Jeffrey流体中三元杂化纳米颗粒电渗流在聚散纤毛微血管中的传输机理与热调控研究

《Scientific Reports》：Electroosmotic flow of Jeffrey ternary hybrid nanofluids in converging–diverging ciliary microvessels

　　本研究针对生理条件下血液在聚散纤毛微血管中传输多纳米颗粒的复杂行为尚未明确的问题，开展了Ca3(PO4)2-TiO2-Cu三元杂化纳米颗粒在Jeffrey非牛顿流体中的电渗流研究。通过建立数学模型并采用同伦摄动法求解，发现电渗作用和Helmholtz-Smoluchowski滑移速度能显著增强血管中心区流体运动，而发散型血管比收敛型血管具有更好的散热性能。该研究为靶向给药和微流体诊断应用提供了理论依据。

　　

在人体微循环系统中，血液流动承载着各种生物分子和纳米颗粒，如同繁忙城市的交通网络。然而，当科学家试图将纳米颗粒作为药物载体精准输送到病灶部位时，却面临着巨大挑战。特别是在那些具有聚散结构的纤毛微血管中，血液的非牛顿特性、电磁场作用以及纤毛运动相互耦合，使得纳米颗粒的传输行为变得异常复杂。传统模型往往难以准确描述这种多物理场耦合的复杂现象，这严重制约了纳米医学的发展。

近日发表在《Scientific Reports》上的一项研究突破了这一瓶颈。研究人员首次建立了Jeffrey流体中Ca₃(PO₄)₂-TiO₂-Cu三元杂化纳米颗粒在聚散纤毛微血管中电渗流动的数学模型，揭示了多种物理因素协同作用下的流动规律和热传导特性。

研究团队采用同伦摄动法(Homotopy Perturbation Method, HPM)这一有效的非线性方程求解技术，对控制方程进行解析求解。他们建立了圆柱坐标系下的数学模型，考虑了电渗作用、洛伦兹力、浮力效应和内部热生成等多重物理场耦合。通过引入波框架变换，将非稳态问题转化为稳态问题求解，大大简化了计算复杂度。该方法不需要依赖小参数，适用范围更广，为复杂流体系统的分析提供了有力工具。

速度分布特性研究发现，电磁场参数M²的增大会导致流体速度明显降低。这是因为洛伦兹力对导电颗粒产生阻力作用，抑制了流体的动量传递。特别是在血管中心区域，这种阻尼效应最为显著。

纳米颗粒浓度影响当纳米颗粒体积分数φ增加时，流体粘度显著增大，导致流动阻力增强，速度分布整体下降。同时，纳米颗粒的加入提高了流体的导热性能，使得温度分布有所上升。

Jeffrey参数效应Jeffrey参数λ₁的增大显著提升了速度分布。这是因为Jeffrey流体模型同时考虑了粘性和弹性特性，参数增大意味着流体松弛时间增加，弹性效应增强，从而改善了流动性能。

电渗滑移速度Helmholtz-Smoluchowski速度U_hs的增大会降低整体流速。虽然壁面滑移增强，但剪切力向通道内部转移，反而抑制了中心区域的流动。

电渗参数影响电渗参数κ的增大显著提升了流体速度。这是因为更强的电渗作用增强了壁面对流体的驱动能力，促进了整体流动。

几何形状差异研究特别比较了发散型(Divergent Ciliated Tube, DCT)和收敛型(Convergent Ciliated Tube, CCT)血管的性能差异。结果显示，发散型血管具有更好的散热性能，在需要精确热控制的生物医学过程中更具优势。

该研究的结论部分强调了几个重要发现：电渗作用和Helmholtz-Smoluchowski滑移速度能显著增强血管中心区域的流体运动，而阻力效应在周边区域占主导地位。纤毛的伸长会降低纳米流体的循环效率。更重要的是，发散型血管比收敛型血管具有更好的散热能力，这在需要精确热控制的生物医学 procedures 中显得尤为重要。

这些发现对微流体器件设计、靶向药物输送和超热治疗等生物医学应用具有重要指导意义。通过合理调控电磁场参数、纳米颗粒浓度和血管几何形状，可以实现对纳米颗粒传输行为的精确控制，为开发先进的生物医学微设备提供了理论基础。

研究的创新之处在于首次系统分析了三元杂化纳米颗粒在非牛顿Jeffrey流体中的电渗流动特性，考虑了实际生理环境中多种物理因素的耦合作用。相比传统的二元或单一纳米流体系统，三元杂化纳米流体展现出更优越的热传输性能，为高效热管理系统的设计开辟了新途径。

这项研究不仅深化了我们对微尺度生物流体动力学的理解，而且为纳米医学、靶向治疗和微流体技术的发展提供了重要的理论支撑。未来，基于这些发现设计的智能微流体系统有望在精准医疗、药物开发和疾病诊断等领域发挥重要作用。