基于修正Horner-Armstrong-Wagner-Beris流变模型的高/低胆固醇血液透析效率计算流体力学研究

《Chemical Engineering & Technology》：Influence of Blood Rheology on Hemodialysis Efficiency via Computational Simulation

本综述通过计算流体力学系统分析了血液流变学（非牛顿特性、胆固醇依赖性）对血液透析效率的影响。研究采用修正Horner-Armstrong-Wagner-Beris(mHAWB)模型，首次在空心纤维透析器中对比了顺流/逆流配置下肌酐清除效率。结果表明：高胆固醇血液因粘度增加导致透析效率降低约6%，逆流配置在高速条件下优势明显。研究为个性化透析方案优化提供了重要理论框架。

　　

1 引言

慢性肾脏病(CKD)是全球重大健康问题，目前超过400万患者接受肾脏替代治疗，其中68%采用血液透析(HD)。日本HD患者平均年龄达69岁，墨西哥等国家CKD住院率持续攀升。血液透析通过半透膜实现肌酐等溶质清除，流动配置（顺流/逆流）直接影响传质效率。商用透析器采用内径200-500μm、长度15-25cm的空心纤维，但现有模型多忽略血液非牛顿特性，尤其胆固醇水平对粘度的影响。

2 血液透析过程的数学框架

2.1 透析器示意图

采用二维轴对称模型简化计算，空心纤维近似为圆柱形。肌酐通过膜扩散-对流联合传输，吸附-解吸平衡由分配系数K= C_Amd/C_Ad= C_Amp/C_Ap描述。

2.4 透析液侧质量守恒

肌酐传输方程满足▽·N_Ad= 0，总通量N_Ad= -D_AB▽C_Ad+ C_Adv_d。结合菲克定律得控制方程：v_d·▽C_Ad= D_AB▽²C_Ad。

2.5 流体动量平衡

采用Cauchy动量方程ρ_d(v_d·▽)v_d= ▽·T_d+ ρ_dg，应力张量T_d= -p_dI+ σ_d。本构关系采用mHAWB模型描述剪切稀化特性。

2.10 无量纲数分析

定义雷诺数Re_d= ρ_dU_dR_hf/η_dc、佩克莱数Pe = U_dR_hf/D_AB等10余个特征数，揭示惯性力/粘性力/传质速率间的量化关系。

3 计算模拟方法

3.1 流场配置与参数设定

采用COMSOL Multiphysics 6.3求解耦合方程，完成约400组仿真。高胆固醇(HC)血液在低剪切速率下粘度比低胆固醇(LC)血液高46%，导致流阻显著增加。

3.3 网格独立性验证

当网格数超过10⁵时，肌酐浓度计算误差小于0.5%。逆流配置中HC血液的肌酐清除率较LC血液降低5.8-6.3%。

4 结果与讨论

4.1 流变模型验证

mHAWB模型精准复现实验数据（R²>0.996），HC血液在γ?=1s^-1时表观粘度达12.5mPa·s，显著高于LC血液（8.7mPa·s）。

4.2 浓度场分布特征

逆流配置在U_p/U_d>12时显现优势，肌酐清除率比顺流配置高15%。顺流操作在低流速（U_p/U_d<9.8）时更易避免膜表面肌酐积聚。

4.3 操作参数优化

临界流速比U_d/U_p存在双线性拐点：逆流最优值12.2，顺流为9.8。超过临界值后，传质效率下降幅度达22%。

5 结论与展望

本研究首次量化胆固醇水平对透析效率的影响机制，证实逆流配置更适合高胆固醇患者。未来工作将整合患者特异性流变参数，发展机器学习辅助的个性化透析优化系统。