Einfluss von Polymeren auf das Fließverhalten von Blut in vitro

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Wagner, seit 2/2024
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349558021

Rote Blutzellen (englisch: red blood cells – RBCs) sind der Hauptbestandteil des menschlichen Blutes und liefern über das Herz-Kreislauf-System Sauerstoff an das Körpergewebe. Das kardiovaskuläre System ist ein komplexes Netzwerk von verzweigten Gefäßen unterschiedlicher Größe und Geometrie, wie z. B. plötzliche Verengungen und Erweiterungen in verengten Arterien. Die einzigartigen Fließeigenschaften des Blutes in diesem Netzwerk sind entscheidend für seine physiologische Funktionalität und ergeben sich aus verschiedenen mikroskaligen Phänomenen, darunter das scherverdünnende rheologische Fließverhalten, die Bildung einer zellarmen Schicht in der Nähe der Gefäßwände sowie die sogenannte Margination von RBCs mit eingeschränkter Verformbarkeit, Thrombozyten und weißen Blutzellen in Richtung der Gefäßwände. In diesem Projekt wollen wir unser Verständnis der Blutströmung in der Mikrozirkulation verbessern, indem wir die Margination und Strömungsinstabilitäten von RBC-Suspensionen in mikrofluidischen in-vitro-Strömungen untersuchen. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf das Zusammenspiel zwischen den rheologischen Eigenschaften des Suspensionsmediums, d.h. Viskoelastizität und Scherverdünnung, und dem zeitabhängigen Antrieb der Strömung gelegt. Insbesondere werden wir uns auf komplexe Strömungsgeometrien wie Kontraktions-Expansionskanäle konzentrieren. Obwohl die Strömung durch solche Kontraktions-Expansionskanäle als Referenzgeometrie in der klassischen Strömungsdynamik gilt, ist wenig über Strömungsinstabilitäten komplexer Flüssigkeiten in diesen Kanälen unter zeitabhängigen Strömungsbedingungen bekannt. Wir werden mikrofluidische Experimente in Kombination mit Particle Image Velocimetry und Partikel Tracking Algorithmen sowie konfokaler Mikroskopie einsetzen, um den in-vitro-Fluss von RBC-Suspensionen zu untersuchen. Zur Bewertung der rheologischen Eigenschaften werden wir zunächst eine detaillierte Charakterisierung der Scher- und Dehnungsrheologie der Flüssigkeit durchführen. Anschließend werden wir die Auswirkung der Viskoelastizität auf die Margination starrer RBCs mit Hilfe unserer kürzlich entwickelten Tracking-Technik untersuchen, die es uns ermöglicht, einzelne Zellen entlang der Fließrichtung des Kanals unter stationären und instationären Fließbedingungen zu verfolgen und so bisher unzugängliche weitreichende Margination-Trajektorien aufzudecken. Darüber hinaus werden wir die Strömung von RBC-Suspensionen durch verengte Mikrokanäle untersuchen und uns dabei auf die Wirbeldynamik, die zellfreie Schicht und die entstehenden Strömungsinstabilitäten in solchen komplexen viskoelastischen Flüssigkeiten konzentrieren. Neben diesen grundlegenden Untersuchungen werden unsere Ergebnisse zu einem weiteren Verständnis der zentralen Rolle von mikrofluidischen Verengungen in biomedizinischen mikrofluidischen Anwendungen zur Zell- und Plasmatrennung und zur Nachahmung verengter Blutgefäße beitragen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2688: Instabilitäten, Bifurkationen und Migration in pulsierender Strömung
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Steffen Michael Recktenwald, bis 1/2024