新型组织工程皮肤灌注式生物反应器实验台设计及准静态平面流场数值模拟研究

摘要

皮肤缺损是一种临床上常见的组织损伤性疾病。轻者可以仅仅是轻微的小创面,重者可以造成感染、水电解质紊乱、免疫功能低下、多脏器衰竭甚至是致命的。组织工程皮肤的出现为救治皮肤缺损尤其是较大面积缺损的病人提供了新的有效治疗手段。所谓组织工程皮肤就是采用组织工程技术构建人工皮肤替代物以达到暂时性乃至永久性替代自身皮肤的作用。组织工程皮肤构建过程中生物反应器的使用有利于细胞的生长、分化及维持细胞的活性,并有助于细胞合成和分泌细胞外基质,以便进行支架的再构建。在生物反应器中,通过控制细胞适宜的生长条件以及必要的机械应力刺激,加快细胞在三维支架上生长,促进构建物的成熟,从而提高大规模生产工程化组织的效率。由于组织工程构建物有其自身的特殊性,每一种组织工程产品的构建可能都需要一种甚至多种的生物反应器系统与之相适应。皮肤位于体表,承受的机械应力相对较小,表皮的角化需与空气直接接触,这就决定了组织工程皮肤培养的特殊要求,即具有气液界面和低剪切力刺激。为了保证营养的均匀供应,还需营造出均匀的流场。在灌注条件下满足这些要求,只能是低流速下的均匀流场,因此我们提出了“准静态平面流场是组织工程皮肤的最佳培养模式”的假说,以满足皮肤组织培养的特殊要求,从而解决了传统反应器中培养室中流场不均匀、体积过大、有效培养容量有限等缺陷。
　　目前主要有以下几种常用生物反应器:搅拌式生物反应器、旋转式生物反应器、气升式生物反应器及灌注式生物反应器。其中灌注式反应器的优点更为突出:不断地加入新鲜培养基以及不断地使含有代谢废物的培养基流出,使细胞得以在一个相对稳定的生长环境内增殖,即省时省力,又减少了细胞发生污染的机会,且可以提高细胞密度10倍以上。但目前应用的灌注式生物反应器存在比表面积小、结构复杂、流场不均匀、扩展性差等缺点。由于流场不均一,存在营养传递受限、不均的现象,支架内液体不易流动,容易造成细胞坏死;流场对细胞的剪切力不同,对细胞的生长、增殖、分化等功能产生不利的影响。本课题设计了一种新型皮肤组织灌注式反应器,它增加了比表面积,减少了体积和管路,简化了结构,便于操作和维护,满足气液界面的同时降低了剪切力,实现了流场均一,保证了营养供应和氧气交换,其扩展性强,大小可变,层数可多可少,不仅能用于实验室的基础研究,也可用做产业化设备。
　　计算流体动力学(computationalfluiddynamics,CFD)是利用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一种方法。利用CFD可以分析生物反应器内的流场分布、计算三维支架材料内部及表面的流体剪切应力、流体流动速度、压力、绘制氧分布图等。目前CFD作为一种新兴和有效的试验及分析手段,越来越多地被运用到生物反应器设计和细胞培养要求等方面的研究中。本课题依据准静态平面流场的灌注式培养理念设计出了一种新型生物反应器,拟解决其他生物反应器存在的一些不足,适合组织工程皮肤气液界面及低剪切力培养的基本要求,有利于规模化培养。通过CFD技术对流场及支架壁面上的切应力进行模拟研究,获得最优实验台的结构和尺寸,为今后应用于临床皮肤移植的组织工程皮肤构建物的培养提供实验平台。
　　目的：
　　1、依据我们提出的“准静态平面流场是组织工程皮肤的最佳培养模式”的假说,设计一种准静态平面流场的灌注式新型生物反应器,以适合组织工程皮肤气液界面及低剪切力培养的基本要求,有利于规模化培养。
　　2、应用CFD软件对新型生物反应器中的流场和筛网状支撑物及组织工程皮肤构建物表面处的切应力进行模拟,获得新型灌注式生物反应器最优实验台结构尺寸。
　　方法：
　　一、新型组织工程皮肤灌注式生物反应器实验台设计及初步模拟
　　1、二维及三维皮肤培养反应段和新型生物反应器流场采用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT进行数值模拟
　　2、数值方法
　　2.1控制方程:由于培养基的流速很小,其最大值仅为100ml/min。因此培养基的流动可视为不可压缩流体层流流动,其控制方程为:
　　连续性方程:
　　Navier-Stokes方程:
　　式中:u(x,t)为速度矢量;p为压强;ρ为培养基的密度;υ为动力粘度。
　　在生物反应器中存在气液界面,也就是说在反应器中存在两相流动。因此在模拟中需启动两相流模型。本课题采用VOF模型模拟气液界面的两相流动。VOF模型跟踪相之间的界面是通过求解一相或多相的容积比率(αq)的连续方程来完成的。对于第q相,其方程为:
　　式中m&qp是q相到p相的质量传递;m&pq是p相到q相的质量传递。
　　主相容积比率(αq)的计算基于如下约束:
　　2.2边界条件和重要参数:将进口设置为速度入口;出口设置为自由出流;其它边界设置为无滑移壁面。
　　由于存在气液界面,需要设置气相和液相的物性参数。气相空气的重要物性参数:密度为1.225kg/m3;动力粘度为1.7894×10-5Pa?s。液相培养基的重要物性参数为:密度为998.2kg/m3;动力粘度为1.003×10-3Pa?s。
　　二、新型组织工程皮肤灌注式生物反应器数值模拟及结构优化
　　1、应用CFD软件FLUENT对在不同形状、不同高度及不同斜度下的高溢流坝部分培养基流动进行数值模拟,得到流场流动特性最优的高溢流坝,并对最优化的实验台内部流场在不同流量下进行数值模拟。
　　2、数值方法同上。
　　结果：
　　1、依据“准静态平面流场是组织工程皮肤的最佳培养模式”的假说,设计了一种新型灌注式生物反应器,它具有层叠功能,并实现了准静态的平面流场,满足培养组织工程皮肤构建物的要求。
　　2、对新型灌注式生物反应器内部整个流场进行数值模拟,发现高溢流坝泄流部分对皮肤培养反应段处流动特性影响不大,因此确定了将皮肤培养反应段和高溢流坝部分分别进行数值模拟。对不同工况下(考虑了筛网宽度和高度这两个重要因素)皮肤培养反应段流场进行数值模拟,结果表明在所有数值计算工况下皮肤培养反应段表面和皮肤构建物表面处的剪切应力均小于3dyn/cm2,满足皮肤组织工程培养对剪切应力的要求。
　　3、对具有不同形状、不同高度和不同斜度高溢流坝泄流部分流动进行数值模拟,分析了高溢流坝泄流部分培养基体积分数分布和培养基流动情况,结果表明当泄流部分为平面,高度为10mm和12mm,斜度为20°时,高溢流坝泄流部分流场具有较好的流动特性。
　　4、在不同流量下,对最优化实验台(高溢流坝泄流部分为平面,高度为10mm或12mm,斜度为20°)内部流场进行数值模拟研究,发现在较小流量下(50mL/min和60mL/min),两种尺寸下的实验台高溢流坝泄流部分均存在断流;而在较大流量下(80mL/min和100mL/min),两种尺寸下的实验台高溢流坝泄流部分不存在断流。
　　5、根据数值模拟结果,获得了新型灌注式生物反应器最优实验台结构和尺寸参数。
　　结论：
　　1、提出了“准静态平面流场是组织工程皮肤的最佳培养模式”的假说,即在组织工程皮肤培养室中构造出一种低剪切力的均匀平面流场,以满足皮肤组织培养的特殊要求。
　　2、设计了一种满足培养组织工程皮肤构建物要求的新型灌注式生物反应器,有可能在未来的皮肤组织工程研究和生产中广泛使用。

目录

封面

声明

目录

缩略语表

英文摘要

中文摘要

第一章 前言

第二章 新型组织工程皮肤灌注式生物反应器实验台设计及初步模拟

2.1 引言

2.2 数值模拟方法及步骤

2.2.1 计算流体动力学理论基础

2.2.2 控制方程及其数值解法

2.2.3 多相流计算模型

2.3 结果

2.3.1 准静态平面流场实验台设计

2.3.2 二维皮肤培养反应段数值模拟结果及分析

2.3.3 三维皮肤培养反应段中数值模拟结果及分析

2.3.4 新型生物反应器流场数值模拟结果及分析

2.4 讨论

2.5 小结

2.5.1 提出了“准静态平面流场是组织工程皮肤的最佳培养模式”的假说，并依此设计了一种新型灌注式生物反应器，它具有层叠功能，并实现了准静态的平面流场，满足培养组织工程皮肤构建物的要求。

2.5.2 对新型灌注式生物反应器内部整个流场进行数值模拟，发现高溢流坝泄流部分对皮肤培养反应段处流动特性影响不大，因此确定了将皮肤培养反应段和高溢流坝部分分别进行数值模拟。对不同工况下(考虑了筛网宽度和高度这两个重要因素)皮肤培养反应段流场进行数值模拟，结果表明在所有数值计算工况下皮肤培养反应段表面和皮肤构建物表面处的剪切应力均小于3dyn/cm2，满足皮肤组织工程培养对剪切应力的要求，并表明了对筛网简化为平板的合理性和可行性。

第三章 新型组织工程皮肤灌注式生物反应器数值模拟及结构优化

3.1 引言

3.2 数值模拟方法及步骤

3.2.1 计算流体动力学理论基础

3.2.2 控制方程及其数值解法

3.2.3 多相流计算模型

3.2.4 计算参数设置及步骤

3.3 结果

3.3.1 实验台高溢流坝部分数值模拟

3.3.2 最优化实验台内部流场数值模拟

3.4 讨论

3.5 小结

3.5.1 对具有不同形状、不同高度和不同斜度高溢流坝泄流部分流动进行数值模拟，分析了高溢流坝泄流部分培养基体积分数分布和培养基流动情况，结果表明当泄流部分为平面，高度为10mm和12mm，斜度为20°时，高溢流坝泄流部分流场具有较好的流动特性。

3.5.2 在不同流量下，对最优化实验台(高溢流坝泄流部分为平面，高度为 10mm或12mm，斜度为20°)内部流场进行数值模拟研究，发现在较小流量下(50mL/min和60mL/min) ，两种尺寸下的实验台高溢流坝泄流部分均存在断流；而在较大流量下(80mL/min和100mL/min)，两种尺寸下的实验台高溢流坝泄流部分不存在断流。

3.5.3 根据数值模拟结果，获得了新型灌注式生物反应器最优实验台结构和尺寸参数。

全文总结

参考文献

文献综述皮肤组织工程及其生物反应器研究进展

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢