The development of computational tools to support biological research is now a central topic in the field of biomedical engineering. This is particularly crucial in those applications where experimental methods are not used and/or do not provide a complete view of the process. This is the case when studying the immune response to some pathologies of the liver, where the biochemical mechanisms studied in vivo on animal models need to be supported also by a fluid dynamic investigation at the level of microcirculation. The present dissertation is aimed at the development of computational fluid dynamics (CFD) models to be applied to liver capillaries - called sinusoids, organised in the liver functional unit, the lobule - and at the study of cell motion inside them. The first model presented, reproduced a portion of the sinusoidal network, by means of an adequate reconstruction protocol applied on images captured in vivo on a mouse liver. Suitable boundary conditions were defined at the outlets to obtain the correct fluid dynamics characteristic of the liver lobule. Velocities - 90÷360 µm/s - and pressure - 187 Pa - were in good agreement with literature data. A Volume of Fluid (VoF) model, specific for the study of two-phase flows, was then built to account for the flowing of a cell in micro channels. With this model, a single cell - leukocyte or Red Blood Cell (RBC) - was represented as a fluid droplet, with specific physical properties. This model was used to investigate the effect of the cell presence on the fluid dynamics of the whole microchannel, by varying several parameters, specific of the liver microcirculation. Mainly, the ratio between the cell and the plasma viscosity played a crucial role on the deformation of the cell. Less viscous cells (RBC) tended to deform when flowing in capillaries twice as big as them, while more viscous cells (leukocyte) rotated and shifted towards he capillary wall, until they reached an equilibrium position. This VoF model was validated with an experimental campaign on cell deformed under a shear flow in microfluidic devices, designed fabricated for this specific application. By capturing images of cells with a high-speed camera, the deformation of HL60 and Jurkat cells was estimated at varying flow rates - 25 ÷ 125 µl/min - and compared to computational simulations. The computational model was able to represent the deformation of a single cell in an extensional flow, with minor underestimation due to the 2D approximation. Finally, the VoF model was integrated with the sinusoidal network model, by reconstructing the computational domain from the in vivo images and modelling a single cell flowing in one of the branches. This preliminary simulation showed the feasibility of using the VoF model for application in the liver microfluidics. By means of this model it was also possible to estimate the shear stresses and forces acting both on the cell and on the endothelium, with values ranging from 11.8 to 19.5 pN.

Lo sviluppo di metodi computazionali a supporto della ricerca in campo biologico è uno dei campi di sviluppo più rilevanti dell’ingegneria biomedica, in maniera particolare per quelle applicazioni in cui i metodi sperimentali non possono essere usati e/o non forniscono una visione completa del problema. Nello studio della risposta immunitaria ad alcune patologie a carico del fegato, i meccanismi biochimici analizzati in vivo su modelli animali possono essere adeguatamente supportati da analisi fluidodinamiche a livello del microcircolo epatico. Obiettivo di questa tesi di dottorato è lo sviluppo di modelli di fluidodinamicca computazionale (CFD) per applicazione ai capillari epatici – i sinusoidi, organizzati nell’unità funzionale del fegato, il lobulo – e lo studio del moto di cellule al loro interno. Il primo modello riproduce una porzione del network sinusoidale, utilizzando un protocollo di ricostruzione specificatamente sviluppato per immagini acquisite in vivo su fegato murino. Applicando opportune condizioni al contorno alle uscite del dominio computazionale, il modello è in grado di riprodurre le caratteristiche fluidodinamiche tipiche del lobulo epatico. Velocità – 90÷360 µm/s – e pressioni – 187 Pa – sono in accordo con dati di letteratura. Per modellare il moto di cellule all’interno di microcanali, è stato utilizzato il modello Volume of Fluid (VoF), sviluppato per lo studio dei fluidi bifase. Una singola cellula – leucocita o globulo rosso (GR) – viene rappresentato come una goccia di fluido, caratterizzata da specifiche proprietà fisiche. Il modello VoF viene utilizzato per analizzare l’effetto del moto della cellula sulla fluidodinamica complessiva del microcanale, al variare di parametri specifici della microcircolazione epatica. Il rapporto tra la viscosità del plasma e quella della cellula ha un effetto rilevante sulla deformazione della cellula. Cellule meno viscose (GR) si deformano durante il passaggio in microcanali di dimensione doppia, mentre cellule più viscose (leucociti) tendono a ruotano e a spostarsi verso la parete del capillare fino a raggiungere una posizione di equilibrio. Il modello VoF è stato validato tramite una campagna sperimentale di cellule deformate da flussi estensionali in dispositivi microfluidici appositamente progettati e prodotti. Attraverso una telecamera ad alta velocità, la deformazione di HL60 e Jurkat è stata misurata al variare della portata - 25 ÷ 125 µl/min - e confrontata con simulazioni computazionali. Il modello è in grado di rappresentare correttamente la deformazione delle cellule, con piccole approssimazioni dovute all’utilizzo di geometrie 2D. Infine, il modello VoF è stato integrato con il modello del network sinusoidale, ricostruendo il dominio computazionale da immagini in vivo e simulando il moto della cellula in uno dei microcanali. Questa simulazione preliminare ha dimostrato la fattibilità di utilizzo del modello VoF per applicazioni alla microcircolazione epatica. È stato possibile inoltre stimare gli sforzi di taglio e le forze agenti sulla cellula e sull’endotelio, con valori nell’ordine di 11.8 ÷ 19.5 pN.

Single cell fluid dynamics for the study of the liver microcirculation: computational modelling and in vitro validation

PIERGIOVANNI, MONICA

Abstract

The development of computational tools to support biological research is now a central topic in the field of biomedical engineering. This is particularly crucial in those applications where experimental methods are not used and/or do not provide a complete view of the process. This is the case when studying the immune response to some pathologies of the liver, where the biochemical mechanisms studied in vivo on animal models need to be supported also by a fluid dynamic investigation at the level of microcirculation. The present dissertation is aimed at the development of computational fluid dynamics (CFD) models to be applied to liver capillaries - called sinusoids, organised in the liver functional unit, the lobule - and at the study of cell motion inside them. The first model presented, reproduced a portion of the sinusoidal network, by means of an adequate reconstruction protocol applied on images captured in vivo on a mouse liver. Suitable boundary conditions were defined at the outlets to obtain the correct fluid dynamics characteristic of the liver lobule. Velocities - 90÷360 µm/s - and pressure - 187 Pa - were in good agreement with literature data. A Volume of Fluid (VoF) model, specific for the study of two-phase flows, was then built to account for the flowing of a cell in micro channels. With this model, a single cell - leukocyte or Red Blood Cell (RBC) - was represented as a fluid droplet, with specific physical properties. This model was used to investigate the effect of the cell presence on the fluid dynamics of the whole microchannel, by varying several parameters, specific of the liver microcirculation. Mainly, the ratio between the cell and the plasma viscosity played a crucial role on the deformation of the cell. Less viscous cells (RBC) tended to deform when flowing in capillaries twice as big as them, while more viscous cells (leukocyte) rotated and shifted towards he capillary wall, until they reached an equilibrium position. This VoF model was validated with an experimental campaign on cell deformed under a shear flow in microfluidic devices, designed fabricated for this specific application. By capturing images of cells with a high-speed camera, the deformation of HL60 and Jurkat cells was estimated at varying flow rates - 25 ÷ 125 µl/min - and compared to computational simulations. The computational model was able to represent the deformation of a single cell in an extensional flow, with minor underestimation due to the 2D approximation. Finally, the VoF model was integrated with the sinusoidal network model, by reconstructing the computational domain from the in vivo images and modelling a single cell flowing in one of the branches. This preliminary simulation showed the feasibility of using the VoF model for application in the liver microfluidics. By means of this model it was also possible to estimate the shear stresses and forces acting both on the cell and on the endothelium, with values ranging from 11.8 to 19.5 pN.
ALIVERTI, ANDREA
DE MOMI, ELENA
21-giu-2018
Lo sviluppo di metodi computazionali a supporto della ricerca in campo biologico è uno dei campi di sviluppo più rilevanti dell’ingegneria biomedica, in maniera particolare per quelle applicazioni in cui i metodi sperimentali non possono essere usati e/o non forniscono una visione completa del problema. Nello studio della risposta immunitaria ad alcune patologie a carico del fegato, i meccanismi biochimici analizzati in vivo su modelli animali possono essere adeguatamente supportati da analisi fluidodinamiche a livello del microcircolo epatico. Obiettivo di questa tesi di dottorato è lo sviluppo di modelli di fluidodinamicca computazionale (CFD) per applicazione ai capillari epatici – i sinusoidi, organizzati nell’unità funzionale del fegato, il lobulo – e lo studio del moto di cellule al loro interno. Il primo modello riproduce una porzione del network sinusoidale, utilizzando un protocollo di ricostruzione specificatamente sviluppato per immagini acquisite in vivo su fegato murino. Applicando opportune condizioni al contorno alle uscite del dominio computazionale, il modello è in grado di riprodurre le caratteristiche fluidodinamiche tipiche del lobulo epatico. Velocità – 90÷360 µm/s – e pressioni – 187 Pa – sono in accordo con dati di letteratura. Per modellare il moto di cellule all’interno di microcanali, è stato utilizzato il modello Volume of Fluid (VoF), sviluppato per lo studio dei fluidi bifase. Una singola cellula – leucocita o globulo rosso (GR) – viene rappresentato come una goccia di fluido, caratterizzata da specifiche proprietà fisiche. Il modello VoF viene utilizzato per analizzare l’effetto del moto della cellula sulla fluidodinamica complessiva del microcanale, al variare di parametri specifici della microcircolazione epatica. Il rapporto tra la viscosità del plasma e quella della cellula ha un effetto rilevante sulla deformazione della cellula. Cellule meno viscose (GR) si deformano durante il passaggio in microcanali di dimensione doppia, mentre cellule più viscose (leucociti) tendono a ruotano e a spostarsi verso la parete del capillare fino a raggiungere una posizione di equilibrio. Il modello VoF è stato validato tramite una campagna sperimentale di cellule deformate da flussi estensionali in dispositivi microfluidici appositamente progettati e prodotti. Attraverso una telecamera ad alta velocità, la deformazione di HL60 e Jurkat è stata misurata al variare della portata - 25 ÷ 125 µl/min - e confrontata con simulazioni computazionali. Il modello è in grado di rappresentare correttamente la deformazione delle cellule, con piccole approssimazioni dovute all’utilizzo di geometrie 2D. Infine, il modello VoF è stato integrato con il modello del network sinusoidale, ricostruendo il dominio computazionale da immagini in vivo e simulando il moto della cellula in uno dei microcanali. Questa simulazione preliminare ha dimostrato la fattibilità di utilizzo del modello VoF per applicazioni alla microcircolazione epatica. È stato possibile inoltre stimare gli sforzi di taglio e le forze agenti sulla cellula e sull’endotelio, con valori nell’ordine di 11.8 ÷ 19.5 pN.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/140651