Экспериментальное изучение течения крови в микрожидкостных устройствах, имитирующих стенозы кровеносных сосудов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-21-00403

НазваниеЭкспериментальное изучение течения крови в микрожидкостных устройствах, имитирующих стенозы кровеносных сосудов

Руководитель Рахимов Артур Ашотович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наук , Республика Башкортостан

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-313 - Биомеханика

Ключевые слова микрожидкостное устройство, микроканал, кровь, стеноз, эритроцит, дисперсия, тромб, акустическое воздействие

Код ГРНТИ30.51.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение задач, связанных с течением биологической дисперсии - крови в микроканалах, отображающих особенности больного организма: стеноз, бифуркации с отложениями бляшек, приводящих к ухудшению кровоснабжения. Особенностью проекта, научной новизной является разработка и изготовление методом мягкой фотолитографии микрожидкостных устройств с сужением, имитирующим стеноз сосуда (одиночный, тандемный, бифуркационный), в том числе с различной площадью перекрытия канала, изучение воздействия акустического поля в широком диапазоне частот для изменения параметров течения, включая разрушение тромбов. Высокоточный реометр HAAKE MARS III позволит сопоставить реологические характеристики крови людей разных возрастных групп, здоровых и пациентов с ишемической болезнью сердца, с её гидродинамическими свойствами при течении в микроканалах. Актуальность работы заключается в определение изменений реологических свойств крови и определении микроструктуры потока с помощью высокоскоростной камеры при течении в микрожидкостных устройствах с различной геометрией стеноза у образцов крови пациентов, в том числе из окклюзированной инфаркт-зависимой артерии в зависимости от времени с начала заболевания, поскольку даст возможность диагностирования времени наступления инфаркта, создаст возможность разработки переносных микрофлюидных чипов. Изучение течения крови в микрожидкостных устройствах, с применением высокоскоростной съемки позволит обнаружить и понять механизмы процессов, приводящие к появлению необычных гидродинамических свойств и определить границы применимости обнаруженных эффектов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведены реологические измерения цельной крови с помощью реометра HAAKE MARS III здоровых людей при 25 и 37 оС. Скорости деформации сдвига задавали от 0.01 до 500 1/с (прямой ход) и от 500 до 0.01 1/с (обратный ход). Обнаружено, что зависимость напряжения сдвига от скорости деформации сдвига хорошо аппроксимируется функцией Оствальда-де Вааля в диапазоне 0,5–500 1/с, а аппроксимация уравнением Кэссона дает различие в диапазонах менее 10 1/с. При малых скоростях деформации сдвига вязкость для обратного хода выше, поскольку перед измерением и при медленном вращении эритроциты оседают с образованием прослойки плазы, а при обратном ходе эритроциты в объеме перемешаны. Для больших скоростей деформации сдвига, вязкость прямого хода выше, так как эритроциты структурируются в линию с прослойкой плазмы. Сравнение показателей вязкости крови не показало определенной зависимости от возраста исследуемых. При низком гематокрите вязкость низкая, как и при склонности к анемии. Обнаружены реопектические свойства крови при вращении с постоянной скоростью деформации сдвига 100 1/с, проявляющиеся в первые 100 секунд, далее за 200 секунд происходит незначительное уменьшение. При 500 1/с за 5 минут напряжение сдвига падает на 4%, за следующую минуту изменения составляют около 1%. Разработаны микрожидкостные устройства (МЖУ) формой параллелепипеда с сужением посередине. МЖУ имеют глубину 2h = 50 мкм, длину около 10 мм (два канала длиной l = 5 мм, между которыми сужение), ширину b = 1 мм, с сужением длиной l0 = 100 мкм и ширинами a = 50, 100 и 200 мкм. Площадь поперечного сечения широкого канала примерно равно площади с диаметром 250 мкм цилиндрического сосуда, соответствующей артериолам. Рассчитано, что для крови с показателем n = 0.80 отношение перепада давления в широкой части к узкой для сужений шириной 50, 100 и 200 мкм составляет соответственно 4.55, 7.92 и 13.8, что для цилиндрического сосуда при тех же длинах соответствует отношению радиусов сужения и широкой части r/R=0.494, 0.5816 и 0.6848, соответствующих перекрытию каналов 75, 66 и 53%. Для крови с показателями n = 0.8, k = 0.013 при Δp = 500 Па для сужений 50х100, 100х100 и 200х100 мкм скорости деформации сдвига в широкой части канала: 81, 86 и 89 1/с, что сопоставимо со скоростью деформации сдвига при течении в артериолах (100 1/с). МЖУ изготовлены нами методом мягкой фотолитографии, стекло и реплика каналов прозрачные. Для изготовления использовались маски, напечатанные по разработанному в CorelDRAW векторному рисунку. Сужения имеют размеры (Оу х Ох): 50х100, 100х100 и 200х100 мкм. Для каждого из них сделан одиночный и тандемный стеноз (два сужения) с теми же размерами сужений и с разными расстояниями между сужениями (200, 300, 400, 500, 1000, 1500 мкм). Разработаны бифуркационные каналы: канал шириной в 1 мм делился под углом в 20 градусов на 2 канала ширинами 0.6 мм. В одном из бифуркационных каналов было одиночное или двойное сужение: одиночный бифуркационный и тандемный бифуркационный с такими же размерами сужения и разными расстояниями между сужениями (200, 300, 400, 500, 1000 мкм). Разработали и изготовили устройство для изучения влияния акустического поля. К предметному стеклу в МЖУ приклеен дисковый акустический излучатель. Тестирование акустического воздействия в диапазоне 1–5000 кГц обнаружило, что наибольшая амплитуда давления находится при 400–600 кГц. Проведены исследования характера потока в ультразвуковом поле с частотами 1–500 кГц при перепадах давления 100-800 Па, создаваемых водным столбом крови, влияние акустического воздействия оказалось схожим. Наблюдаются возмущения потока при частотах 25–30 и 70–100 кГц. Начиная с частоты 110 кГц, течение фактически не меняется, также испытывая нелинейные пульсирующие движения вдоль и против течения. Провели эксперименты с цельной кровью здорового человека (с ЭДТА К3) и разбавленной крови при 1, 5 и 10%-й объёмной концентрации эритроцитов в физрастворе в микроканале с сужением 50х100 мкм. Высокоскоростная видеосъемка (10000 кадров/с) производилась через инвертированный микроскоп (наблюдаем снизу) при комнатной температуре с постоянным перепадом давления 500 Па. При 1%-й концентрации эритроциты на входе перед сужением ориентируются преимущественно параллельно вертикальной, а на выходе – параллельно горизонтальной плоскости. Параболическое распределение скоростей несущей фазы в зазоре МЖУ приводит к вращению вертикально ориентированных эритроцитов, оседающих в широкой части. Увеличение концентрации до 5 и 10% приводит к уменьшению процента вертикально ориентированных эритроцитов во входной зоне, которая наблюдается преимущественно для нижнего слоя клеток, двигающихся с меньшей скоростью. В выходной зоне с увеличением концентрации эритроцитов до 10% увеличивается их количество, ориентированных перпендикулярно линиям тока. Для нахождения скоростей сравнивали смещение координаты эритроцитов, расположенных по оси симметрии, в последовательных кадрах. Обнаружено, что при одинаковом перепаде давления скорость эритроцитов 1%-й крови на порядок выше цельной крови. Скорости эритроцитов на оси симметрии модели: в цельной крови после сужения несколько ниже, чем перед ним, в разбавленной – существенно выше. Эритроциты при течении потока цельной крови в зоне перед стенозом и в нём ориентируются также вдоль линий тока, а после стеноза перестраиваются перпендикулярно линиям тока и параллельно друг другу, что приводит к увеличению вязкости, замедлению течения и может создать условия для формирования тромбов. Провели эксперименты по течению крови для изготовленных МЖУ при постоянном перепаде давления 500 Па. Для визуального сравнения ориентации и изучения особенностей движения эритроцитов воспользовались встроенным в программе Matlab модулем PIVlab_App. Анализ скоростей движения эритроцитов показал, что при расстояниях между сужениями равном 200 мкм эритроциты «вылетая» из сужения вновь ускоряются для попадания во второе сужение, где они не распределяются по всему фронту устройства, а занимают небольшую обтекаемой формы область, которая увеличивается с увеличением ширины сужения и расстояния между сужениями. Дальнейшее увеличение расстояние между сужениями приводит к росту «обтекаемой» зоны и при большом расстоянии между сужениями (1500 мкм) течение становится схоже с течением в одиночном сужении. Для каналов с бифуркациями картина аналогичная, при этом скорость в канале без сужения значительно выше скорости в канале с сужением.

Публикации

1. Рахимов А.А., Валиев А.А., Ахметов А.Т. Гидродинамика цельной и разбавленной крови в микроканале со стенозом Письма в Журнал технической физики (Technical Physics Letters), Рахимов А.А., Валиев А.А., Ахметов А.Т. Гидродинамика цельной и разбавленной крови в микроканале со стенозом // Письма в Журнал технической физики. 2024. Т. 50, Вып. 23. C.65-67 (год публикации - 2024)
10.61011/PJTF.2024.23.59404.6490k

2. Рахимов А.А. Экспериментальное изучение реологии крови при различных скоростях деформации сдвига Специальный выпуск журнала «Многофазные системы», Рахимов А.А. Экспериментальное изучение реологии крови при различных скоростях деформации сдвига // Специальный выпуск журнала «Многофазные системы». 2024. Том 19, №1s. С. 97-98. DOI: 10.21662/mfs2024.1s (год публикации - 2024)
10.21662/mfs2024.1s

3. Рахимов А.А., Валиев А.А., Ахметов А.Т. Гидродинамика цельной и разбавленной крови в микроканале со стенозом ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции, Рахимов А.А., Валиев А.А., Ахметов А.Т. Гидродинамика цельной и разбавленной крови в микроканале со стенозом // ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции, 21–25 октября 2024 г. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2024. С. 50-51. (год публикации - 2024)

4. Рахимов А.А., Валиев А.А. Экспериментальное изучение особенностей течения крови в микроканалах со стенозом и бифуркациями с помощью разработанных микрожидкостных устройств Письма в ЖТФ, Рахимов А. А., Валиев А. А. Экспериментальное изучение особенностей течения крови в микроканалах со стенозом и бифуркациями с помощью разработанных микрожидкостных устройств // Письма в Журнал технической физики. 2025. Т. 51. № 18. С. 38-42 (год публикации - 2025)
10.61011/PJTF.2025.18.61088.7995

5. Рахимов А.А., Валиев А.А., Ахметов А.Т. Особенности движения эритроцитов цельной и разбавленной крови в микроканалах со стенозом Сборник тезисов IV Международной летней школы-конференции «ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ГИДРОДИНАМИКА: МОДЕЛИ И ПРИЛОЖЕНИЯ», Рахимов А.А., Валиев А.А., Ахметов А.Т. Особенности движения эритроцитов цельной и разбавленной крови в микроканалах со стенозом // Тезисы докладов IV международной летней школы-конференции «Физико-химическая гидродинамика: модели и приложения». 2025. С. 81-82. (год публикации - 2025)

6. Рахимов А.А., Валиев А.А. Экспериментальное изучение особенностей течения крови в микроканалах со стенозом и бифуркациями с помощью разработанных микрожидкостных устройств ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции, Рахимов А.А., Валиев А.А. Экспериментальное изучение особенностей течения крови в микроканалах со стенозом и бифуркациями с помощью разработанных микрожидкостных устройств // ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции. 2025. С. 47-48. (год публикации - 2025)

7. Валиев Азат Ахматович, Рахимов Артур Ашотович, Гизатуллин Ренат Фаргатович Заявка на патент РФ на полезную модель "Микрофлюидное устройство – тандемный бифуркационный канал" «Федеральный институт промышленной собственности» (ФИПС), Заявка на патент РФ на полезную модель "Микрофлюидное устройство – тандемный бифуркационный канал" (Заявка №2025135083) (год публикации - 2025)

8. Влияние ультразвукового поля на гемодинамику в микрожидкостной модели стеноза сосудов Влияние ультразвукового поля на гемодинамику в микрожидкостной модели стеноза сосудов Инженерно-физический журнал (Journal of Engineering Physics and Thermophysics) (год публикации - 2026)

9. Экспериментальное исследование гемодинамики и ориентации эритроцитов цельной и разбавленной крови в микрожидкостной модели стеноза артериол Экспериментальное исследование гемодинамики и ориентации эритроцитов цельной и разбавленной крови в микрожидкостной модели стеноза артериол Биофизика (Biophysics) (год публикации - 2026)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Отчетный период: 2025 год. Краткое описание проекта: Проект направлен на фундаментальное исследование закономерностей течения крови в условиях, имитирующих патологическое сужение сосудов (стеноз), с использованием современных микрофлюидных технологий. Цель – изучение особенностей микрогемодинамики, реологических свойств крови и поиск новых физических принципов для управления потоком и тромбами. Выполненные работы: В течение итогового года проекта был выполнен комплекс взаимосвязанных экспериментальных и аналитических работ по трем основным направлениям: 1. Фундаментальное исследование гемодинамики в микрофлюидных моделях. o Разработаны, изготовлены и апробированы микрофлюидные устройства (чипы), точно воспроизводящие различные геометрии сосудистых патологий: одиночные стенозы разной степени, тандемные (множественные) стенозы с варьируемым расстоянием между сужениями, а также бифуркации (разветвления сосудов) со стенозом в одной из ветвей. o Создан и отлажен комплексный экспериментальный стенд, включающий систему гидростатического управления потоком, высокоскоростную видеомикроскопию и программное обеспечение для цифровой обработки изображений (PIV-анализ). o Проведена серия экспериментов по визуализации и количественному анализу течения цельной донорской крови через созданные модели. Получены детальные картины полей скоростей, выявлены и измерены зоны ускорения, высокого сдвига и вихреобразования. 2. Сравнительное изучение течения цельной и модельной крови. o Проведены параллельные эксперименты с цельной кровью и ее суспензией с пониженной концентрацией эритроцитов (1%). o Выполнен сравнительный PIV-анализ, позволивший выделить принципиальные различия в микрогидродинамике, обусловленные клеточными взаимодействиями: от индивидуальной переориентации клеток в разбавленной суспензии до формирования клеточного пристенного слоя и коллективной организации в цельной крови. 3. Экспериментальное исследование возможностей акустического управления. o Создана и охарактеризована установка для неинвазивного акустического воздействия на микрофлюидный чип. o Проведены эксперименты по воздействию ультразвуком различной частоты на поток крови и искусственные тромбы в условиях стеноза. Изучены эффекты влияния акустического поля на ламинарный поток и твердые фазы. Полученные научные результаты: 1. Установлены и количественно охарактеризованы ключевые закономерности микрогемодинамики в стенозе. Впервые на микрофлюидных моделях с цельной кровью детально визуализированы и измерены специфические гемодинамические зоны, возникающие при течении через сужение. Показано, что картина течения кардинально меняется в зависимости от геометрии стеноза. 2. Впервые экспериментально показана зависимость гемодинамики в тандемных стенозах от расстояния между ними. Обнаружено, что при малых расстояниях сужения взаимодействуют, не позволяя потоку восстановиться, что является новой важной моделью для понимания многососудистых поражений. При больших расстояниях каждое сужение ведет себя независимо. 3. Выявлены критические различия в течении цельной и модельной разбавленной крови, что доказывает необходимость использования цельной крови для адекватного моделирования патологических процессов. Эксперименты с цельной кровью выявили формирование обедненного клетками пристенного слоя – явления, напрямую связанного с риском тромбообразования и не воспроизводимого в упрощенных моделях. 4. Экспериментально доказана принципиальная возможность управления потоком крови и тромбом с помощью направленного ультразвука. Получены следующие прорывные результаты: o Обнаружены резонансные частоты, при воздействии на которые ламинарный поток крови в микроканале полностью останавливается, реверсируется (течет в обратную сторону) или расслаивается. o Впервые продемонстрирована возможность неинвазивного акустического проталкивания искусственного тромба через стеноз с восстановлением проходимости сосуда. Это открывает путь к разработке принципиально новых методов ультразвукового тромболизиса. 5. Разработан и готов к тиражированию комплексный научно-технологический задел: o Отработанная технология быстрого изготовления микрофлюидных чипов с патологическими геометриями. o Комплекс методик работы с кровью, визуализации и анализа. o Прототип системы акустического воздействия. Научные итоги и внедрение: Полученные результаты имеют высокую степень новизны и сформировали основу для подачи заявки на патент на полезную модель «Микрофлюидное устройство – тандемный бифуркационный канал». Результаты исследований подготовлены к публикации в ведущих международных журналах. На основе работы сформулированы предпосылки для двух перспективных прикладных направлений: разработки методов акустического управления тромбами и создания мобильной диагностической системы для оценки реологических рисков у пациентов. Таким образом, план работ за отчетный период выполнен в полном объеме, достигнуты все поставленные цели.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные в ходе выполнения проекта результаты имеют значительный потенциал для практического применения, способного внести вклад в экономический рост и социальное развитие Российской Федерации. Научные и технологические заделы, сформированные в рамках проекта, открывают пути для создания новой высокотехнологичной продукции, усовершенствования медицинских технологий и снижения социально-экономического бремени сердечно-сосудистых заболеваний. 1. Формирование научного и технологического задела для развития высокотехнологичных отраслей: • Биомедицинская микрофлюидика и «лаборатория-на-чипе»: Разработанные методологии проектирования, изготовления и применения микрожидкостных устройств (МЖУ) для моделирования сосудистых патологий создают прочную технологическую базу для отечественного производства диагностических и исследовательских чипов. Это способствует импортозамещению и развитию собственных компетенций в области биомедицинского инжиниринга. • Цифровая диагностическая биомеханика: Освоенные методы высокоскоростной визуализации и PIV-анализа гемодинамики формируют основу для нового класса медицинской диагностики – экспресс-оценки реологических и микрогемодинамических рисков по капле крови пациента. Это направление лежит на стыке IT, оптики и медицины, способствуя созданию высококвалифицированных рабочих мест и развитию междисциплинарных научных коллективов. 2. Создание новой или усовершенствование производимой продукции (товаров, работ, услуг): • Перспективная медицинская продукция: o Мобильный диагностический анализатор: На основе результатов проекта может быть разработан прототип компактной системы для экспресс-анализа образца крови пациента. Такое устройство позволит оперативно оценивать склонность к образованию тромбов и другие гемодинамические риски непосредственно в условиях приемного покоя, кардиологического стационара или машины скорой помощи, особенно в острый период ОКС. o Универсальные сменные микрофлюидные чипы: Отработанная технология быстрого тиражирования МЖУ различных геометрий позволяет наладить производство недорогих, одноразовых диагностических чипов для таких анализаторов. Это создает рынок для нового вида расходных материалов медицинского назначения. • Научные и образовательные услуги: Созданный комплексный экспериментальный стенд и методики являются уникальной инфраструктурой для проведения контрактных научно-исследовательских работ для фармацевтических компаний (тестирование влияния препаратов на реологию крови) и для реализации образовательных программ в области биомедицинской инженерии. 3. Создание новых или усовершенствование применяемых технологий: • Технологии неинвазивного физического воздействия: Доказанная возможность акустического управления потоком крови и тромбом закладывает физические основы для разработки революционно новых медицинских технологий: o Технология адресного акустического тромболизиса или аспирации: Потенциально может привести к созданию медицинских аппаратов, использующих сфокусированный ультразвук для неинвазивного или малоинвазивного разрушения или смещения тромбов. Это позволит усовершенствовать существующие методы лечения (например, тромбэктомии), сделав их более безопасными и управляемыми. o Технология локальной управляемой доставки лекарств: Эффект акустического реверсирования потока и создания вихревых структур может быть использован для временной «блокировки» участка сосуда и направленной доставки тромболитиков или других препаратов непосредственно к месту поражения, повышая эффективность терапии и снижая системные побочные эффекты. 4. Социально-экономический эффект: • Снижение нагрузки на систему здравоохранения: Внедрение методов ранней экспресс-диагностики гемодинамических рисков и разработка более эффективных, менее инвазивных методов лечения тромбозов могут привести к: o Снижению числа тяжелых осложнений (инфарктов, инсультов) и связанной с ними инвалидизации. o Сокращению сроков госпитализации и периода реабилитации пациентов. o Уменьшению прямых медицинских затрат на лечение осложнений и косвенных экономических потерь из-за временной нетрудоспособности. • Повышение качества жизни населения: Развитие персонифицированных подходов к диагностике и профилактике сосудистых катастроф напрямую способствует сохранению здоровья и продлению активного долголетия граждан. Заключение: Реализация проекта сформировала значительный научно-технологический задел, который переводит фундаментальные исследования микрогемодинамики в практическую плоскость. Результаты направлены на создание новых высокотехнологичных рынков (микрофлюидная диагностика), развитие передовых медицинских технологий (акустический тромболизис) и, в конечном итоге, на решение одной из ключевых социально-экономических задач – снижение смертности и улучшение качества жизни населения от сердечно-сосудистых заболеваний, что полностью соответствует стратегическим целям развития Российской Федерации.