毛細血管糖衣を媒介としたバイオミメティック微小血管のストリーミングポテンシャル

Streaming potential in bio-mimetic microvessels mediated by capillary glycocalyx.

• Rahul Roy
• Siddhartha Mukherjee
• Rajaram Lakkaraju
• Suman Chakraborty

抄録

植え込み型医療機器やバイオセンサーは、病気の検出や治療の分野で新たな次元を切り開くことで、医療技術の分野に革命を起こす上で極めて重要な役割を果たしています。これらのデバイスは、生体内での適用性の制約を克服し、外部刺激に頼らず、生体適合性が高く、生理的に持続可能な安全な電源を利用する必要があります。ここでは、生理学的に関連する微小血管における電気力学と流体力学の相互作用に訴えることで、生理学的な流体導管を横断するストリーミング電位を確立するための荷電内皮グリコカリックス層（EGL）の役割を明らかにする。我々は、血漿を表すニュートン流体モデルと全血を表す粘弾性流体モデルに訴えることで、血液を模倣した流体の複雑なレオロジーを説明する。本研究では、EGLを体積電荷分布を持つ多孔質弾性層としてモデル化した。その結果、生理学的に関連するマイクロフローの場合、誘導されるストリーミング電位は通常0.1V/mmのオーダーであることを明らかにした。また、実際の機能的限界内でストリーミング電位を増強することを視野に入れて、関連する生理学的パラメータの特定の意味合いを明らかにした。我々はさらに、EGLの厚さにストリーミング電位の依存性が血管新生パターンの背後にある謎を解く上で重要な側面の一つである可能性があることを明らかにした。本研究の結果は、医療診断における新たなバイオセンシングとアクチュエータの可能性を開くだけでなく、生理学的に安全で生体適合性に優れた人体内電源の開発に関する代替案を提供する可能性がある。

Implantable medical devices and biosensors are pivotal in revolutionizing the field of medical technology by opening new dimensions in the field of disease detection and cure. These devices need to harness a biocompatible and physiologically sustainable safe power source instead of relying on external stimuli, overcoming the constraints on their applicability in-vivo. Here, by appealing to the interplay of electromechanics and hydrodynamics in physiologically relevant microvessels, we bring out the role of charged endothelial glycocalyx layer (EGL) towards establishing a streaming potential across physiological fluidic conduits. We account for the complex rheology of blood-mimicking fluid by appealing to Newtonian fluid model representing the blood plasma and a viscoelastic fluid model representing the whole blood. We model the EGL as a poroelastic layer with volumetric charge distribution. Our results reveal that for physiologically relevant micro-flows, the streaming potential induced is typically of the order of 0.1 V/mm, which may turn out to be substantial towards energizing biosensors and implantable medical devices whose power requirements are typically in the range of micro to milliwatts. We also bring out the specific implications of the relevant physiological parameters towards establishment of the streaming potential, with a vision of augmenting the same within plausible functional limits. We further unveil that the dependence of streaming potential on EGL thickness might be one of the key aspects in unlocking the mystery behind the angiogenesis pattern. Our results may open up novel bio-sensing and actuating possibilities in medical diagnostics as well as may provide a possible alternative regarding the development of physiologically safe and biocompatible power sources within the human body.

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