带有趋旋性微生物的微极性纳米流体在旋转针头上的生物对流分析及其在生物传感和靶向药物递送中的应用

《Results in Surfaces and Interfaces》：Bioconvective analysis of micropolar nanofluid with gyrotactic microorganisms over a spinning needle used in biosensing and targeted drug delivery

　　

纳米流体中的生物对流因其在提高生物传感和靶向药物递送精度方面的潜力而在生物医学和微流控技术中引起了显著关注。本分析旨在研究包含微生物的两相模型微极性纳米流体在旋转针头上的生物对流，其中布朗运动（Brownian motion）和热泳（thermophoresis）的整合在流动现象中起着重要作用。此外，霍尔电流（Hall current）的作用以及焦耳和达西耗散（Joule and Darcy dissipation）对可渗透介质中导电流体流动的影响显著改变了流动行为。趋旋性微生物（gyrotactic microorganisms）的引入诱导了生物对流运动，这增强了颗粒的均匀性并防止了团聚。描述流动模式的控制数学模型通过利用相似条件转化为标准无量纲模型，随后使用打靶法配合龙格-库塔数值技术（Runge-Kutta numerical technique）处理该模型。与先前研究的比较分析通过数值获得，这验证了当前方法在特定情况下的有效性。结果表明，霍尔和磁场相互作用显著影响方位速度，而焦耳和达西耗散增加了热边界层厚度。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

微极性流体理论作为经典流体动力学的扩展，为分析含有微结构或可旋转悬浮颗粒的复杂流体（如血液、液晶、胶体悬浮液及聚合物溶液）提供了全面的框架。这类流体的微旋转对剪切依赖性粘度和旋转效应有显著影响，在微流控装置、润滑系统和生物医学应用中至关重要。近年来，纳米流体中的生物对流因能提高颗粒均匀性、防止团聚，并在生物传感和靶向药物递送中增强精度而受到广泛关注。然而，现有研究存在以下空白：微极性流体与霍尔效应在多孔旋转针头几何结构中的耦合尚未探索；大多数研究忽略了焦耳和达西耗散对微极性纳米流体生物对流热传输的影响；布朗运动、热泳及趋旋性微生物在旋转微结构中的同步作用未被系统研究；生物对流微极性纳米流体在生物传感和靶向药物递送中控制热和浓度梯度的应用潜力有待挖掘。因此，研究人员旨在建立数学模型，描述含有趋旋性微生物的微极性纳米流体在嵌入多孔介质中的旋转针头上的生物对流，分析焦耳和达西耗散、霍尔电流、布朗运动和热泳的综合影响，并模拟数值结果以验证先前研究。

**研究方法与技术**

研究人员采用打靶法（shooting technique）配合龙格-库塔数值技术（Runge-Kutta numerical technique）求解非线性的控制方程。首先通过相似变换将偏微分方程组转化为常微分方程组，再利用打靶法估计未知初始值，最后用龙格-库塔法迭代求解，精度达10^-5。模型的关键参数包括：微极性参数K，磁参数M，达西数Da，霍尔电流参数m，布朗运动参数Nb，热泳参数Nt，埃克特数Ec，普朗特数Pr，路易斯数Le，化学反应参数Kc，佩克莱数Pe，生物对流路易斯数Lb等。数值结果与Mabood等人[22]的工作进行对比，验证了方法的准确性（参见表-1）。

**研究结果**

1. **磁化参数M和孔隙率Da对轴向速度和温度的影响**（图2-3）：低磁化（M=0）产生较小阻力，提升轴向速度；高磁化（M=1.5）产生洛伦兹力，抑制速度。同时，增强的孔隙率（Da=2）也提供阻力，进一步降低速度。然而，磁化和孔隙率的阻力在表面区域积累能量，导致流体温度显著升高。在生物传感中，磁场增强粒子聚集控制以提高信号精度；在药物递送中，磁场实现纳米载体的靶向运输。

2. **微极性参数K对轴向和角速度的影响**（图4-5）：K=0代表牛顿流体，K增大表示非牛顿行为。增强的K导致轴向速度降低，但角速度增加。无论孔隙率如何，这一趋势均成立。在旋转针头系统中，微极性参数显著影响速度梯度和微旋转诱导的混合。

3. **拉伸速率c和拉伸速度ε对速度场的影响**（图6-9）：轴向速度随c增大而增大，角速度在近表面区域减小，在远场区域增大。轴向速度在低ε时较低，高ε时增大，且存在转折点；角速度在整个范围内随ε增大而增大。

4. **霍尔电流m对轴向速度的影响**（图10）：增大m导致轴向速度降低；进一步增加孔隙率则使速度分布上升。

5. **布朗运动参数Nb和热泳参数Nt对温度和浓度的影响**（图11-12）：Nb和Nt均使流体温度升高。对浓度而言，Nt增大使浓度降低，而Nb增大使浓度升高。

6. **埃克特数Ec对温度的影响**（图13）：Ec增大导致流体温度升高，热边界层厚度增加，且孔隙率增强这一效应。

7. **路易斯数Le和化学反应参数Kc对浓度的影响**（图14）：Le增大（溶质扩散减弱）使浓度降低；Kc为负时表示正反应，增大浓度；Kc为正时表示逆反应，降低浓度。

8. **生物对流路易斯数Lb和佩克莱数Pe对微生物浓度的影响**（图15-16）：增大Lb或Pe均导致微生物浓度降低，且孔隙率（Da）的增强进一步降低浓度。

此外，数值结果（表-2至表-4）显示：增大M、Da、m和K均提高表面摩擦系数（|CfRex^1/2|）；增大Nb和Nt降低努塞尔数（NuRex^-1/2），但增大Nt提高舍伍德数（ShRex^-1/2），而Nb降低舍伍德数；增大Ec提高努塞尔数；增大Le和Kc均提高舍伍德数；增大Lb提高微生物密度梯度（NnRex^-1/2），而增大Pe和Le则降低该值。

**研究结论**

研究人员通过对比分析验证了数值方法的收敛性。流动参数（如磁化）控制流体纵向速度，同时增强热场。磁化M和孔隙率Da的阻力显著增强速度梯度，提高表面摩擦系数。非牛顿参数K抑制流体速度，其效应强于牛顿情形。埃克特数Ec的耗散热能显著提高各点温度。布朗运动和热泳参数因扩散交叉作用增强温度，但热传递率降低。浓度分布随Nt增大而降低，随Nb增大而升高。生物对流路易斯数Lb和溶质佩克莱数Pe的增大均导致所有空间位置上微生物密度降低。该研究为生物医学微器件、生物传感器和药物递送系统提供了理论基础，并可拓展至三维流动及机器学习预测传热特性等方向。