Modelowanie metodą elementów skończonych w komórkowym mikrośrodowisku elektrycznym
18 maja 2021
Ten artykuł przedstawia strategię budowania modeli elementów skończonych z włóknistych materiałów przewodzących wystawionych na działanie pola elektrycznego (EF). Modele te można wykorzystać do oszacowania wkładu elektrycznego, jaki otrzymują komórki zasiane w takich materiałach, oraz do oceny wpływu zmiany właściwości, struktury lub orientacji materiału składowego rusztowania.
Metoda ta pomaga przewidzieć mikrośrodowisko elektryczne komórki osadzonej na rusztowaniu światłowodowym, takim jak macierz zewnątrzkomórkowa. Istnieją dwie główne zalety, które wynikają z modelowania insilico. Przewidywanie warunków eksperymentalnych odbywa się w 3D, natomiast optymalizacja jest możliwa dzięki łatwości zmiany parametrów.
Stymulacja elektryczna wspomaga regenerację wielu tkanek. Model ten w podobnych modelach insilico pomoże w optymalizacji parametrów stymulacji. Aby rozpocząć, otwórz oprogramowanie COMSOL i wybierz pusty model.
W kreatorze modeli kliknij prawym przyciskiem myszy definicje globalne, wybierz parametry i dodaj parametry zgodnie z tabelą pierwszą w manuskrypcie tekstowym. Możesz dodawać je pojedynczo lub załadować je z pliku tekstowego. W konstruktorze modeli w obszarze definicje globalne kliknij prawym przyciskiem myszy materiał i wybierz opcję Pusty materiał, aby dodać materiały.
Aby dodać właściwości materiału, przejdź do ustawień nowo dodanego materiału, a następnie rozwiń Właściwości materiału i wybierz Przewodność elektryczna z właściwości podstawowych. Naciśnij symbol plusa, aby dodać właściwość. Powtórz ten proces dla przenikalności względnej.
Uzupełnij bieżące właściwości materiału, zgodnie z tabelą drugą z rękopisu. Następnie kliknij lewym przyciskiem myszy dodaj komponent na karcie głównej i wybierz 3D, aby dodać nowy węzeł komponentu w kreatorze modeli. Ponownie kliknij prawym przyciskiem myszy geometrię, kliknij lewym przyciskiem myszy sekwencję wstawiania.
Następnie kliknij dwukrotnie na pełny model i wybierz odpowiednią sekwencję. Pod bieżącym węzłem komponentu w kreatorze modeli kliknij prawym przyciskiem myszy materiały i wybierz łącze materiału. Powiąż materiały dla każdego składnika w tej kolejności, otaczającej substancji, powłok i rdzeni.
Na karcie ustawień dla otaczającej substancji rozwiń listę wyboru, aby wybrać wybór pożywki. Rozwiń ustawienia linków i wybierz z listy rozwijanej odpowiedni materiał, taki jak podłoża hodowlane. Aby wyświetlić domeny w bloku pożywki hodowlanej, aktywuj przycisk przezroczystości w zakładce grafiki.
W ten sam sposób skonfiguruj inne połączenia materiałów. W kreatorze modeli kliknij lewym przyciskiem myszy bieżący komponent, wybierz dodaj fizykę, a następnie rozwiń moduł AC/DC, aby wybrać moduł prądu elektrycznego i kliknij dodaj do komponentu. Aby zdefiniować warunki brzegowe, należy wybrać widok XY w zakładce grafika.
Ponownie przejdź do kreatora modeli, kliknij prawym przyciskiem myszy węzeł prądy elektryczne i wybierz masę. Następnie pozostaw aktywny przełącznik wyboru obwiedni. Kliknij lewym przyciskiem myszy najwyższą otaczającą powierzchnię substancji równoległą do płaszczyzny XZ i dodaj granicę piątą w polu wyboru obwiedni.
W kreatorze modeli kliknij prawym przyciskiem myszy węzeł prądu elektrycznego i wybierz terminal. Utrzymując aktywny wybór obwiedni, kliknij lewym przyciskiem myszy najniższą otaczającą powierzchnię substancji równoległą do płaszczyzny XZ i dodaj również obwiednię w polu wyboru obwiedni. Następnie, rozwijając wybór zacisków, wybierz napięcie z listy rozwijanej typu zacisku i wypełnij V zero dla napięcia.
W obszarze definicje globalne w kreatorze modeli kliknij lewym przyciskiem myszy parametry i zmień parametr theta na kąt orientacji światłowodu żądany do symulacji. Rozwiń węzeł komponentów dla każdego komponentu w kreatorze modelu, a następnie kliknij prawym przyciskiem myszy geometrię i wybierz opcję zbuduj wszystko. Kliknij lewym przyciskiem myszy węzeł główny modelu w kreatorze modeli i otwórz kartę Dodaj badanie.
Wybrać badanie stacjonarne i kliknąć prawym przyciskiem myszy dodaj badanie. Pod nowo dodanym badaniem kliknij lewym przyciskiem myszy krok pierwszy, rozwiń rozszerzenia badania, zaznacz pole adaptacyjne zagęszczenie siatki i kliknij przycisk Oblicz, aby uzyskać udoskonaloną siatkę. Kliknij lewym przyciskiem myszy węzeł główny modelu w konstruktorze modelu i otwórz kartę dodaj badanie, wybierz badanie stacjonarne i kliknij prawym przyciskiem myszy dodaj badanie.
W nowo dodanym badaniu kliknij lewym przyciskiem myszy krok pierwszy, rozwiń wybór siatki i wybierz siatkę wygenerowaną w badaniu adaptacyjnego zagęszczenia siatki. Kontynuuj, klikając prawym przyciskiem myszy przycisk obliczeń. Kliknij prawym przyciskiem myszy węzeł wyników w kreatorze modelu i wybierz grupę działki 3D, aby edytować ustawienia.
Zmień etykietę na gęstość ładunku i wybierz zestaw danych badania parametrycznego, rozwijając zestaw danych z listy rozwijanej. Następnie w legendzie kolorów zaznacz pola Pokaż legendy i Pokaż wartości maksymalne i minimalne. Ponownie w węźle wyników kliknij prawym przyciskiem myszy gęstość naładowana, aby wybrać objętość i przejdź do edycji karty ustawień.
Rozwiń zakładkę danych, a następnie wybierz z rodzica i wypełnij EC. RHOQ w polu wyrażenia. Zaznacz pole ręcznego zakresu kolorów na karcie zakresu i ustaw minimum i maksimum odpowiednio na minus 0,3 i 0,3. Rozwiń kolorowanie i styl oraz ustaw kolorowanie na tabelę kolorów i tabelę kolorów na falę.
Zaznacz pole legendy kolorów i zakresu kolorów symetrii. Kliknij prawym przyciskiem myszy konstruktor woluminów i modeli, a następnie wybierz pozycję filtruj. Przejdź do zakładki ustawień i wypełnij wyrażenie logiczne do włączenia.
Kliknij lewym przyciskiem myszy przycisk wykresu, aby wyświetlić wyniki w oknie graficznym. W tej analizie wyświetlanych jest pięć różnych etapów złożoności geometrycznej, które wpłynęły na wynik symulacji. Siatka, która jest zbyt gruba, może ukryć istotne informacje.
Korzystając z adaptacyjnego zagęszczenia siatki, uzyskuje się siatkę z mniejszymi elementami, ponieważ jest to wymagane do uzyskania dokładnych wyników. Na różnych poziomach złożoności dla włóknistego modelu matowego na natężenie pola elektrycznego miało wpływ ułożenie włókien względem gradientu potencjału. Dodatkowo ułożenie włókien pod kątem do gradientu potencjału elektrycznego wpływa na gęstość naładowaną przestrzenią w otaczających pożywkach do hodowli komórkowych.
W badaniu orientacji włókien rusztowania przewidywania modelu RNC zostały zilustrowane, gdy włókna były równoległe lub prostopadłe do pola elektrycznego. Na gęstość ładunku i gęstość prądu miało wpływ ułożenie włókien rusztowania względem pola elektrycznego. Protokół ten może być wykorzystany do zbadania wpływu zmian parametrów na gęstość ładunku wokół segmentu rusztowania światłowodowego.
Należy pamiętać, że poprzez zmianę parametrów modelu, takich jak dane czy właściwości materiału, uzyskany zakres gęstości ładunku może ulec znacznej zmianie. Aby uzyskać najlepszą wizualizację, zakres musi być zoptymalizowany w taki sposób, aby można było zaobserwować maksymalną zmienność gęstości ładunku.
Przegląd
Niniejsza praca przedstawia metodę przewidywania elektrycznego mikrośrodowiska komórek na rusztowaniach włóknistych z wykorzystaniem modelowania metodą elementów skończonych. Podejście to pozwala na optymalizację parametrów stymulacji elektrycznej w celu zwiększenia regeneracji tkanek.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biofizyka
- Inżynieria tkankowa
- Elektrofizjologia
Wstęp
- Stymulacja elektryczna może wspomagać regenerację tkanek.
- Modele elementów skończonych mogą symulować pola elektryczne wokół rusztowań.
- Modelowanie in silico oferuje korzyści w przewidywaniu warunków eksperymentalnych.
- Zmiany parametrów mogą być łatwo implementowane w symulacjach.
Cel badania
- Opracowanie modelu elementów skończenie dla włóknistych materiałów przewodzących.
- Oszacowanie wejścia elektrycznego otrzymywanego przez komórki w tych materiałach.
- Ocena wpływu właściwości rusztowania na rozkład pola elektrycznego.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie oprogramowania COMSOL do budowy modelu.
- Uwzględnienie właściwości materiałowych, takich jak przewodność elektryczna.
- Modelowanie 3D w celu wizualizacji pól elektrycznych i gęstości ładunku.
- Adaptacyjne zagęszczanie siatki w celu zwiększenia dokładności symulacji.
Główne wyniki
- Natężenie pola elektrycznego zależy od orientacji włókien względem gradientu potencjału.
- Gęstość ładunku i gęstość prądu różnią się w zależności od orientacji włókien rusztowania.
- Adaptacyjne zagęszczanie siatki poprawia dokładność wyników symulacji.
- Zmiany parametrów znacząco wpływają na wynikowy zakres gęstości ładunku.
Wnioski
- Opracowany model pomaga w zrozumieniu mikrośrodowiska elektrycznego wokół rusztowań włóknistych.
- Stanowi on podstawę do optymalizacji stymulacji elektrycznej w inżynierii tkankowej.
- Przyszłe badania mogą wykorzystać tę metodę do analizy różnych konfiguracji rusztowań.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Modelowanie metodą elementów skończonych elektrycznych mikrośrodowisk komórkowych umożliwia działom badawczo-rozwojowym w branży biofarmaceutycznej przewidywanie i optymalizację parametrów stymulacji elektrycznej w terapiach regeneracji tkanek. To podejście in silico wypełnia lukę między warunkami eksperymentalnymi in vitro a istotnością fizjologiczną in vivo poprzez symulację rozkładu ładunków w złożonych rusztowaniach z biomateriałów. Metoda ta wspiera mechanistyczne ograniczanie ryzyka w rozwoju elektroceutyków poprzez kwantyfikację wpływu architektury rusztowania na ekspozycję komórek na pola elektryczne.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Analiza wpływu orientacji włókien rusztowania na natężenie pola elektrycznego i gęstość ładunku wokół komórek w celu walidacji hipotez mechanistycznych dotyczących działania elektroceutyków.
- Wartość operacyjna: Umożliwienie szybkiego przeszukiwania parametrów właściwości materiałowych i geometrii w celu zminimalizowania ryzyka związanego z oddziaływaniem z celem bez konieczności przeprowadzania szeroko zakrojonych badań empirycznych.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Generowanie ilościowych, rozdzielczych przestrzennie przewidywań gęstości ładunku i gęstości prądu jako funkcjonalnych odczytów kompatybilności rusztowania ze stymulacją elektryczną.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja protokołów symulacyjnych w zespołach z wykorzystaniem adaptacyjnego zagęszczania siatki w celu zapewnienia powtarzalnego, wysokiej wierności modelowania mikrośrodowiska.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ustanowienie ciągłości systemu istotnej z punktu widzenia choroby poprzez porównanie włóknistych rusztowań PEDOT-PSS in vitro oraz macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM) kolagenowej in vivo w identycznych warunkach stymulacji elektrycznej.
- Wartość operacyjna: Zwiększenie pewności prognostycznej w identyfikacji wiodących związków poprzez symulację architektur macierzy zewnątrzkomórkowej istotnych dla człowieka przed walidacją przedkliniczną.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta integruje się z wczesnymi etapami procesów odkrywania leków, dostarczając trójwymiarowych predykcji komórkowych mikrośrodowisk elektrycznych, które stanowią podstawę do weryfikacji hipotez oraz oceny gotowości testów w ramach kampanii przesiewowych dla elektroceutyków.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących tego, w jaki sposób mikrostruktura rusztowania zmienia elektrotoniczne sprzężenie komórkowe i kaskady sygnalizacyjne.
- Przesiewanie: Umożliwia przygotowanie do analiz dzięki ustandaryzowanym, mierzalnym wynikom rozkładu gęstości ładunku przy określonych parametrach stymulacji elektrycznej.
- Analityka: Dostarcza pomiary objętościowej gęstości ładunku (EC.RHOQ) i gęstości prądu, które pozwalają na analizę porównawczą konstrukcji rusztowań w zależności od orientacji włókien i gradientów właściwości materiałowych.
- Badania translacyjne: Łączy etap odkryć z ciągłością przedkliniczną, wykazując równoważność metodologiczną między rusztowaniami in vitro a macierzą zewnątrzkomórkową in vivo podczas stymulacji elektrycznej.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy wielorazową platformę obliczeniową do oceny różnorodnych przewodzących biomateriałów w programach inżynierii tkankowej i rozwoju elektroceutyków.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w mechanizmach elektroceutycznych poprzez powiązanie architektury rusztowania z mierzalnymi zmianami w elektrycznym mikrośrodowisku komórkowym.
- Wartość operacyjna: Zwiększa powtarzalność i skalowalność badań nad stymulacją elektryczną dzięki standaryzowanym protokołom modelowania metodą elementów skończonych.
- Wartość strategiczna: Poprawia proces podejmowania decyzji go/no-go w zarządzaniu portfolio elektroceutycznym poprzez przewidywanie wyników funkcjonalnych przed kosztowną walidacją empiryczną.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kombinacji materiałów rusztowaniowych z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o symulowaną wydajność dostarczania ładunku do komórek docelowych.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy z zakresu modelowania biofizycznego, analizy elementów skończonych oraz zasad elektrycznej inżynierii tkankowej.
- Zależne od dostępu do oprogramowania do symulacji wielofizycznych (np. COMSOL) oraz komputerów o wysokiej wydajności w celu adaptacyjnego zagęszczania siatki.
- Wymaga międzyzespołowej standaryzacji bibliotek właściwości materiałowych i definicji geometrii w celu uzyskania spójnych przewidywań dotyczących mikrośrodowiska.
- Uwzględnia kwestie adaptacyjne podczas przenoszenia uproszczonych modeli rusztowań włóknistych na złożone, heterogeniczne natywne macierze zewnątrzkomórkowe.
- Ograniczone dokładnością wprowadzonych właściwości materiałowych i warunków brzegowych, które bezpośrednio wpływają na przewidywane zakresy gęstości ładunku i muszą zostać zweryfikowane empirycznie.
