生物聚合物网络微观结构和输运性质的定量表征

生物聚合物网络对正常组织和肿瘤组织中的许多生物过程至关重要。在本文中，我们运用为表征异质材料而发展的一系列理论和模拟技术，来量化不同胶原浓度下I型胶原网络的微观结构和有效扩散输运性质（扩散系数$D_e$和平均存活时间$\tau$）。特别地，我们计算了网络的孔径概率密度函数$P(\delta)$，并给出了有限大小扩散粒子的有效扩散系数$D_e$的各种解析估计。我们使用有效扩散系数$D_e$的Hashin-Strikman上界和平均存活时间$\tau$的孔径下界作为基准来检验我们的解析近似和数值结果。此外，我们将球悬浮液中布朗运动模拟的高效首次通过时间技术推广到纤维网络的情况，并计算了相关的有效扩散系数$D_e$以及平均存活时间$\tau$，后者与核磁共振（NMR）弛豫时间相关。具体而言，在我们考虑的所有解析近似中，Torquato近似提供了所有胶原浓度下$D_e$最准确的估计。我们为不同胶原浓度下的网络建立了$\tau$的通用曲线。我们应用严格的交叉性质关系，根据这里计算的有效扩散系数来估计胶原网络的有效体积模量。