剪切诱导振荡与流体动力学缓冲稳定精子表面导航

强流条件下边界附近的导航是活性物质中微游动体输运的核心问题。利用微流控技术，我们追踪了平面壁面附近 Poiseuille 流中滚动的牛精子，其中近壁剪切率最高可达 50 s^-1。随着流速增大，我们观察到一种普适的动力学转变：零流速时的圆周表面游动、弱流条件下的逆流趋流，以及高剪切下新颖的近表面振荡（NSO）状态，其特征为大角度振荡和周期性脱离壁面。 令人惊讶的是，即使在下游平流占主导时，精子仍然集中于近壁层。一个结合了流体动力学壁面相互作用、剪切驱动的 Jeffery 转动以及鞭毛与壁面立体碰撞的最简机制模型再现了这些转变，并揭示出一个流体动力学缓冲区——在该剪切率范围内，距壁平均距离几乎保持不变。这种缓冲效应源于壁面吸引态与体相振荡态之间的竞争，从而为波动环境中的表面导航提供了一种稳健的物理机制。

jhyuan{at}ustc.edu.cn

摘要

在强流条件下，边界附近的导航是活性物质中微游动体输运的核心问题。利用微流控技术，我们追踪了平面壁面附近滚动的牛精子在泊肃叶流中的运动，其中近壁剪切率最高可达 50 s^-1。随着流速增加，我们观察到一种普适的动力学转变：零流速时的表面圆周游动、弱流下的逆流趋流性，以及一种新颖的高剪切近表面振荡（NSO）状态，其特征为大角度振荡和周期性脱离壁面。令人惊讶的是，即使下游平流占主导，精子仍然集中在近壁层中。一个结合了流体动力学壁面相互作用、剪切驱动的 Jeffery 旋转以及鞭毛与壁面位阻碰撞的最简机制模型再现了这些转变，并揭示出一个流体动力学缓冲区——在这一剪切率范围内，平均离壁距离几乎保持恒定。该缓冲效应源于壁面吸引态与体相振荡态之间的竞争，为波动环境中的表面导航提供了一种稳健的物理机制。

竞争利益声明

作者声明不存在竞争性利益。

已声明的资助信息

中国教育部基础与交叉学科突破计划 JYB2025XDXM502

国家自然科学基金 12474204

中国科学技术大学“双一流”建设科研基金 YD2030002501

贵州省重大科技专项 XKBF (2025)010

版权

本预印本的。

本文依据 CC-BY 4.0 国际许可协议 公开提供。

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发布于 2026 年 6 月 8 日。

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剪切诱导振荡与流体动力学缓冲稳定精子表面导航

MengNa Liu

Antai Tao

Rongjing Zhang

Junhua Yuan

bioRxiv 2026.06.03.729852；

doi： https://doi.org/10.64898/2026.06.03.729852

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MengNa Liu

Antai Tao

Rongjing Zhang

Junhua Yuan

bioRxiv 2026.06.03.729852；

doi： https://doi.org/10.64898/2026.06.03.729852

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.03.729852v1?rss=1

🏷️ 精子导航 微流控 近壁流体动力学 剪切诱导振荡 活性物质