A Cellular Model of Shear-Induced Hemolysis

Abstract

A novel model is presented to study red blood cell (RBC) hemolysis at cellular level. Under high shear rates, pores form on RBC membranes through which hemoglobin (Hb) leaks out and increases free Hb content of plasma leading to hemolysis. By coupling lattice Boltzmann and spring connected network models through immersed boundary method, we estimate hemolysis of a single RBC under various shear rates. First, we use adaptive meshing to find local strain distribution and critical sites on RBC membranes, and then we apply underlying molecular dynamics simulations to evaluate damage. Our approach comprises three sub-models: defining criteria of pore formation, calculating pore size, and measuring Hb diffusive flux out of pores. Our damage model uses information of different scales to predict cellular level hemolysis. Results are compared with experimental studies and other models in literature. The developed cellular damage model can be used as a predictive tool for hydrodynamic and hematologic design optimization of blood-wetting medical devices.

Modeling thermal inkjet and cell printing process using modified pseudopotential and thermal lattice Boltzmann methods

“…Due to heterogeneous intracellular structures, proper modeling of cell mechanics is very challenging. Particular structures such as spring connected network model (SN) has been widely used for simulating blood cells [31–34]. In the case of regular cells, membrane and nuclear envelope can be modeled as a spring network while actin fiber are represented by a linear spring [35].…”

“…More detail information about these energy terms can be found in Refs. [31, 35, 36]. The nodal forces corresponding to the each energy can be calculated as f i = − ∂V{ x i }/∂ x i .…”

“…Our cell model is benchmarked with optical tweezer experimental data in our previous work [31, 39] where we studied red blood cell damage. In the same study, the deformation of RBC under pure shear flow is also investigated where the results for oscillation period agreed with experiments of Abkarian et al [40].…”

Modelagem matemática da fluidodinâmica não-newtoniana e bifásica simplificada da hemólise induzida mecanicamente em sistemas de bombeamento centrífugo de sangue

“…Nesta vertente, a abordagem para o termo de produção da hemólise também é lagrangeana, e também apresenta os problemas já citados alguns parágrafos antes. Finalmente, há uma outra frente de proposição de modelagem matemática para quantificação da hemólise que, sem se basear no modelo de lei de potências, abordam diretamente as alterações físicos-químicas das hemácias durante os processos de formação e/ou aumento de poros, deformação e ruptura de membranas, liberação de hemoglobina, e distorções morfológicas (Vitale et al, 2014), (Ezzeldin et al, 2015), (Sohrabi e Liu, 2016). Justamente por incorporarem descrições matemá-ticas de fenômenos em escala micrométrica, tais modelos acabam por apresentar custos computacionais (tempo de processamento e quantidade de memória alocada) ainda inviáveis mesmo para os dias de hoje e, por isso são empregados em estudos com escalas menores que as de interesse na área de dispositivos médicos.…”

“…De maneira geral, a hemólise induzida por trauma mecânico é um processo complexo para o qual ainda se almeja um modelo matemático que possa auxiliar eficazmente durante as etapas de desenvolvimento e otimização de dispositivos médicos (Sohrabi e Liu, 2016), (Heck et al, 2017), (Yu et al, 2017). …”