可降解生物陶瓷體內(nèi)演變過(guò)程的可視化仿真.pdf

1、可降解生物陶瓷β-磷酸三鈣(β-TCP)是一種性能優(yōu)良的骨替代和修復(fù)材料，植入體內(nèi)后將逐漸被新生骨替代。研究可降解生物陶瓷在體內(nèi)的演變過(guò)程和機(jī)理對(duì)于設(shè)計(jì)性能及結(jié)構(gòu)優(yōu)異的骨移植材料具有重要的意義。由于受體內(nèi)外試驗(yàn)條件的限制，可降解生物陶瓷在體內(nèi)的演變過(guò)程還沒(méi)有得到深入的認(rèn)識(shí)。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，建模與仿真一直是一個(gè)受到高度重視的研究手段。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)具有：(1)模擬時(shí)間的可伸縮性；(2)模擬過(guò)程的可重復(fù)性；(3)模擬運(yùn)行的可控性；(4)模

2、擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和預(yù)見(jiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，因此運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)探索可降解生物陶瓷的體內(nèi)演變過(guò)程可以克服實(shí)驗(yàn)手段的不足。 可降解生物陶瓷β-TCP植入體內(nèi)后，材料的降解和新骨的生長(zhǎng)過(guò)程受多種因素的影響。從系統(tǒng)的角度考慮，可降解生物陶瓷在體內(nèi)的降解和新骨的生長(zhǎng)過(guò)程可視為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，其復(fù)雜行為很難用一般的數(shù)學(xué)模型予以描述和模擬。元胞自動(dòng)機(jī)具有簡(jiǎn)單的演化規(guī)則、時(shí)空離散化、高度并行的物理結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性等特點(diǎn)，

3、被認(rèn)為是復(fù)雜系統(tǒng)的重要研究方法之一。本文基于元胞自動(dòng)機(jī)方法建立可降解生物陶瓷在體內(nèi)演變的仿真模型和運(yùn)用可視化技術(shù)再現(xiàn)仿真的動(dòng)態(tài)過(guò)程，目的是研究和探索可降解生物陶瓷的體內(nèi)演變動(dòng)力學(xué)。通過(guò)比較仿真結(jié)果與體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，不斷地修改或增加參數(shù)以完善仿真模型；并且可利用完善的仿真模型來(lái)探索優(yōu)化的骨移植材料的仿生設(shè)計(jì)，縮短新型人工骨材料的研發(fā)周期和降低實(shí)驗(yàn)成本。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果是： (1)可降解生物陶瓷的多孔結(jié)構(gòu)分析以及結(jié)構(gòu)模擬。

4、本文以孔尺寸和孔隙率為建模參數(shù)，基于制備原理建立了多孔結(jié)構(gòu)的仿真模型，模擬的多孔結(jié)構(gòu)與通常體內(nèi)外試驗(yàn)采用的多孔材料的結(jié)構(gòu)非常相似；基于處理后的骨組織圖像重構(gòu)的多孔結(jié)構(gòu)與真實(shí)的骨組織的多孔結(jié)構(gòu)非常相似。運(yùn)用分形理論分析多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，得出具有相近孔徑、孔隙率的多孔結(jié)構(gòu)可能具有不同的孔與材料的界面分形維；孔的分形維與孔結(jié)構(gòu)的界面接觸面積具有一定的關(guān)系，即分形維較大，孔結(jié)構(gòu)的界面接觸面積也較大。 (2)體液擴(kuò)散進(jìn)入多孔結(jié)構(gòu)模擬。本文

5、基于隨機(jī)元胞自動(dòng)機(jī)方法建立了體液擴(kuò)散進(jìn)入多孔結(jié)構(gòu)的仿真模型，模型中主要的參數(shù)和演化規(guī)則根據(jù)體液在多孔陶瓷中的流動(dòng)行為確定。由模擬結(jié)果可知：如果體液僅從上方擴(kuò)散進(jìn)入多孔結(jié)構(gòu)，盡管模擬的多孔結(jié)構(gòu)是有限的，但是可以清楚地獲得滲流閾值在二維情況下大約為0.6；在三維情況下大約為0.34。仿真結(jié)果也表明：在均勻的孔隙中，不同的模擬次數(shù)下流經(jīng)孔隙的體液沒(méi)有顯著的變化，反之若孔隙不均，則很難獲得一定的規(guī)律。因此，制備具有均勻孔隙的多孔生物陶瓷有利于研

6、究植入體內(nèi)后材料的降解和新骨的形成。 (3)生物陶瓷體內(nèi)降解和新骨生長(zhǎng)的模擬。本文基于元胞自動(dòng)機(jī)方法建立了仿真模型，模擬是基于細(xì)胞尺度下的微觀結(jié)構(gòu)。從計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生的生物陶瓷降解和新骨生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)曲線中可知：整個(gè)系統(tǒng)中可降解生物陶瓷由于體液的作用隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸溶解變少；隨著材料的降解，骨組織同時(shí)在孔隙內(nèi)部生長(zhǎng)，最后系統(tǒng)趨于平衡。模擬過(guò)程中材料的降解和新骨的生長(zhǎng)都比較平緩，系統(tǒng)中材料和新骨的總量基本保持一致，這有助于保持多孔

7、結(jié)構(gòu)的負(fù)載能力。可降解生物陶瓷由于受到體液的作用和細(xì)胞的影響，植入體內(nèi)后隨著新骨的生長(zhǎng)生物陶瓷逐漸被新骨完全取代。計(jì)算機(jī)模擬還產(chǎn)生了不同演化時(shí)步下材料的降解速率和新骨的生長(zhǎng)速率曲線，為研究骨移植材料的降解過(guò)程提供了重要信息。通過(guò)比較不同多孔結(jié)構(gòu)的骨移植材料的降解曲線和降解圖像可知：與骨組織相近的多孔結(jié)構(gòu)作為元胞自動(dòng)機(jī)模型的初始演化系統(tǒng)，仿真結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)與真實(shí)的骨組織結(jié)構(gòu)非常相近，且材料降解與新骨生長(zhǎng)過(guò)程的同步性也更為理想。

8、 (4)可降解生物陶瓷體內(nèi)演變過(guò)程的可視化。本文運(yùn)用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)了仿真建模的可視界面設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化?？梢暯缑嫣峁┝朔抡婺Ｐ偷膮?shù)輸入、仿真命令的輸入、仿真結(jié)果的圖形顯示，為仿真模型的有效性提供了橋梁。仿真結(jié)果的三維顯示及其剖面顯示為研究三維多孔支架和仿真產(chǎn)生的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了有效的手段。仿真過(guò)程的動(dòng)態(tài)顯示有利于研究可降解生物陶瓷植入體內(nèi)后材料的降解和新骨形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，彌補(bǔ)了體內(nèi)外試驗(yàn)手段的不足。 本文基于元