可降解生物陶瓷體內(nèi)演變過程的可視化仿真.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)的演變過程和機理對于設計性能及結構優(yōu)異的骨移植材料具有重要的意義。由于受體內(nèi)外試驗條件的限制，可降解生物陶瓷在體內(nèi)的演變過程還沒有得到深入的認識。對于復雜系統(tǒng)來說，建模與仿真一直是一個受到高度重視的研究手段。計算機模擬技術具有：(1)模擬時間的可伸縮性；(2)模擬過程的可重復性；(3)模擬運行的可控性；(4)模

2、擬實驗的優(yōu)化性、經(jīng)濟性、安全性和預見性等優(yōu)點，因此運用計算機模擬技術探索可降解生物陶瓷的體內(nèi)演變過程可以克服實驗手段的不足。 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過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過程可視為一個復雜系統(tǒng)的動態(tài)演化過程，其復雜行為很難用一般的數(shù)學模型予以描述和模擬。元胞自動機具有簡單的演化規(guī)則、時空離散化、高度并行的物理結構和復雜的動力學特性等特點，

3、被認為是復雜系統(tǒng)的重要研究方法之一。本文基于元胞自動機方法建立可降解生物陶瓷在體內(nèi)演變的仿真模型和運用可視化技術再現(xiàn)仿真的動態(tài)過程，目的是研究和探索可降解生物陶瓷的體內(nèi)演變動力學。通過比較仿真結果與體內(nèi)外實驗的結果，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探索優(yōu)化的骨移植材料的仿生設計，縮短新型人工骨材料的研發(fā)周期和降低實驗成本。本文的主要研究內(nèi)容和成果是： (1)可降解生物陶瓷的多孔結構分析以及結構模擬。

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構的仿真模型，模擬的多孔結構與通常體內(nèi)外試驗采用的多孔材料的結構非常相似；基于處理后的骨組織圖像重構的多孔結構與真實的骨組織的多孔結構非常相似。運用分形理論分析多孔結構的復雜性，得出具有相近孔徑、孔隙率的多孔結構可能具有不同的孔與材料的界面分形維；孔的分形維與孔結構的界面接觸面積具有一定的關系，即分形維較大，孔結構的界面接觸面積也較大。 (2)體液擴散進入多孔結構模擬。本文

5、基于隨機元胞自動機方法建立了體液擴散進入多孔結構的仿真模型，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行為確定。由模擬結果可知：如果體液僅從上方擴散進入多孔結構，盡管模擬的多孔結構是有限的，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)降解和新骨生長的模擬。本文基于元胞自動機方法建立了仿真模型，模擬是基于細胞尺度下的微觀結構。從計算機模擬產(chǎn)生的生物陶瓷降解和新骨生長的動力學曲線中可知：整個系統(tǒng)中可降解生物陶瓷由于體液的作用隨著時間的延長而逐漸溶解變少；隨著材料的降解，骨組織同時在孔隙內(nèi)部生長，最后系統(tǒng)趨于平衡。模擬過程中材料的降解和新骨的生長都比較平緩，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、結構的負載能力?？山到馍锾沾捎捎谑艿襟w液的作用和細胞的影響，植入體內(nèi)后隨著新骨的生長生物陶瓷逐漸被新骨完全取代。計算機模擬還產(chǎn)生了不同演化時步下材料的降解速率和新骨的生長速率曲線，為研究骨移植材料的降解過程提供了重要信息。通過比較不同多孔結構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構作為元胞自動機模型的初始演化系統(tǒng)，仿真結束時產(chǎn)生的多孔結構與真實的骨組織結構非常相近，且材料降解與新骨生長過程的同步性也更為理想。

8、 (4)可降解生物陶瓷體內(nèi)演變過程的可視化。本文運用MATLAB編程實現(xiàn)了仿真建模的可視界面設計和仿真過程的動態(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、仿真結果的圖形顯示，為仿真模型的有效性提供了橋梁。仿真結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)部結構提供了有效的手段。仿真過程的動態(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態(tài)過程，彌補了體內(nèi)外試驗手段的不足。 本文基于元