本文關(guān)鍵詞：新型組織工程皮膚灌注式生物反應(yīng)器實驗臺設(shè)計及準靜態(tài)平面流場數(shù)值模擬研究

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【摘要】：皮膚缺損是一種臨床上常見的組織損傷性疾病。輕者可以僅僅是輕微的小創(chuàng)面，重者可以造成感染、水電解質(zhì)紊亂、免疫功能低下、多臟器衰竭甚至是致命的。組織工程皮膚的出現(xiàn)為救治皮膚缺損尤其是較大面積缺損的病人提供了新的有效治療手段。所謂組織工程皮膚就是采用組織工程技術(shù)構(gòu)建人工皮膚替代物以達到暫時性乃至永久性替代自身皮膚的作用。組織工程皮膚構(gòu)建過程中生物反應(yīng)器的使用有利于細胞的生長、分化及維持細胞的活性，并有助于細胞合成和分泌細胞外基質(zhì)，以便進行支架的再構(gòu)建。在生物反應(yīng)器中，通過控制細胞適宜的生長條件以及必要的機械應(yīng)力刺激，加快細胞在三維支架上生長，促進構(gòu)建物的成熟，從而提高大規(guī)模生產(chǎn)工程化組織的效率。由于組織工程構(gòu)建物有其自身的特殊性，每一種組織工程產(chǎn)品的構(gòu)建可能都需要一種甚至多種的生物反應(yīng)器系統(tǒng)與之相適應(yīng)。皮膚位于體表，承受的機械應(yīng)力相對較小，表皮的角化需與空氣直接接觸，這就決定了組織工程皮膚培養(yǎng)的特殊要求，即具有氣液界面和低剪切力刺激。為了保證營養(yǎng)的均勻供應(yīng)，還需營造出均勻的流場。在灌注條件下滿足這些要求，只能是低流速下的均勻流場，因此我們提出了“準靜態(tài)平面流場是組織工程皮膚的最佳培養(yǎng)模式”的假說，以滿足皮膚組織培養(yǎng)的特殊要求，從而解決了傳統(tǒng)反應(yīng)器中培養(yǎng)室中流場不均勻、體積過大、有效培養(yǎng)容量有限等缺陷。 目前主要有以下幾種常用生物反應(yīng)器：攪拌式生物反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器、氣升式生物反應(yīng)器及灌注式生物反應(yīng)器。其中灌注式反應(yīng)器的優(yōu)點更為突出：不斷地加入新鮮培養(yǎng)基以及不斷地使含有代謝廢物的培養(yǎng)基流出，使細胞得以在一個相對穩(wěn)定的生長環(huán)境內(nèi)增殖，即省時省力，又減少了細胞發(fā)生污染的機會，且可以提高細胞密度10倍以上。但目前應(yīng)用的灌注式生物反應(yīng)器存在比表面積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流場不均勻、擴展性差等缺點。由于流場不均一，存在營養(yǎng)傳遞受限、不均的現(xiàn)象，支架內(nèi)液體不易流動，容易造成細胞壞死；流場對細胞的剪切力不同，對細胞的生長、增殖、分化等功能產(chǎn)生不利的影響。本課題設(shè)計了一種新型皮膚組織灌注式反應(yīng)器，它增加了比表面積，減少了體積和管路，簡化了結(jié)構(gòu)，便于操作和維護，滿足氣液界面的同時降低了剪切力,實現(xiàn)了流場均一,保證了營養(yǎng)供應(yīng)和氧氣交換,其擴展性強,大小可變,層數(shù)可多可少,不僅能用于實驗室的基礎(chǔ)研究,也可用做產(chǎn)業(yè)化設(shè)備。 計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)是利用電子計算機和離散化的數(shù)值方法對流體力學(xué)問題進行數(shù)值模擬和分析的一種方法。利用CFD可以分析生物反應(yīng)器內(nèi)的流場分布、計算三維支架材料內(nèi)部及表面的流體剪切應(yīng)力、流體流動速度、壓力、繪制氧分布圖等。目前CFD作為一種新興和有效的試驗及分析手段,越來越多地被運用到生物反應(yīng)器設(shè)計和細胞培養(yǎng)要求等方面的研究中。本課題依據(jù)準靜態(tài)平面流場的灌注式培養(yǎng)理念設(shè)計出了一種新型生物反應(yīng)器,擬解決其他生物反應(yīng)器存在的一些不足,適合組織工程皮膚氣液界面及低剪切力培養(yǎng)的基本要求,有利于規(guī)模化培養(yǎng)。通過CFD技術(shù)對流場及支架壁面上的切應(yīng)力進行模擬研究,獲得最優(yōu)實驗臺的結(jié)構(gòu)和尺寸,為今后應(yīng)用于臨床皮膚移植的組織工程皮膚構(gòu)建物的培養(yǎng)提供實驗平臺。 目的 1、依據(jù)我們提出的“準靜態(tài)平面流場是組織工程皮膚的最佳培養(yǎng)模式”的假說,設(shè)計一種準靜態(tài)平面流場的灌注式新型生物反應(yīng)器,以適合組織工程皮膚氣液界面及低剪切力培養(yǎng)的基本要求,有利于規(guī)�；囵B(yǎng)。 2、應(yīng)用CFD軟件對新型生物反應(yīng)器中的流場和篩網(wǎng)狀支撐物及組織工程皮膚構(gòu)建物表面處的切應(yīng)力進行模擬,獲得新型灌注式生物反應(yīng)器最優(yōu)實驗臺結(jié)構(gòu)尺寸 方法 一、新型組織工程皮膚灌注式生物反應(yīng)器實驗臺設(shè)計及初步模擬 1、二維及三維皮膚培養(yǎng)反應(yīng)段和新型生物反應(yīng)器流場采用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件FLUENT進行數(shù)值模擬 2、數(shù)值方法 2.1控制方程：由于培養(yǎng)基的流速很小,其最大值僅為100ml/min。因此培養(yǎng)基的流動可視為不可壓縮流體層流流動,其控制方程為： 連續(xù)性方程：V·u=0(1)式中：u(x,t)為速度矢量；p為壓強；ρ為培養(yǎng)基的密度；v為動力粘度。 在生物反應(yīng)器中存在氣液界面,也就是說在反應(yīng)器中存在兩相流動。因此在模擬中需啟動兩相流模型。本課題采用VOF模型模擬氣液界面的兩相流動。VOF模型跟蹤相之間的界面是通過求解一相或多相的容積比率(α。)的連續(xù)方程來完成的。對于第q相,其方程為： 式中mpq是q相到p相的質(zhì)量傳遞；mpq是p相到q相的質(zhì)量傳遞。 主相容積比率(α。)的計算基于如下約束： 2.2邊界條件和重要參數(shù)：將進口設(shè)置為速度入口；出口設(shè)置為自由出流；其它邊界設(shè)置為無滑移壁面。 由于存在氣液界面,需要設(shè)置氣相和液相的物性參數(shù)。氣相空氣的重要物性參數(shù)：密度為1.225kg/m3；動力粘度為1.7894×10-5Pa·s。液相培養(yǎng)基的重要物性參數(shù)為：密度為998.2kg/m3；動力粘度為1.003×10-3Pa·s。 二、新型組織工程皮膚灌注式生物反應(yīng)器數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 1、應(yīng)用CFD軟件FLUENT對在不同形狀、不同高度及不同斜度下的高溢流壩部分培養(yǎng)基流動進行數(shù)值模擬,得到流場流動特性最優(yōu)的高溢流壩,并對最優(yōu)化的實驗臺內(nèi)部流場在不同流量下進行數(shù)值模擬。 2、數(shù)值方法同上 結(jié)果 1、依據(jù)“準靜態(tài)平面流場是組織工程皮膚的最佳培養(yǎng)模式”的假說,設(shè)計了一種新型灌注式生物反應(yīng)器,它具有層疊功能,并實現(xiàn)了準靜態(tài)的平面流場,滿足培養(yǎng)組織工程皮膚構(gòu)建物的要求。 2、對新型灌注式生物反應(yīng)器內(nèi)部整個流場進行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)高溢流壩泄流部分對皮膚培養(yǎng)反應(yīng)段處流動特性影響不大,因此確定了將皮膚培養(yǎng)反應(yīng)段和高溢流壩部分分別進行數(shù)值模擬。對不同工況下(考慮了篩網(wǎng)寬度和高度這兩個重要因素)皮膚培養(yǎng)反應(yīng)段流場進行數(shù)值模擬,結(jié)果表明在所有數(shù)值計算工況下皮膚培養(yǎng)反應(yīng)段表面和皮膚構(gòu)建物表面處的剪切應(yīng)力均小于3dyn/cm2,滿足皮膚組織工程培養(yǎng)對剪切應(yīng)力的要求。 3、對具有不同形狀、不同高度和不同斜度高溢流壩泄流部分流動進行數(shù)值模擬,分析了高溢流壩泄流部分培養(yǎng)基體積分數(shù)分布和培養(yǎng)基流動情況,結(jié)果表明當(dāng)泄流部分為平面,高度為10mm和12mm,斜度為20。時,高溢流壩泄流部分流場具有較好的流動特性。 4、在不同流量下，對最優(yōu)化實驗臺(高溢流壩泄流部分為平面，高度為10mm或12mm，斜度為20°)內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)在較小流量下(50mL/min和60mL/min)，兩種尺寸下的實驗臺高溢流壩泄流部分均存在斷流；而在較大流量下(80mL/min和100mL/min)，兩種尺寸下的實驗臺高溢流壩泄流部分不存在斷流。 5、根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，獲得了新型灌注式生物反應(yīng)器最優(yōu)實驗臺結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)。 結(jié)論 1、提出了“準靜態(tài)平面流場是組織工程皮膚的最佳培養(yǎng)模式”的假說，，即在組織工程皮膚培養(yǎng)室中構(gòu)造出一種低剪切力的均勻平面流場，以滿足皮膚組織培養(yǎng)的特殊要求。 2、設(shè)計了一種滿足培養(yǎng)組織工程皮膚構(gòu)建物要求的新型灌注式生物反應(yīng)器，有可能在未來的皮膚組織工程研究和生產(chǎn)中廣泛使用。
【關(guān)鍵詞】：新型灌注式生物反應(yīng)器 皮膚組織工程 準靜態(tài)平面流場 CFD
【學(xué)位授予單位】：第三軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：R751
【目錄】：

• 縮略語表4-5
• Abstract5-10
• 摘要10-14
• 第一章 前言14-17
• 第二章 新型組織工程皮膚灌注式生物反應(yīng)器實驗臺設(shè)計及初步模擬17-31
• 2.1 引言17
• 2.2 數(shù)值模擬方法及步驟17-22
• 2.3 結(jié)果22-28
• 2.4 討論28-30
• 2.5 小結(jié)30-31
• 第三章 新型組織工程皮膚灌注式生物反應(yīng)器數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化31-52
• 3.1 引言31-32
• 3.2 數(shù)值模擬方法及步驟32-33
• 3.3 結(jié)果33-50
• 3.4 討論50-51
• 3.5 小結(jié)51-52
• 全文總結(jié)52-53
• 參考文獻53-58
• 文獻綜述58-67
• 參考文獻65-67
• 攻讀學(xué)位期間的研究成果67-68
• 致謝68

【參考文獻】

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中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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本文編號：929033