Modellierung und Simulation deformierbarer Grenzflächen in beschränkten Geometrien : Anwendungen zur Untersuchung der Strömung roter Blutzellen in der Mikrozirkulation

Vesicles are extensively used as a model for understanding dynamics and deformation of red blood cells at the individual level but also regarding collective phenomena and rheology. Vesicles’ membranes withstand to bending but do not have a shear resistance, unlike red blood cells, but they still share several dynamical properties with red blood cells, like tank-treading and tumbling under linear shear flow, or parachute and slipper shapes under Poiseuille flow. The red blood cells are known to form train of cells in the microcirculation attributed to attractive hydrodynamic interactions. We investigate numerically several kind of problems such as: (i) the dynamics of isolated cells; (ii) the hydrodynamic coupling between the red blood cells (by using vesicles as a model) subject to a Poiseuille flow under different confinements; (iii) the aggregation of red blood cells and formation of rouleaux; and (iv) the contribution of macromolecules in the formation of clusters under flow condition. The obtained results give a new insight into the physics of deformable objects under confinement that are transposable to the flow of red blood cells in the microcirculation. Vesikel werden in der aktuellen Forschung extensiv als Modelsystem genutzt um die Dynamik und die Deformation von roten Blutzellen (RBCs) zu verstehen. Dies sowohl auf dem individuellen Level wie auch für kollektive Phänomene und die Rheologie. Die Membran von Vesikel ist nicht dehnbar jedoch verformbar und eine Scherung erfolgt widerstandslos. Rote Blutzellen haben vergleichbare Eigenschaften, auch wenn eine Scherung nicht widerstandslos erfolgt. So wird unter einem linearen Scherfluss das tank-treading (vergleichbar mit der Bewegung einer Panzerkette) oder eine Taumelbewegung beobachtet. Im Poiseuille-Fluss werden hingegen parachute (fallschirmförmig) oder slipper (schuhförmig) Konfigurationen angenommen. Es ist bekannt, dass rote Blutzellen in der Mikrozirkulation zu Aneinanderreihungen neigen. Dies geschieht aufgrund der anziehenden hydrodynamischen Wechselwirkung. Es wurden verschiedene Problemstellungen untersucht: (i) die Dynamik einzelner Zellen, (ii) die hydrodynamische Kopplung zwischen roten Blutzellen (als Vesikel im Modellsystem) in einem Poiseuille-Fluss bei verschiedenen geometrischen Einschränkungen, (iii) die Aggregation und die Bildung von Rollen bei roten Blutzellen und (iv) der Beitrag von Makromolekülen an der Clusterbildung unter Flussbedingungen. Die dargestellten Untersuchungen geben neuartige Einblicke in die Physik von verformbaren Objekten in eingeschränkten Geometrien welche bedeutend sind für das Verständnis der Bewegung von roten Blutzellen in der Mikrozirkulation.