皮膚角質(zhì)層三維幾何結(jié)構(gòu)和滲透性質(zhì)的數(shù)值模擬.pdf

1、偏微分方程經(jīng)常用來描述在實(shí)際中遇到的一些動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，如粘質(zhì)液體的流動(dòng)過程，放射性核材料的擴(kuò)散過程或者地下水補(bǔ)充的過程。特別是在當(dāng)流體通過復(fù)雜層面的過程中，如果想模擬它們?cè)谄渲械淖兓?，就需要合理有效地描述其通過的空間幾何結(jié)構(gòu)和生成相關(guān)的網(wǎng)格點(diǎn)。無論從重量還是面積來看，皮膚都是人體最大的組織器官，它覆蓋了整個(gè)人體，是使體內(nèi)組織器官同外界隔開的第一道也是最重要的屏障。由于皮膚的存在有著這樣不同尋常的重要意義，關(guān)于皮膚的結(jié)構(gòu)和功能的研究也受到了人

2、們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?，特別是近三十年來皮膚給藥(或者叫透皮給藥Transdermdrugdelivery)作為一種新興的給藥方式，無論作為臨床還是實(shí)驗(yàn)都取得了越來越多的成果和經(jīng)驗(yàn)。透皮給藥就是利用了皮膚的滲透性質(zhì)，將藥物施用于皮膚，使藥物通過滲透作用進(jìn)入皮下脂肪內(nèi)的毛細(xì)血管，進(jìn)一步進(jìn)入血液循環(huán)再達(dá)到病體靶組織，最后達(dá)到治療目的。在實(shí)際中，由于藥物不同的物理化學(xué)性質(zhì)以及皮膚本身的生理特性，一種藥物是否適合于制成透皮給藥制劑，需要經(jīng)過大量的臨床

3、試驗(yàn)。而臨床試驗(yàn)本身，不僅要花費(fèi)大量的人力物力，還要花費(fèi)大量的時(shí)間。因此，如果可以將皮膚理解為一種復(fù)雜的層結(jié)構(gòu)，對(duì)藥物滲透的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，一方面可以節(jié)省臨床實(shí)驗(yàn)所需要的人力物力，另一方面，只要對(duì)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以得到透皮實(shí)驗(yàn)中意義最重大的時(shí)間對(duì)藥物滲透的影響。實(shí)際上，皮膚本身是一種非常復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，在研究中又發(fā)現(xiàn)，藥物在滲透皮膚的過程中，其最大的障礙來自于皮膚的角質(zhì)層。有文獻(xiàn)表明，角質(zhì)層的角蛋白細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)近似于一個(gè)由

4、六個(gè)六邊形和八個(gè)四邊形構(gòu)成的十四面體(即物理學(xué)上所稱的Kelvin'sTetrakaidecahedron)，同時(shí)在角蛋白周圍，包圍著脂肪結(jié)構(gòu)。因此，如果想對(duì)皮膚的滲透性質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬，第一只要對(duì)藥物滲透角質(zhì)層的過程進(jìn)行數(shù)值模擬就可以了，第二，無論在數(shù)值計(jì)算的過程中是用到有限元還是有限差分，都需要首先對(duì)角質(zhì)層的三維幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格拆分，使其離散成簡單單元體，才能夠繼續(xù)利用現(xiàn)有的算法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。本文首先完成了對(duì)一個(gè)如上所述的三維結(jié)構(gòu)

5、的十四面體的網(wǎng)格拆分。拆分過程中我們借鑒了地理信息科學(xué)上常用的描述空間結(jié)構(gòu)的方法，即一個(gè)簡單幾何體用相應(yīng)的面信息(1gm)和單元信息(ng)文件來描述，用化整為零逐層分解的思路，逐步得到我們需要的十四面體結(jié)構(gòu)。我們用這樣的十四面體結(jié)構(gòu)來近似人體皮膚的角質(zhì)層細(xì)胞。同時(shí)，在角質(zhì)層細(xì)胞周圍圍繞著的與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)滲透性質(zhì)完全不同的脂質(zhì)體，為描述整個(gè)皮膚角質(zhì)層的空間結(jié)構(gòu)，還需要對(duì)這些脂質(zhì)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格拆分。在脂質(zhì)體的網(wǎng)格拆分過程中，采用了另外一種思

6、路。如果將脂質(zhì)體看作統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的話，鑒于其包圍的十四面體的幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難想象它的空間構(gòu)成情況。實(shí)際的生理實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，角蛋白細(xì)胞周圍的脂質(zhì)體在角質(zhì)層中的分布有較為均勻的特性，利用這一性質(zhì)，本文設(shè)想，理想中的角質(zhì)層細(xì)胞是這樣的：它由圍在外層的脂質(zhì)體和內(nèi)部的一個(gè)形狀也是十四面體的核共同構(gòu)成一個(gè)大的十四面體，這兩個(gè)十四面體有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)面之間的距離相同，對(duì)應(yīng)角之間的距離也相同。在這種假設(shè)下，完成其網(wǎng)格拆分變成一件較為簡單的事情。