用于控制多孔支架生物反应器内部剪切应力的宏观拓扑优化
软凝聚态物质
2013-01-15 v2 生物物理
流体动力学
亚细胞过程
摘要
剪切应力是调控细胞增殖、迁移和形态发生的重要物理因素。特别是血管的稳态依赖于剪切应力。为了在体外模拟这一过程，人们尝试在生长因子存在和脉动流条件下将血管及其他细胞类型接种到支架上。然而，由此产生的生物反应器缺乏关于支架内剪切应力和流动分布的信息。因此，难以解释剪切应力对细胞功能的影响。这类知识将使研究人员能够改进细胞培养方案。近期工作集中于优化支架的微观结构参数以精细调节剪切应力。在本研究中，我们采用了一种不同的方法，即通过在多孔支架中图案化的通道重新引导整个生物反应器内的流动，以产生围绕目标值均匀性优化的剪切应力分布。为此，我们设计了一种与计算流体动力学模拟耦合的拓扑优化算法。使用遗传算法和模糊逻辑的组合来改变多孔支架中的通道拓扑。该方法通过使用磁共振成像读出的流场实验进行了验证。
引用
@article{arxiv.1104.1028,
title = {Macro-scale Topology Optimization for Controlling Internal Shear Stress in a Porous Scaffold Bioreactor},
author = {K. Youssef and J. J. Mack and M. L. Iruela-Arispe and L. -S. Bouchard},
journal= {arXiv preprint arXiv:1104.1028},
year = {2013}
}