شبیه سازی پدیده تشکیل لخته به روش دینامیک استهلاکی ذره منفرد

STUDENT

DEGREE

YEAR

: The focus of this thesis is on simulating motion, activation, adhesion and aggregation of platelets in the blood using single DPD particle model and FE method. Single DPD particle is a new formulation of standard DPD method. Co mpared to the standard DPD method, this model incorporates non-central shear components into the dissipative forces. The correct hydrodynamics comparing standard DPD method was obtained by this new formulation. Also by employing of exponential conservative forces a well-dispersed suspension with different particle sizes achieved without extra computation. RBC, platelet and plasma particles are modeled with single DPD particle inside the vessel. The activation, adhesion and aggregation of platelets on the damaged wall of the vessel (the formation of thrombosis) were simulated by solving advection-diffusion-reaction equation of concentration in the FE method. The main idea for modeling platelet adhesion to the wall is to express the binding force (which is involved in the process of adhesion of the active platelets to the vessel wall) with our proposed model based on the Morse potential. In this work two models were developed. The first one takes into account the platelet aggregation and blood flow, but not coagulation reactions. Here it was assumed that platelet connections in the clot become stronger with time and the sufficiently old platelets cannot attach new platelets from the flow. The first hypothesis mimics platelet activation, the second one is the action of fibrin network. The purpose of this model is to reveal the essential features of the mechanism of clot growth and clot stop in the simplest form. In the second model, the fibrin concentration is described by a simplified reaction–diffusion–advection equation. Platelets become resistant to new connections if fibrin concentration is sufficiently high. This more complete model confirms the conclusions of the previous works about the mechanisms of clot growth and how it stops growing. The study of factors affecting clot growth such as the blood flow velocity, coagulation diffusion coefficient, adhesion force coefficient and coagulation production rate have been considered. The stages of clot development and distribution of Fibrin concentration have been shown with time. In addition to studying the phenomenon of clot formation, changes in the traort coefficients of DPD method (viscosity and self-diffusion coefficient) with conservative force were also investigated. Finally, the viscosity and self-diffusion coefficient were obtained according to the conservative force parameter theoretically and numerically. Additionally, using larger conservative force is aimed to introduce bigger particles instead of using freezing particles or weighty modified DPD methods were suggested. Key words: Single DPD Particle Method, Platelet, Red Blood Cell, Thrombosis, Hybrid Method of Single DPD Particle-FE

هدف از این رساله شبیه سازی فرآیند حرکت، فعال سازی، چسبندگی و تجمع پلاکت ها در خون با استفاده از یک مدل چند مقیاسی دینامیک استهلاکی ذره منفرد ( (single DPD particle و روش المان محدود می باشد. روش دینامیک استهلاکی ذره منفرد مدل توسعه یافته ای از دینامیک استهلاکی ذره استاندارد می باشد. در روش دینامیک استهلاکی ذره منفرد ارایه شده در این رساله به دلیل اضافه شدن نیروی برشی غیرمرکزی و چرخش ذرات در مقایسه با مدل استاندارد دینامیک استهلاکی ذره هیدرودینامیک ذرات صحیح تر پیش بینی می شود. همچنین با استفاده از نیروی بقایی نمایی سخت و افزایش ضریب آن امکان ایجاد ذرات کلویید بزرگ تر و همچنین محلول کاملا همگن وجود دارد. در ابتدا جریان سیال شامل ذرات پلاسما، گلبول قرمز و پلاکت توسط روش دینامیک استهلاکی ذره منفرد در داخل رگ مدل می شوند و سپس پدیده های فعال سازی و چسبندگی پلاکت ها بر روی دیواره آسیب دیده رگ (پدیده تشکیل لخته) با استفاده از روش ترکیبی دینامیک استهلاکی ذره منفرد و حل المان محدود معادله غلظت ادوکشن-دیفیوژن-واکنش شبیه سازی می شوند. روش دینامیک استهلاکی ذره استاندارد فقط توانایی مدل کردن تکامل معادلات سرعت و جایجایی ذرات را دارد و شامل معادلات مربوط به مدل کردن پدیده های غلظت نمی باشد. از این رو جهت مدل کردن پدیده پخش آگونیست ها ( ماده شیمیایی موثر در فعال سازی پلاکت ) ملزم به استفاده از روش مبتنی بر محیط پیوسته هستیم. ایده اصلی برای مدل کردن پدیده چسبندگی پلاکت به دیواره، بیان کردن نیروی اتصالی (که در فرآیند چسبیدن پلاکت های فعال شده به دیواره رگ درگیر است) با مدل پیشنهادی ما بر اساس پتانسیل مورس وابسته به غلظت آگونیست ها می باشد که تعامل جاذبه ای و دافعه ای بین پلاکت-پلاکت و پلاکت-دیواره ایجاد می کند. دو مدل از تجمع پلاکت ها مورد بررسی قرار می گیرد. اولین مدل بر پایه تجمع پلاکت بدون واکنش های انعقادی و در واقع بدون حل معادله ادوکشن-دیفیوژن-واکنش مواد بیوشیمیایی در پلاسمای خون می باشد. این مدل ساده به ما اجازه می دهد تا مکانیزم رشد لخته و توقف آن را بررسی کنیم. درواقع حضور اتصالات ضعیف برگشت پذیر بین پلاکت ها، اتصالات قوی غیر قابل برگشت و مقاومت پلاکت به اتصالات جدید نشان دهنده ویژگی های اصلی این مکانیزم می باشد. دومین مدل که با حل معادله ادوکشن-دیفیوژن-واکنش به دست می آید، سینتیک ساده ای از واکنش های انعقادی را در نظر گرفته است و یک مدل کامل تر از مکانیزم تشکیل لخته را ارائه می کند. غلظت پروتئین هایی که مسئول کنترل پروسه انعقاد هستند، به صورت معادلات دیفرانسیلی پاره ای مدل سازی می شوند. به علاوه، رشد لخته در مدل اول، گامی ضروری برای شروع واکنش های شیمیایی انعقاد خون می باشد زیرا از شسته شدن غلظت آگونیست ها توسط جریان خون جلوگیری می کند. تشکیل شبکه فیبرینی از طرفی مسئول ایجاد هسته لخته و از طرفی جلوگیری از رشد بیشتر لخته است. از مباحث مهم در مسایل تشکیل لخته بررسی چگونگی رشد و توقف آن است که کمتر به آن پرداخته شده است. در کار حاضر فرض بر این است که شکست لخته و توسعه شبکه فیبرینی که مانع از اتصالات پلاکت های جدید بعد از شکست لخته می شود باعث توقف رشد لخته می شوند. مطالعه عوامل موثر بر رشد لخته همچون سرعت جریان خون، ضریب پخش ماده انعقادی، ضریب نیروی چسبندگی و نرخ تولید غلظت ماده انعقادی مد نظر این رساله قرار گرفته است و مراحل توسعه لخته و پخش غلظت فیبرین با زمان نمایش داده شده اند. در کنار بررسی پدیده تشکیل لخته در رساله حاضر همچنین به بررسی تئوری وعددی تغییرات ضرایب انتقالی روش دینامیک استهلاکی ذره (ویسکوزیته و ضریب پخش) با نیروی بقایی پرداخته شد که تاکنون به دلیل پیچیدگی روابط ضرایب انتقالی با وجود نیروی بقایی از این نیرو صرف نظر می شد. و در نهایت روابط ویسکوزیته و ضریب پخش در حضور پارامتر نیروی بقایی به دست آمدند. کلمات کلیدی: 1- روش دینامیک استهلاکی ذره منفرد 2- پلاکت 3- گلبول قرمز 4- لخته 5- روش هیبریدی دینامیک استهلاکی ذره منفرد-المان محدود