 流体、Williamson 流体和幂律流体等，以更准确地描述真实血液的流变特性。同时，可以结合医学成像技术创建计算模型，实时监测纳米颗粒的行为和浓度变化，评估治疗效果，为心血管疾病的治疗和研究提供更有力的支持。
