生物活性多孔组织支架的格子与连续介质建模

培育人工组织的一种当代方法是将细胞接种到多孔生物材料支架上，并在灌流生物反应器中培养，以促进营养物质向生长中的细胞运输。用于组织工程应用的典型细胞生长模型利用空间均匀或空间连续的方程来建模细胞生长、培养基流动、营养物运输及其相互作用。物理多孔支架的网络结构通常通过这些模型中的参数纳入，要么是唯象地，要么是通过数学均匀化等技术。我们在方格子上推导了一个模型，以证明显式建模多孔支架网络结构的重要性，并将该模型的结果与文献中一个修正的连续介质模型的结果进行比较。我们通过允许细胞阻塞孔隙以及允许流体的剪切应力影响细胞生长和死亡，捕捉了细胞生长与流体流动之间的双向耦合。我们探讨了这两个模型的一系列参数，并证明了这些方法的预测之间存在定量和定性差异，包括仅在格子模型中出现的空间模式形成和细胞密度的局部振荡。这些差异表明，对于某些对应于特定细胞类型和支架几何形状的参数区间，格子模型给出的定性预测与典型的连续介质模型不同。我们的结果为生物活性多孔组织支架的模型选择提供了指导，有助于开发成功的组织工程实验并最终实现临床成功的技术。