主动出击，逆流而上！CAE仿真一个精子的升级之路

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摘要

本文探讨了人类精子在受孕过程中的运动规律。科学家利用计算流体力学（CFD）研究精子在女性生殖系统内的游动，发现精子需穿越高粘度非牛顿液体和免疫细胞，仅少数能到达卵子。精子游动呈非对称模式，类似小电钻旋转，其运动受生物力学和流体力学影响。研究还揭示了非牛顿流体对精子游动的影响，以及精子导航机制包括趋化性、趋温性、趋流性和近壁作用。最终，精子需克服宫颈粘液阻力，仅有0.1%能成功传递遗传信息。

正文

每一次的尝试受孕，会有多达3亿个精子在宫颈口处射出。然而，据不完全统计，约六分之一的夫妇患有不孕不育症。长期以来，科学家尝试通过计算流体力学（CFD）来研究精子运动规律，解释人类受孕机理，揭示精子的升级之路。

研究表明，一个人类精子要从数亿同类中脱颖而出达成自身使命，必须穿过充满高粘度非牛顿液体和潜在敌对免疫细胞的女性生殖系统，移动相对于自身体长数千倍的距离。绝大多数精子甚至无法到达输卵管，更不用说受精了。

在大家印象中，精子运动就跟小蝌蚪一样，做的是一种对称游动。然而，科学家发现那种对称的尾部摆动只是一种幻觉。精子运动其实是这样的：类似小电钻一样，自身附加旋转，凭借着非对称的游动，顺利抵达自己的温床。

精子运动是一个复杂的生物学过程，涉及到生物力学、流体力学等多学科知识。CFD研究主要考虑非牛顿流体力学以及流固耦合作用。精子游动的雷诺数Re为0.01左右，粘性力远大于惯性力。同时忽略对流项，使N-S方程线性化为Stokes方程。

正常人类精子体长约60μm，其中鞭毛长约55μm，能在流体中产生有节律的波动推动自身迁移。因此，构建精子运动模型时，通常将精子视为一根连续分布离散点连接构成的摆动细丝，指定各点之间相对运动规律来产生鞭毛波动效果。

非牛顿流体也称为粘弹性流体，其粘度与剪切速率不成正比。一般的CFD研究将精子的流动环境简化为牛顿流体，但精准性未知。有研究发现非牛顿流体会促进精子间吸引与聚集。此外，精子游动速度及效率也会受到非牛顿流体的粘弹性系数的影响。

精子运动的导航机制包括趋化性、趋温性、趋流性、近壁作用几个方面。趋温性是精子能够感受周围环境温度，并朝温度更高地方游动的特性。趋流性则是精子感知周围流体的流动状态来调节自身运动的一种特性，精子具有逆流而上的负趋流性。精子在有界区域游动过程中倾向于靠近壁面游动，进而使得精子能够在生殖道内依靠壁面引导游动方向。