Havayolu kapanmasının sayısal modellenmesi

Bu çalışmada, rijit bir tüpü kaplayan iki katmanlı bir sıvı filmin kılcal kararsızlığı, sıvı tıkaç oluşumu ve insan hava yollarının kapanması için bir model olmak üzere hesaplamalı olarak incelenmiştir. İki katmanlı sıvı, içte perisiliyer sıvı katmanı (PCL) olarak da adlandırılan seröz bir katman ve dışta bir mukus katmanından oluşur. Bu iki sıvı katman, birlikte, hava yolu duvarını kaplayan ve bir hava çekirdeğini çevreleyen hava yolu yüzey sıvısını (ASL) oluştururlar. Sıvı film kalınlığı kritik bir değeri aştığında Plateau-Rayleigh kararsızlığı nedeniyle sıvı tıkaç oluşumu meydana gelir. Birleşme öncesi ve sonrası aşamalar dahil olmak üzere tüm kapanma süreci için sayısal simülasyonlar kapsamlı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Hava yolu duvarındaki mekanik stresler ve bunların gradyanları; tipik bir yetişkin akciğerinin sağlıklı ve patolojik koşullarını temsil eden mukus-seröz kalınlık oranı, viskozite oranı, hava-mukus ve seröz-mukus yüzey gerilimleri fizyolojik olarak ilgili aralıklarda araştırılmıştır. İki katmanlı modelin büyüme hızının, tek katmanlı eşdeğer konfigürasyona kıyasla daha yüksek olduğu bulunmuştur. Bu, iki katmanlı modelde, bu konfigürasyona karşılık gelen tek katmanlı modele göre çok daha erken kapanmaya yol açar. Ayrıca, seröz tabakanın genellikle pulmoner epitelyuma yüksek kesme stresi gezinmelerine ve bunların gradyanlarına karşı etkili bir koruma sağladığı bulunmuştur. Bunlara ek olarak, sistem üzerinde yağlama yaklaşımlarını kullanan bir doğrusal stabilite analizi de gerçekleştirilmiştir ve sonuçların simülasyonlarla iyi bir niteliksel uyum içinde olduğu bulunmuştur. Havayolu mukusu oldukça karmaşık bir sıvıdır ve Newtonyen olmayan bir dizi özellik gösterir. Pulmoner mukusun elastoviskoplastisitesinin ve kesme incelmesinin etkilerini hesaba katmak için, mukus tek bir katman olarak modellenerek hava yolu kapanması sorunu incelenir, yani PCL ve ASL Saramito-HB modeli kullanılarak homojen tek katmanlı elastoviskoplastik (EVP) sıvı olarak kabul edilir [Saramito (Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics (2009) 158(1-3), 154-161)]. İlk olarak sağlıklı, astım, kistik fibroz (CF) ve kronik obstrüktif akciğer hastalığı (COPD) mukusu, [Patarin et al. (Scientific Reports (2020) 10(1), 1-10)]'in deneysel verileri kullanılarak bir parametre fit etme algoritması ([Fraggedakis et al. (Soft Matter (2016) 12(24), 5378-5401)] benzeri) takip edilerek temsil edilir. Elde edilen parametreler, COPD vakasında akma stresinin; CF durumunda ise elastik modülün en yüksek değere sahip olduğunu göstermektedir. Bu, akciğer hastalıklarında mukusun viskoelastik/viskoplastik özelliklerinin genel olarak arttığını doğrular. Daha sonra, bu hastalıkların havayolu kapanması üzerindeki etkilerini görmek için kapsamlı sayısal simülasyonlar yapılır. Bu amaçla, hastalıklı mukus parametreleri kullanılır ve yüzey gerilimi ve başlangıçtaki boyutsuz kalınlık fizyolojik olarak anlamlı bir aralıkta değiştirilir. Ardından, parametrik bir çalışma gerçekleştirmek için sağlıklı durum temel olarak seçilir. Burada, Saramito-HB modelinin elastik modülü, akma gerilimi ve güç kanunu indeksi, bu parametrelerin bireysel etkilerini değerlendirmek için değiştirilir. Sonuçlar, artan akma stresi ve elastik modülün hava yolu kapanmasını azaltabileceğini göstermektedir. Ancak, bu obstrüktif akciğer hastalıklarında tipik bir durum olan sıvı tabakasının başlangıç kalınlığı ve yüzey gerilimi artarsa, yüksek viskoelastik/viskoplastik vakalarda da kapanma oluşmaya başlar.