Universität zu Köln

Shapes and Dynamics of Blood Cells in Poiseuille and Shear Flows

Mauer, Johannes (2016) Shapes and Dynamics of Blood Cells in Poiseuille and Shear Flows. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The dynamics, shape, deformation, and orientation of red blood cells in microcirculation affect the rheology, flow resistance and transport properties of whole blood. This leads to important correlations of cellular and continuum scales. Furthermore, the dynamics of RBCs subject to different flow conditions and vessel geometries is relevant for both fundamental research and biomedical applications (e.g drug delivery). In this thesis, the behaviour of RBCs is investigated for different flow conditions via computer simulations. We use a combination of two mesoscopic particle-based simulation techniques, dissipative particle dynamics and smoothed dissipative particle dynamics. We focus on the microcapillary scale of several μm. At this scale, blood cannot be considered at the continuum but has to be studied at the cellular level. The connection between cellular motion and overall blood rheology will be investigated. Red blood cells are modelled as viscoelastic objects interacting hydrodynamically with a viscous fluid environment. The properties of the membrane, such as resistance against bending or shearing, are set to correspond to experimental values. Furthermore, thermal fluctuations are considered via random forces. Analyses corresponding to light scattering measurements are performed in order to compare to experiments and suggest for which situations this method is suitable. Static light scattering by red blood cells characterises their shape and allows comparison to objects such as spheres or cylinders, whose scattering signals have analytical solutions, in contrast to those of red blood cells. Dynamic light scattering by red blood cells is studied concerning its suitability to detect and analyse motion, deformation and membrane fluctuations. Dynamic light scattering analysis is performed for both diffusing and flowing cells. We find that scattering signals depend on various cell properties, thus allowing to distinguish different cells. The scattering of diffusing cells allows to draw conclusions on their bending rigidity via the effective diffusion coefficient. The scattering of flowing cells allows to draw conclusions on the shear rate via the scattering amplitude correlation. In flow, a RBC shows different shapes and dynamic states, depending on conditions such as confinement, physiological/pathological state and cell age. Here, two essential flow conditions are studied: simple shear flow and tube flow. Simple shear flow as a basic flow condition is part of any more complex flow. The velocity profile is linear and shear stress is homogeneous. In simple shear flow, we find a sequence of different cell shapes by increasing the shear rate. With increasing shear rate, we find rolling cells with cup shapes, trilobe shapes and quadrulobe shapes. This agrees with recent experiments. Furthermore, the impact of the initial orientation on the dynamics is studied. To study crowding and collective effects, systems with higher haematocrit are set up. Tube flow is an idealised model for the flow through cylindric microvessels. Without cell, a parabolic flow profile prevails. A single red blood cell is placed into the tube and subject to a Poiseuille profile. In tube flow, we find different cell shapes and dynamics depending on confinement, shear rate and cell properties. For strong confinements and high shear rates, we find parachute-like shapes. Although not perfectly symmetric, they are adjusted to the flow profile and maintain a stationary shape and orientation. For weak confinements and low shear rates, we find tumbling slippers that rotate and moderately change their shape. For weak confinements and high shear rates, we find tank-treading slippers that oscillate in a limited range of inclination angles and strongly change their shape. For the lowest shear rates, we find cells performing a snaking motion. Due to cell properties and resultant deformations, all shapes differ from hitherto descriptions, such as steady tank-treading or symmetric parachutes. We introduce phase diagrams to identify flow regimes for the different shapes and dynamics. Changing cell properties, the regime borders in the phase diagrams change. In both flow types, both the viscosity contrast and the choice of stress-free shape are important. For in vitro experiments, the solvent viscosity has often been higher than the cytosol viscosity, leading to a different pattern of dynamics, such as steady tank-treading. The stress-free state of a RBC, which is the state at zero shear stress, is still controversial, and computer simulations enable direct comparisons of possible candidates in equivalent flow conditions.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die Dynamik, Form, Verformung und Ausrichtung roter Blutzellen in der Mikrozirkulation beeinflussen Rheologie, Fließwiderstand und Transporteigenschaften des Blutes. Dies führt zu wichtigen Zusammenhängen der zellulären und Kontinuums-Skalen. Des Weiteren ist die Dynamik roter Blutzellen, die verschiedenen Strömungen und Gefäßgeometrien unterliegen, relevant für sowohl Grundlagenforschung als auch biomedizinische Anwendungen (z.B. Medikamentenzuführung). In dieser Arbeit wird das Verhalten roter Blutzellen für verschiedene Strömungen mittels Computersimulationen untersucht. Wir benutzen eine Kombination zweier mesoskopischer teilchenbasierter Simulationstechniken, Dissipative Particle Dynamics und Smoothed Dissipative Particle Dynamics. Wir konzentrieren uns auf die mikrokapillarische Skala von einigen μm. Auf dieser Skala kann Blut nicht auf der Kontinuumsskala betrachtet, sondern muss auf der zellulären Skala untersucht werden. Die Verknüpfung zwischen zellulärer Bewegung und Blut-Rheologie wird untersucht. Rote Blutzellen werden als viskoelastische Objekte modelliert, die mit einer viskosen flüssigen Umgebung wechselwirken. Die Membraneigenschaften, wie Biegesteifigkeit oder Scherfestigkeit, sind so gewählt, dass sie experimentellen Werten entsprechen. Des Weiteren werden thermische Fluktuationen mittels Zufallskräften betrachtet. Analysen, die Lichtstreuungsmessungen entsprechen, werden durchgeführt, um mit Experimenten zu vergleichen und nahezulegen, für welche Situationen diese Methode geeignet ist. Statische Lichtstreuung von roten Blutzellen charakterisiert deren Form und erlaubt Vergleiche mit Objekten wie Kugeln oder Zylindern, deren Lichtstreuungssignale analytisch lösbar sind, im Gegensatz zu denen roter Blutzellen. Dynamische Lichtstreuung roter Blutzellen wird hinsichtlich seiner Eignung, Bewegungen, Verformungen und Membranfluktuationen nachzuweisen und zu analysieren, untersucht. Analysen zur dynamischen Lichtstreuung werden sowohl für diffundierende als auch fließende Zellen durchgeführt. Streusignale hängen von den Zelleigenschaften ab und erlauben daher, verschiedene Zellen voneinander abzugrenzen. Die Streuung diffundierender Zellen lässt mittels des effektiven Diffusionskoeffizienten Rückschlüsse auf ihre Biegesteifigkeit zu. Die Streuung fließender Zellen lässt mittels der Streuamplitudenkorrelation Rückschlüsse auf die Scherrate zu. Im Fluss weist eine rote Blutzelle verschiedene Formen und dynamische Zustände auf, abhängig von Bedingungen wie eingeschränkter Geometrie, physiologischen/pathologischen Zuständen und Zellalter. In dieser Arbeit werden zwei wesentliche Strömungen untersucht: einfacher Scherfluss und Fluss durch eine zylindrische Röhre. Einfacher Scherfluss als eine grundlegende Strömung ist Teil jeder komplexeren Strömung. Das Geschwindigkeitsprofil ist linear und die Scherspannung ist homogen. In einfachem Scherfluss finden wir eine Abfolge verschiedener Zellformen, wenn die Scherrate erhöht wird. Mit steigender Scherrate finden wir rollende Zellen in Schalenform, Trilobe- und Quadrulobe-Formen. Dies stimmt mit aktuellen Experimenten überein. Des Weiteren wird der Einfluss der anfänglichen Ausrichtung auf die Dynamik untersucht. Um Verdrängungs- und kollektive Effekte zu untersuchen, werden Systeme mit höherem Hämatokrit aufgesetzt. Die Strömung durch eine Röhre dient als idealisiertes Modell für die Strömung durch annähernd zylinderförmige Mikrogefäße. Ohne Zelle liegt ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil vor. Eine einzelne rote Blutzelle wird in der Röhre platziert und einem Poiseuille-Profil ausgesetzt. Bei der Rohr-Strömung finden wir verschiedene Zellformen und -dynamiken, abhängig von der Einschränkung durch Geometrie (hier der Rohrdurchmesser), Scherrate und Zelleigenschaften. Für enge Röhren und hohe Scherraten finden wir Fallschirm-förmige Zellen. Obwohl nicht perfekt symmetrisch, sind sie dem Flussprofil angepasst und behalten eine stationäre Form und Ausrichtung. Für weite Röhren und niedrige Scherraten finden wir taumelnde Slipper-Formen, die sich drehen und ihre Form moderat ändern. Für weite Röhren und hohe Scherraten finden wir Slippers mit sogenannter Panzerketten-Membranrotation, die ihren Anstellwinkel leicht oszillieren und periodisch ihre Form stark ändern. Für die niedrigsten Scherraten finden wir Zellen, die eine Schlängelbewegung ausführen. Aufgrund der Zelleigenschaften und sich daraus ergebender Verformungen unterscheiden sich alle Formen von bisherigen Beschreibungen in der Literatur, wie z.B. stationäre Panzerketten-Membranrotation oder symmetrische Fallschirmformen. Wir führen Phasendiagramme ein, um die Parameterbereiche verschiedener Formen und Dynamiken zu identifizieren. Verändert man die Zelleigenschaften, ändern sich auch die Grenzen dieser Bereiche in den Phasendiagrammen. In beiden Strömungstypen sind sowohl der Viskositätskontrast als auch die Wahl der spannungsfreien Form wichtig. Bei in vitro Experimenten war die Viskosität des Lösungsmittels bisher oft höher als die des Cytosols, was zu anderen Bewegungsformen führt, wie z.B. stationäre Panzerketten-Membranrotation. Die spannungsfreie Form einer roten Blutzelle, die den Zustand bei verschwindender Scherbelastung darstellt, ist noch umstritten, und Computersimulationen ermöglichen direkte Vergleiche möglicher Kandidaten bei ansonsten gleichen Strömungsbedingungen.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Mauer, Johannesj.mauer@fz-juelich.de
    Corporate Creators: Forschungszentrum Jülich GmbH
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-67183
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Physics
    Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Soft Matter, Biophysics, Fluid Dynamics, Mesoscopic Simulations, Dissipative Particle Dynamics, Smoothed Dissipative Particle Dynamics, Light Scattering, Dynamic Light Scattering, Erythrocytes, Red Blood Cells, Poiseuille Flow, Shear Flow, Asphericity, Cell Deformation, Viscosity ContrastEnglish
    Weiche Materie, Biophysik, Fluiddynamik, Mesoskopische Simulationen, Dissipative Particle Dynamics, Smoothed Dissipative Particle Dynamics, Lichtstreuung, Dynamische Lichtstreuung, Erythrozyten, Rote Blutkörperchen, Poiseuille Strömung, Scherströmung, Asphärizität, Zelldeformation, ViskositätskontrastGerman
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Theoretische Physik
    Language: English
    Date: April 2016
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 15 April 2016
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 13 Jun 2016 11:02:34
    Referee
    NameAcademic Title
    Gompper, GerhardProf. Dr.
    Schadschneider, AndreasProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6718

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