振荡流动条件下组织再生过程的数值模拟及流场参数对组织增长影响的研究

发布时间：2017-06-01 15:11

  本文关键词：振荡流动条件下组织再生过程的数值模拟及流场参数对组织增长影响的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：经过各个学科的发展融在合与交叉,人们逐渐认识到环境友好的生物技术是21世纪科技的主要发展方向。本文研究重点为组织工程,也称为“再生医学”,是利用生物活性物质(活性细胞等),通过体外培养或构建的方法,再造或者修复器官及组织的技术。组织工程涉及到生物学、材料学和工程学等多门学科。其中生物反应器是人们进行生物目标产品培养开发和生产的关键设备,该设备为生物活性物质营造增殖、分化所必要的生理微环境,并且能使细胞培养工程化。医疗机构对于安全有效的骨再生技术的需求已经迫在眉睫,广大科研工作者也将注意力放到骨再生研究上,工程化骨组织培养已成为研究的热点之一。灌注式生物反应器(Perfusion Bioreactor)能提供适合的营养传输与剪切刺激,是近年来逐渐发展起来的一种较为理想的组织工程动态培养系统。本研究基于传输现象的基本原理,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)与流动传质理论,对灌注式生物反应器内组织增长过程建立数学模型,并利用流体仿真工具Fluent对生物反应器内的流体流动、剪切力分布等进行数值仿真。模拟结果显示单向灌注流条件下,多孔支架材料内速度呈明显层流现象,离生物反应器对称中心距离越远支架内速度和达西剪切力逐渐降低,且不同半径处存在较大差异。振荡流作用时,多孔支架材料内速度和达西剪切力呈现一致的变化规律,不同半径处流速和达西剪切力差异减小,有利于在骨组织工程中对种子细胞进行均匀三维培养。增加入口振荡流动振荡频率可降低支架内流速最大峰值,显著减小不同半径处流速的差异。振荡流动作用下,仅增加多孔支架孔径或孔隙率对支架内流速峰值影响不大,但会显著降低平均达西剪切力。在研究了反应器内多孔支架流场与剪切力的基础上,采用多物理耦合方式对生物反应器内流场、浓度场和细胞增长方程进行数值计算。研究流场参数对细胞分布与增殖的影响。通过建立数学模型模拟计算生物反应器内生理微环境的变化,进一步了解孔隙率随着细胞生长而降低的细胞组织动态培养过程。模拟结果显示流动剪切力对细胞作用不能忽视,振荡流动培养方式对比单向流动更能促进细胞分布均匀性,但必须加入微小正向流速保证营养代谢与废物排出。流速、振荡振幅增加能促进营养物质传输和提高剪切力,有利于细胞增殖,但对细胞分布均匀性有一定影响。初始支架孔隙率大,有利于细胞分布的均匀性。正向流速与振荡频率对细胞生长的影响有限。总之,本研究探讨了在骨组织工程中灌注式生物反应器的流场参数与初始支架材料参数和对组织增长的影响,并根据模拟结果总结出参数改变后对细胞增长总量与分布的影响规律。本研究可对优化骨组织工程化过程中的流场参数进行优化计算,在达到骨组织生理要求的基础上缩短培养周期,提高效率,以应对日益增长的医疗修复骨组织缺损的需求。
【关键词】：生物反应器 组织工程 计算流体力学 剪切力 振荡流动
【学位授予单位】：武汉纺织大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 引言10-11
• 1.2 国内外研究状况及分析11-17
• 1.2.1 骨组织工程发展现状及趋势11-15
• 1.2.2 组织工程模拟研究现状15-17
• 1.3 本文采用的数值模拟方法简介17-18
• 1.4 本文研究的主要内容18-20
• 2 灌注式生物反应器中流场与剪切力分布模拟20-33
• 2.1 前言20
• 2.2 理论模型建立及求解20-23
• 2.2.1 流动控制方程21-23
• 2.2.2 边界条件23
• 2.3 Fluent的计算求解步骤23-24
• 2.4 计算结果与讨论24-31
• 2.4.1 计算模型验证24-25
• 2.4.2 多孔支架材料中流速与剪切力分布25-27
• 2.4.3 灌注流速对多空支架材料内剪切力影响27-28
• 2.4.4 振荡流动振荡频率对流速和剪切力分布影响28-29
• 2.4.5 多孔支架材料孔径对流速和剪切力分布影响29-30
• 2.4.6 多孔支架材料孔隙率对流速和剪切力分布影响30-31
• 2.5 本章小结31-33
• 3 灌注式生物反应器中多物理场模拟33-43
• 3.1 前言33
• 3.2 数学模型33-38
• 3.2.1 生物反应器模型33-34
• 3.2.2 流速场流动控制方程34-35
• 3.2.3 质量场营养传质控制方程35-36
• 3.2.4 生物场细胞生长控制方程36-37
• 3.2.5 边界条件37-38
• 3.3 数值处理过程38-40
• 3.3.1 无量纲化方程38-39
• 3.3.2 边界条件无量纲化39
• 3.3.3 模型参数39-40
• 3.4 COMSOL Multiphysics简介40-42
• 3.4.1 COMSOL Multiphysics特点40-41
• 3.4.2 COMSOL Multiphysies的计算求解步骤41
• 3.4.3 计算模型验证41-42
• 3.5 本章小结42-43
• 4 灌注式生物反应器中流场参数对组织增长的影响43-55
• 4.1 剪切力对细胞生长的影响43-45
• 4.2 流速变化对细胞生长的影响45-46
• 4.3 流动方式对细胞生长的影响46-48
• 4.4 正向流速变化对细胞生长的影响48-49
• 4.5 振荡振幅对细胞生长的影响49-51
• 4.6 频率变化对细胞生长的影响51-52
• 4.7 初始孔隙率对细胞生长的影响52-54
• 4.8 本章小结54-55
• 5 结论与展望55-57
• 5.1 主要内容与结论55-56
• 5.2 展望56-57
• 参考文献57-63
• 附录63-65
• 致谢65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 李德强;李德强;李德强;杨爱玲;汤亭亭;汤亭亭;卢建熙;卢建熙;郭雪岩;戴\戎;戴\戎;戴\戎;戴\戎;;灌注式生物反应器中流体剪切力对大段组织工程化骨构建的作用[J];医用生物力学;2009年01期

2 张世浩;朱立新;;关节软骨组织工程种子细胞的研究进展[J];中国修复重建外科杂志;2008年12期

3 孙晓江;戴\戎;谢幼专;汤亭亭;于志锋;张书红;;灌注型生物反应器中流速对人骨髓间充质干细胞增殖及成骨分化的影响[J];医用生物力学;2012年05期

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本文编号：412861