發(fā)布時(shí)間：2017-06-01 15:11

  本文關(guān)鍵詞：振蕩流動(dòng)條件下組織再生過程的數(shù)值模擬及流場參數(shù)對(duì)組織增長影響的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：經(jīng)過各個(gè)學(xué)科的發(fā)展融在合與交叉,人們逐漸認(rèn)識(shí)到環(huán)境友好的生物技術(shù)是21世紀(jì)科技的主要發(fā)展方向。本文研究重點(diǎn)為組織工程,也稱為“再生醫(yī)學(xué)”,是利用生物活性物質(zhì)(活性細(xì)胞等),通過體外培養(yǎng)或構(gòu)建的方法,再造或者修復(fù)器官及組織的技術(shù)。組織工程涉及到生物學(xué)、材料學(xué)和工程學(xué)等多門學(xué)科。其中生物反應(yīng)器是人們進(jìn)行生物目標(biāo)產(chǎn)品培養(yǎng)開發(fā)和生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備,該設(shè)備為生物活性物質(zhì)營造增殖、分化所必要的生理微環(huán)境,并且能使細(xì)胞培養(yǎng)工程化。醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)于安全有效的骨再生技術(shù)的需求已經(jīng)迫在眉睫,廣大科研工作者也將注意力放到骨再生研究上,工程化骨組織培養(yǎng)已成為研究的熱點(diǎn)之一。灌注式生物反應(yīng)器(Perfusion Bioreactor)能提供適合的營養(yǎng)傳輸與剪切刺激,是近年來逐漸發(fā)展起來的一種較為理想的組織工程動(dòng)態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)。本研究基于傳輸現(xiàn)象的基本原理,采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)與流動(dòng)傳質(zhì)理論,對(duì)灌注式生物反應(yīng)器內(nèi)組織增長過程建立數(shù)學(xué)模型,并利用流體仿真工具Fluent對(duì)生物反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)、剪切力分布等進(jìn)行數(shù)值仿真。模擬結(jié)果顯示單向灌注流條件下,多孔支架材料內(nèi)速度呈明顯層流現(xiàn)象,離生物反應(yīng)器對(duì)稱中心距離越遠(yuǎn)支架內(nèi)速度和達(dá)西剪切力逐漸降低,且不同半徑處存在較大差異。振蕩流作用時(shí),多孔支架材料內(nèi)速度和達(dá)西剪切力呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律,不同半徑處流速和達(dá)西剪切力差異減小,有利于在骨組織工程中對(duì)種子細(xì)胞進(jìn)行均勻三維培養(yǎng)。增加入口振蕩流動(dòng)振蕩頻率可降低支架內(nèi)流速最大峰值,顯著減小不同半徑處流速的差異。振蕩流動(dòng)作用下,僅增加多孔支架孔徑或孔隙率對(duì)支架內(nèi)流速峰值影響不大,但會(huì)顯著降低平均達(dá)西剪切力。在研究了反應(yīng)器內(nèi)多孔支架流場與剪切力的基礎(chǔ)上,采用多物理耦合方式對(duì)生物反應(yīng)器內(nèi)流場、濃度場和細(xì)胞增長方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。研究流場參數(shù)對(duì)細(xì)胞分布與增殖的影響。通過建立數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算生物反應(yīng)器內(nèi)生理微環(huán)境的變化,進(jìn)一步了解孔隙率隨著細(xì)胞生長而降低的細(xì)胞組織動(dòng)態(tài)培養(yǎng)過程。模擬結(jié)果顯示流動(dòng)剪切力對(duì)細(xì)胞作用不能忽視,振蕩流動(dòng)培養(yǎng)方式對(duì)比單向流動(dòng)更能促進(jìn)細(xì)胞分布均勻性,但必須加入微小正向流速保證營養(yǎng)代謝與廢物排出。流速、振蕩振幅增加能促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)傳輸和提高剪切力,有利于細(xì)胞增殖,但對(duì)細(xì)胞分布均勻性有一定影響。初始支架孔隙率大,有利于細(xì)胞分布的均勻性。正向流速與振蕩頻率對(duì)細(xì)胞生長的影響有限。總之,本研究探討了在骨組織工程中灌注式生物反應(yīng)器的流場參數(shù)與初始支架材料參數(shù)和對(duì)組織增長的影響,并根據(jù)模擬結(jié)果總結(jié)出參數(shù)改變后對(duì)細(xì)胞增長總量與分布的影響規(guī)律。本研究可對(duì)優(yōu)化骨組織工程化過程中的流場參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,在達(dá)到骨組織生理要求的基礎(chǔ)上縮短培養(yǎng)周期,提高效率,以應(yīng)對(duì)日益增長的醫(yī)療修復(fù)骨組織缺損的需求。
【關(guān)鍵詞】：生物反應(yīng)器 組織工程 計(jì)算流體力學(xué) 剪切力 振蕩流動(dòng)
【學(xué)位授予單位】：武漢紡織大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R318.08
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 緒論10-20
• 1.1 引言10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究狀況及分析11-17
• 1.2.1 骨組織工程發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢11-15
• 1.2.2 組織工程模擬研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 本文采用的數(shù)值模擬方法簡介17-18
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容18-20
• 2 灌注式生物反應(yīng)器中流場與剪切力分布模擬20-33
• 2.1 前言20
• 2.2 理論模型建立及求解20-23
• 2.2.1 流動(dòng)控制方程21-23
• 2.2.2 邊界條件23
• 2.3 Fluent的計(jì)算求解步驟23-24
• 2.4 計(jì)算結(jié)果與討論24-31
• 2.4.1 計(jì)算模型驗(yàn)證24-25
• 2.4.2 多孔支架材料中流速與剪切力分布25-27
• 2.4.3 灌注流速對(duì)多空支架材料內(nèi)剪切力影響27-28
• 2.4.4 振蕩流動(dòng)振蕩頻率對(duì)流速和剪切力分布影響28-29
• 2.4.5 多孔支架材料孔徑對(duì)流速和剪切力分布影響29-30
• 2.4.6 多孔支架材料孔隙率對(duì)流速和剪切力分布影響30-31
• 2.5 本章小結(jié)31-33
• 3 灌注式生物反應(yīng)器中多物理場模擬33-43
• 3.1 前言33
• 3.2 數(shù)學(xué)模型33-38
• 3.2.1 生物反應(yīng)器模型33-34
• 3.2.2 流速場流動(dòng)控制方程34-35
• 3.2.3 質(zhì)量場營養(yǎng)傳質(zhì)控制方程35-36
• 3.2.4 生物場細(xì)胞生長控制方程36-37
• 3.2.5 邊界條件37-38
• 3.3 數(shù)值處理過程38-40
• 3.3.1 無量綱化方程38-39
• 3.3.2 邊界條件無量綱化39
• 3.3.3 模型參數(shù)39-40
• 3.4 COMSOL Multiphysics簡介40-42
• 3.4.1 COMSOL Multiphysics特點(diǎn)40-41
• 3.4.2 COMSOL Multiphysies的計(jì)算求解步驟41
• 3.4.3 計(jì)算模型驗(yàn)證41-42
• 3.5 本章小結(jié)42-43
• 4 灌注式生物反應(yīng)器中流場參數(shù)對(duì)組織增長的影響43-55
• 4.1 剪切力對(duì)細(xì)胞生長的影響43-45
• 4.2 流速變化對(duì)細(xì)胞生長的影響45-46
• 4.3 流動(dòng)方式對(duì)細(xì)胞生長的影響46-48
• 4.4 正向流速變化對(duì)細(xì)胞生長的影響48-49
• 4.5 振蕩振幅對(duì)細(xì)胞生長的影響49-51
• 4.6 頻率變化對(duì)細(xì)胞生長的影響51-52
• 4.7 初始孔隙率對(duì)細(xì)胞生長的影響52-54
• 4.8 本章小結(jié)54-55
• 5 結(jié)論與展望55-57
• 5.1 主要內(nèi)容與結(jié)論55-56
• 5.2 展望56-57
• 參考文獻(xiàn)57-63
• 附錄63-65
• 致謝65

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 李德強(qiáng);李德強(qiáng);李德強(qiáng);楊愛玲;湯亭亭;湯亭亭;盧建熙;盧建熙;郭雪巖;戴\戎;戴\戎;戴\戎;戴\戎;;灌注式生物反應(yīng)器中流體剪切力對(duì)大段組織工程化骨構(gòu)建的作用[J];醫(yī)用生物力學(xué);2009年01期

2 張世浩;朱立新;;關(guān)節(jié)軟骨組織工程種子細(xì)胞的研究進(jìn)展[J];中國修復(fù)重建外科雜志;2008年12期

3 孫曉江;戴\戎;謝幼專;湯亭亭;于志鋒;張書紅;;灌注型生物反應(yīng)器中流速對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖及成骨分化的影響[J];醫(yī)用生物力學(xué);2012年05期

  本文關(guān)鍵詞：振蕩流動(dòng)條件下組織再生過程的數(shù)值模擬及流場參數(shù)對(duì)組織增長影響的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：412861