随着永久性植入式医疗器械的发展与应用,血液的机械损伤问题是亟待解决的关键问题之一。其中溶血和血栓是两大主要的血液相容性问题,而流场中远超生理条件的强剪应力则被认为是导致血细胞损伤的主要原因。对于溶血来说,剪应力会导致红细胞膜的损伤及破裂,释放红细胞内液,造成生理紊乱,而对于血栓来说,剪应力和溶血的发生会影响血小板的激活过程。因此,研究强剪应力下红细胞的流变响应,分析红细胞的剪切损伤机制,对植入式医疗器械的设计和优化具有重要意义。本文根据当前红细胞剪切溶血的研究进展,提出了从微观细胞尺度研究红细胞剪切流变的目标。本文基于平行平板通道搭建了可视化的红细胞剪切流变实验系统,实现了 0～1300 Pa的细胞应力加载,并根据实验结果进行了红细胞剪切损伤机制的分析。通过数字图像处理技术和离焦显微技术,对红细胞的流变过程进行了量化及3D形态的重建。采用基于应变的红细胞流变理论模型,分析了红细胞的剪切流变响应,提出了变参数的改进模型。根据改进后的模型估算了红细胞的应变发生阈值、溶血阈值和响应特征时间等参数,并比较分析了本文研究结果的可靠性。本文的主要内容如下:(1)红细胞剪切流变系统的搭建。根据红细胞剪切损伤规律研究的目标,搭建可视化的红细胞剪切流变实验系统。确定各实验参数,并通过流场的计算,对实验系统的有效性及可靠性进行分析。该实验系统可实现细胞大范围强剪应力的加载,研究变量可控,能够准确反映红细胞的剪切流变响应。(2)红细胞的剪切流变实验。配制高粘度、等渗的红细胞缓冲液,进行红细胞的强剪切流变实验,并根据实验结果对红细胞的剪切损伤机制进行分析,获得了动、静态剪应力对红细胞溶血损伤过程的作用分析。(3)红细胞流变参数的量化。利用数字图像处理技术对红细胞的2D图像进行增强、去噪、细胞识别、追踪、几何特征测量和运动速度计算,实现红细胞流变参数的量化。根据相位差成像原理,采用离焦显微技术进行红细胞3D形态的重建,实现红细胞形态的完全量化。根据量化结果,获得了红细胞形变参数与流场应力的关系。(4)红细胞剪切流变响应的理论计算。采用基于应变的红细胞流变模型,对红细胞的剪切流变响应进行定量分析。通过本研究的实验数据,对理论模型进行校验和改进,并进行膜应变、膜张力、应变发生阈值、溶血发生阈值和细胞响应特征时间的估算,并将结果与其它研究结果进行对比分析,提出了变参数的红细胞剪切流变改进模型,获得了短时间尺度、强剪应力下的红细胞剪切流变规律。