Rheological properties of red blood cells

Abstract

In this work, the rheological properties of human blood are investigated by two different approaches. The flow properties of plasma, the liquid component of blood, is analyzed under three different conditions: shear flow, elongational flow and contraction flow. Up to now, the plasma was considered as a Newtonian fluid, while the non-Newtonian properties of blood were only attributed to the red blood cells. The performed experiments reveal a viscoelastic behavior of the plasma which has to be considered in future studies. In addition to the plasma, also diluted polymer solutions are analyzed in order to find a good model solution for plasma. The second part concerns the red blood cells. Their adhesion to linear aggregates is held responsible for the well-known shear thinning behavior of blood but the reason for the cluster formation is still not clear. The interaction energy between two red blood cells and the distribution of different sized clusters flowing through narrow channels are measured under the influence of the two macromolecules dextran and fibrinogen. As the aggregates are actually broken at high shear rates, the current understanding is that they would not play a role for the properties of blood flow. However, an increased amount of clusters at physiological fibrinogen concentrations can be shown, even at shear rates which are common in the microvascular system, which clarifies that the aggregation cannot be neglected in the description of blood flow through the capillary network.

In dieser Arbeit werden die rheologischen Eigenschaften von menschlichem Blut mit zwei verschiedenen Zugängen untersucht. Im ersten Teil werden die Fließeigenschaften von Plasma unter drei Bedingungen analysiert: Scherfluss, Dehnungsfluss und Kontraktionsfluss. Bis jetzt galt Plasma als Newtonsche Flüssigkeit, während die nicht Newtonschen Eigenschaften von Blut ausschließlich den roten Blutzellen zugeordnet wurden. Die durchgeführten Experimente zeigen ein viskoelastisches Verhalten von Plasma, welches in zukünftigen Studien zu berücksichtigen ist. Der zweite Teil beschäftigt sich mit den roten Blutzellen. Ihre Adhäsion zu linearen Aggregaten wird für das wohlbekannte scherverdünnende Verhalten von Blut verantwortlich gemacht, aber der Grund für die Entstehung der Cluster ist noch immer unklar. Die Interaktionsenergie zwischen zwei Blutzellen und die Verteilung verschieden großer Cluster, die durch schmale Kanäle fließen, werden unter dem Einfluss der beiden Makromoleküle Dextran und Fibrinogen gemessen. Da die Aggregate bei größeren Scherraten eigentlich aufgebrochen werden, war man bisher der Meinung, sie würden keine Rolle für den Blutfluss spielen, aber ein erhöhter Anteil von Clustern bei physiologischen Fibrinogenkonzentrationen, sogar bei Scherraten die im mikrovaskulären System üblich sind, stellt klar, dass die Aggregation bei der Beschreibung des Blutflusses im kapillaren Netzwerk nicht vernachlässigt werden kann.