气液微泡沫衰变规律的多尺度研究及其在硬化疗法中的应用

《Results in Chemistry》：Multiscale study on describing the decay law of gas-liquid micro foam for sclerotherapy applications

本研究针对泡沫硬化疗法(FS)中微泡沫稳定性表征的难题，通过数值模拟与实验相结合的多尺度方法，揭示了气泡间隙、直径及非均匀性对气液微泡沫聚结动力学的影响规律。研究人员发现泡沫聚结时间随气泡间隙增大呈指数增长，并建立了连接介观聚结事件与宏观排水行为的跨尺度关联框架，为优化临床FS泡沫稳定性提供了重要理论依据。

　　

在静脉曲张治疗领域，泡沫硬化疗法因其微创、简便的特点而备受青睐。然而临床数据显示，术后视觉障碍等并发症发生率可达1.4%-14%，其根源与泡沫在体内的不稳定衰变密切相关。当室温制备的泡沫注入37℃的人体环境时，泡沫结构的快速崩解可能导致硬化剂异常分布，从而引发肺栓塞、深静脉血栓等严重副作用。尽管既往研究已证实药物浓度和表面活性剂对泡沫稳定性存在影响，但传统实验方法仅能在宏观层面描述现象，无法揭示气泡尺度下的动力学机制。

为解决这一难题，四川大学力学学院生物力学工程实验室的研究团队在《Results in Chemistry》上发表了一项创新研究，通过多尺度研究策略揭示了气液微泡沫的衰变规律。该研究巧妙地将宏观实验观测与介观数值模拟相结合，构建了从气泡聚结到泡沫柱排水的完整理论框架。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：通过Tessari法制备不同液气比(1:1至1:4)的鱼肝油酸钠(SM)泡沫；设计温度梯度实验模拟临床场景(室温制备，37℃衰变)；建立基于柏拉图边界理论的四气泡单元模型；运用ANSYS Fluent软件进行VOF(流体体积法)多相流模拟，结合CSF(连续表面力)模型捕捉界面动力学；通过网格无关性验证确保计算精度。

研究结果部分，宏观实验数据显示微泡沫衰变遵循强指数规律(图3，图4)，温度梯度显著加速排水过程。数值模拟结果揭示：气泡聚结时间随间隙增大呈指数增长(t_bm= C·e^M·d)，其中C=6×10^-2ms，M=0.8 μm^-1(图5)；小直径气泡聚结更快，且聚结方式存在显著差异——D1组(22μm)采用两两合并方式，而D3组(10μm)呈现四泡同步合并特征(图6，图7)。非均匀泡沫分析表明，小气泡间压力梯度集中是导致优先聚结的关键因素(图12)，组B的聚结速度比组A/C快0.06ms(图10)。

特别值得关注的是，研究团队创新性地提出了连接介观与宏观尺度的桥梁框架。通过定义首次聚结时间t₁和尺度函数q(i)，建立了聚结事件序列与宏观排水参数(D、k、T_1/2)的定量关联(公式3-7)。该框架虽需进一步验证，但为通过介观模拟预测宏观稳定性提供了新范式。

讨论部分深入分析了泡沫聚结的物理机制：表面涡流效应产生排斥作用，而压力梯度场驱动气泡接近；小气泡因曲率半径更大，具有更高的拉普拉斯压力，导致其更易发生聚结。与Sovova气泡能量碰撞模型相呼应，相同直径气泡因能量最小化倾向而优先合并。

该研究的理论价值在于首次建立了适用于硬化治疗泡沫的多尺度衰变模型，临床意义体现在为优化FS泡沫配方提供了明确方向：适当增加液体含量(减小气泡间隙)和提高气泡均匀度可显著延长体内作用时间。未来工作需纳入表面活性剂输运、马兰戈尼效应等复杂界面机制，以更精确模拟真实生物医学泡沫的动力学行为。

结论部分强调，本研究通过三维聚结模型系统揭示了气泡间隙、直径和非均匀性对泡沫稳定性的影响规律，建立的跨尺度关联框架为工程和临床领域的泡沫优化设计提供了新思路。这项源于临床需求的基础研究，成功搭建了从介观气泡动力学到宏观治疗效能的桥梁，展现了力学方法与医学问题交叉融合的强大生命力。