Периcтальтический поток наножидкости Саттерби в стенозированной артерии с ресничатым эндотелием и шероховатостью стенки с учетом эффектов Холла и проскальзывания ионов

Почему это исследование важно для кровотока и здоровья

Когда артерии сужаются, течение крови становится более сложным, чем простой поток. Крошечные волоски на поверхности, участки шероховатости, взвешенные частицы и магнитные эффекты — все это может менять, как движется кровь, как переносится тепло и как распространяются лекарства или микробы. В этой работе создается детальная картина взаимодействия всех этих факторов внутри суженной артерии, предлагая выводы, которые могут помочь в разработке более безопасных медицинских устройств, улучшении доставки препаратов и в понимании сердечно-сосудистых заболеваний.

Кровь как «умная» жидкость с частицами

Вместо того чтобы рассматривать кровь как простую жидкость, авторы моделируют её как специальную «наножидкость», содержащую мелкие твердые частицы и подвижные микроорганизмы. Используется модель Саттерби, которая отражает, как такая жидкость может разжижаться или уплотняться в зависимости от скорости деформации. Артерия описывается не как прямая гладкая трубка: она сужается, содержит участок стеноза, а также имеет пористую стенку, допускающую некоторый обмен жидкости с окружающей тканью. В эту среду добавлены влияние внешнего магнитного поля, электрические токи, химические реакции и генерация тепла в самой жидкости — все факторы, важные для реального кровотока в больных сосудах или в инженерных микроканалах.

Шероховатые стенки и живые «щетки» в артерии

Внутренняя поверхность моделируемой артерии одновременно шероховата и покрыта ресничками — крошечными волосковидными структурами, бьющимися согласованно. Шероховатость стенки может изменяться не только вдоль сосуда, но и во времени, имитируя деформирующуюся бляшку или смещающиеся ткани. Реснички движутся по эллиптическим траекториям, действуя как движущаяся щетка для жидкости, усиливая перемешивание у стенки и изменяя распределение давления и скоростей. Авторы показывают, что более длинные реснички глубже взаимодействуют с потоком, увеличивая сопротивление и гидравлическое трение, что снижает среднюю продольную скорость. В то же время смещение биения ресничек от центра может повышать суммарный продольный транспорт и помогать жидкости преодолевать препятствия, создаваемые сужением и шероховатостью.

Тепло, химия и мелкие пловцы в движении

Помимо скорости потока, исследование отслеживает поведение температуры, растворенных веществ и подвижных микроорганизмов. Тепло в жидкости генерируется за счет трения, электрических токов и излучения; это тепло может менять вязкость и вызывать силы плавучести. Химические реакции рассматриваются с использованием концепции энергии активации, показывая, что более высокий энергетический барьер снижает перенос растворенного вещества. Микроскопические организмы реагируют как на поток, так и на химические градиенты, склоняясь плавать и концентрироваться в определенных областях. Важный вывод в том, что реснички и шероховатость вместе создают области захвата и рециркуляции, где жидкость и микроорганизмы кружатся вместо того, чтобы двигаться прямо. В зависимости от участка артерии более длинные реснички могут либо расселять организмы и понижать местную плотность, либо фокусировать их ниже по потоку в зонах накопления.

Магнитные силы и электрическое проскальзывание в крови

Поскольку наножидкость электрически проводящая, приложенное магнитное поле взаимодействует с электрическими токами в крови. Два тонких эффекта — токи Холла и проскальзывание ионов — описывают, как заряженные частицы дрейфуют иначе, чем основная масса жидкости. Эти процессы изменяют эффективное сопротивление потоку и способ выделения тепла за счет электрического сопротивления. Авторы объединяют эти магнитогидродинамические эффекты с уточненной пористой моделью течения, расширяющей классический закон Дарси, что лучше учитывает, как колеблющаяся кровь проходит через деформируемую, частично проницаемую стенку артерии. С помощью аналитического подхода, называемого методом гомотопно-возмущенного разложения, они получают приближенные формулы для скорости, температуры, концентрации и распределения микроорганизмов, а затем исследуют, как каждый параметр управления видоизменяет течение.

Картины давления, трения и захваченных карманов

Модель показывает, как эффективность перистальтики и механические нагрузки зависят от ресничек и текстуры поверхности. По мере увеличения высоты или плотности шероховатости стенки растут и сопротивление, и касательное трение по стенке, особенно вблизи участка стеноза. Это снижает критическую скорость перистальтической волны, которую она может поддерживать. Подъем давления за цикл волны меняется почти линейно с навязанной скоростью потока, а реснички смещают баланс между продольной перекачкой и обратной утечкой. Карты струнлиний (линий тока) показывают все более искажающиеся траектории и замкнутые пузырьки рециркуляции по мере увеличения длины ресничек и амплитуды шероховатости, что указывает на места, где питательные вещества, лекарства или микроорганизмы могут задерживаться дольше, чем ожидается.

Что это означает для медицины и устройств

Проще говоря, исследование показывает, что суженная артерия, выстланная шероховатой, бьющейся ресничатой поверхностью и несущая частицсодержащую, электрически проводящую кровь, ведет себя как сильно настраиваемая транспортная система. Небольшие изменения длины ресничек, шероховатости стенки или магнитных и электрических условий могут либо облегчать поток, либо его блокировать; либо сглаживать распределения температуры и химических веществ, либо создавать карманы захваченной жидкости и сконцентрированных микробов. Хотя работа теоретическая, она дает рамки, которые могут помочь инженерам разрабатывать более совершенные стенты, микронасосы и средства доставки препаратов, а также помогает клиницистам понять, как сложные особенности поверхности внутри артерий влияют на кровоток и результаты лечения.

Цитирование: Mostapha, D.R., Eldabe Nabil, T.M. & Abbas, W. Peristaltic flow of sutterby nanofluid in a stenosed artery with ciliated endothelium and wall roughness under hall and ion slip effects. Sci Rep 16, 15223 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-48237-4

Ключевые слова: периcтальтическое кровотечение, стенозированная артерия, наножидкость, динамика ресничек, магнитогидродинамика