Конечно-элементное моделирование сотовой электрической микросреды
18 мая 2021 г.
В данной работе представлена стратегия построения конечно-элементных моделей волокнистых проводящих материалов, подвергающихся воздействию электрического поля (EF). Модели могут быть использованы для оценки электрического входа, который получают клетки, засеянные в таких материалах, и оценки влияния изменения свойств, структуры или ориентации составляющего материала каркаса.
Этот метод помогает предсказать электрическое микроокружение клетки, сидящего на волоконном каркасе, таком как внеклеточный матрикс. Есть два основных преимущества, которые возникают из ненужного моделирования. Прогнозирование экспериментальных условий является 3D, в то время как оптимизация обеспечивается простотой изменения параметров.
Электрическая стимуляция способствует регенерации нескольких тканей. Эта модель в аналогичных ненужликовых моделях поможет оптимизации параметров стимуляции. Для начала откройте программное обеспечение COMSOL и выберите пустую модель.
В конструкторе моделей щелкните правой кнопкой мыши на глобальных определениях, выберите параметры и добавьте параметры в соответствии с таблицей один в текстовой рукописи. Вы можете добавлять их по одному или загружать из текстового файла. В конструкторе моделей в разделе Глобальные определения щелкните правой кнопкой мыши материал и выберите пустой материал для добавления материалов.
Чтобы добавить свойства материала, перейдите к настройкам вновь добавленного материала, затем разверните свойства материала и выберите электропроводность из основных свойств. Нажмите символ плюс, чтобы добавить свойство. Повторите этот процесс для получения относительной диэлектричности.
Заполните текущие свойства материала, согласно таблице два из текста рукописи. Затем щелкните левой кнопкой мыши добавить компонент на вкладке «Домой» и выберите «3D», чтобы добавить новый узел компонента в конструктор моделей. Опять же, щелкните правой кнопкой мыши по геометрии, щелкните левой кнопкой мыши по последовательности вставки.
Затем дважды щелкните по полной модели и выберите подходящую последовательность. Под узлом текущего компонента в конструкторе моделей щелкните правой кнопкой мыши материалы и выберите ссылку на материал. Связывайте материалы для каждого компонента в таком порядке, окружающего вещества, слоев и сердечников.
На вкладке настроек для окружающего вещества разверните список выбора, чтобы выбрать выбранные носители. Разверните настройки ссылок и выберите из раскрывающегося списка соответствующий материал, например носитель культуры. Чтобы просмотреть домены в блоке мультимедиа с языками и культурными параметрами, активируйте кнопку прозрачности на вкладке графики.
Настройте ссылки на другие материалы таким же образом. В конструкторе моделей щелкните левой кнопкой мыши текущий компонент, выберите Добавить физику, затем разверните модуль AC/DC, чтобы выбрать модуль электрического тока, и нажмите кнопку Добавить в компонент. Чтобы определить граничные условия, выберите представление XY на вкладке графика.
Снова зайдите в конструктор моделей, щелкните правой кнопкой мыши на узле электрических токов и выберите землю. Затем оставить переключатель выделения для выделения границ активным. Щелкните левой кнопкой мыши на самой высокой окружающей субстанции, параллельной плоскости XZ, и добавьте пятую границу в поле выбора границы.
В конструкторе моделей щелкните правой кнопкой мыши на узле электрического тока и выберите терминал. Сохраняя выбор границ активным, щелкните левой кнопкой мыши на самой нижней окружающей грани вещества параллельно плоскости XZ и добавьте границу также в поле выбора границы. Затем, расширив выбор клеммы, выберите напряжение в выпадающем списке тип клеммы и заполните V ноль для напряжения.
В разделе Глобальные определения в конструкторе моделей щелкните левой кнопкой мыши параметры и измените параметр тета на угол ориентации волокна, необходимый для моделирования. Разверните узел компонентов для каждого компонента в конструкторе моделей, затем щелкните правой кнопкой мыши геометрию и выберите построить все. Щелкните левой кнопкой мыши корневой узел модели в конструкторе моделей и откройте вкладку добавить исследование.
Выберите стационарное исследование и щелкните правой кнопкой мыши Добавить исследование. В недавно добавленном исследовании щелкните левой кнопкой мыши на шаге первый, разверните расширения исследования, установите флажок адаптивного уточнения сетки и щелкните Вычисления, чтобы получить уточненную сетку. Щелкните левой кнопкой мыши корневой узел модели в конструкторе моделей и откройте вкладку Добавить исследование, выберите стационарное исследование и щелкните правой кнопкой мыши Добавить исследование.
Под недавно добавленным исследованием щелкните левой кнопкой мыши на шаге первый, разверните выбор сетки и выберите сетку, сгенерированную в исследовании адаптивной очистки сетки. Продолжите, щелкнув правой кнопкой мыши кнопку вычисления. Щелкните правой кнопкой мыши узел результатов в конструкторе моделей и выберите группу 3D-графиков для редактирования настроек.
Измените метку на плотность заряда и выберите набор параметрических данных исследования, развернув набор данных из раскрывающегося списка. Затем в цветовой легенде установите флажки показывать условные обозначения и показывать максимальные и минимальные значения. Снова под узлом результатов щелкните правой кнопкой мыши заряженную плотность, чтобы выбрать громкость и перейти к редактированию вкладки настроек.
Разверните вкладку данных, затем выберите родительский и заполните EC. RHOQ в поле выражения. Установите флажок ручной цветовой диапазон на вкладке диапазона и установите минимальный и максимальный значение минус 0,3 и 0,3 соответственно. Разверните раскраску и стиль и установите раскраску в таблицу цветов и таблицу цветов для волны.
Установите флажок цветовая легенда и цветовой диапазон симметрии. Щелкните правой кнопкой мыши построитель томов и моделей и выберите фильтр. Перейдите на вкладку настроек и заполните логическое выражение для включения.
Щелкните левой кнопкой мыши на кнопке графика, чтобы визуализировать результаты в графическом окне. В этом анализе отображаются пять различных стадий геометрической сложности, которые повлияли на результат моделирования. Сетка, которая слишком грубая, может скрывать соответствующую информацию.
Используя адаптивную доработку сетки, получается сетка с более мелкими элементами, так как это требуется для точных результатов. На разных уровнях сложности для волокнистой матовой модели на прочность электрического поля влияло выравнивание волокон относительно потенциального градиента. Кроме того, выравнивание волокон под углом к градиенту электрического потенциала влияет на плотность заряженного пространства в окружающих средах клеточных культур.
В исследовании ориентации волокон каркаса были проиллюстрированы прогнозы модели RNC состояния исследования, когда волокна были параллельны или перпендикулярны электрическому полю. На плотность заряда и плотность тока влияли выравнивание волокна каркаса относительно электрического поля. Этот протокол может быть использован для исследования влияния изменений параметров на плотность заряда вокруг сегмента каркаса волокна.
Важно помнить, что при изменении параметров модели, таких как данные или свойства материала, результирующий диапазон плотности заряда может значительно измениться. Для лучшей визуализации диапазон должен быть оптимизирован таким образом, чтобы можно было наблюдать максимальную изменчивость заряженной плотности.
Обзор
В данной работе представлен метод прогнозирования электрического микроокружения клеток на волокнистых скаффолдах с использованием моделирования методом конечных элементов. Такой подход позволяет оптимизировать параметры электрической стимуляции для ускорения регенерации тканей.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биофизика
- Тканевая инженерия
- Электрофизиология
Теоретическая часть
- Электрическая стимуляция может способствовать регенерации тканей.
- Модели конечных элементов позволяют имитировать электрические поля вокруг скаффолдов.
- Компьютерное моделирование (in silico) дает преимущества при прогнозировании условий эксперимента.
- Изменения параметров легко реализуются в симуляциях.
Цель исследования
- Разработать модель конечных элементов для волокнистых проводящих материалов.
- Оценить электрический входной сигнал, получаемый клетками в таких материалах.
- Оценить влияние свойств скаффолда на распределение электрического поля.
Используемые методы
- Использование программного обеспечения COMSOL для построения модели.
- Учет свойств материалов, таких как электропроводность.
- 3D-моделирование для визуализации электрических полей и плотности заряда.
- Адаптивное измельчение сетки для повышения точности моделирования.
Основные результаты
- На напряженность электрического поля влияет ориентация волокон относительно градиента потенциала.
- Плотность заряда и плотность тока варьируются в зависимости от ориентации волокон каркаса.
- Адаптивное измельчение сетки повышает точность результатов моделирования.
- Изменение параметров существенно влияет на результирующий диапазон плотности заряда.
Выводы
- Разработанная модель помогает понять особенности электрического микроокружения вокруг волокнистых каркасов.
- Она предоставляет основу для оптимизации электрической стимуляции в тканевой инженерии.
- В будущих исследованиях данный метод может быть использован для изучения различных конфигураций каркасов.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Моделирование клеточных электрических микроокружений методом конечных элементов позволяет биофармацевтическим исследованиям и разработкам прогнозировать и оптимизировать параметры электрической стимуляции для терапии регенерации тканей. Данный подход in silico восполняет разрыв между экспериментальными условиями in vitro и физиологической релевантностью in vivo путем симуляции распределения заряда в сложных биоматериальных каркасах. Этот метод способствует механистическому снижению рисков при разработке электроцевтиков за счет количественной оценки влияния архитектуры каркаса на воздействие электрических полей на клетки.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Научная ценность: Изучение того, как ориентация волокон каркаса модулирует напряженность электрического поля и плотность заряда вокруг клеток для проверки механистических гипотез о принципах действия электроцевтикалов.
- Практическая ценность: Обеспечение возможности быстрого перебора параметров свойств материалов и геометрии для снижения рисков при воздействии на мишень без проведения обширного эмпирического скрининга.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Получение количественных, пространственно-разрешенных прогнозов плотности заряда и плотности тока в качестве функциональных показателей совместимости скаффолда с электрической стимуляцией.
- Практическая ценность: Стандартизация протоколов моделирования между исследовательскими группами с использованием адаптивного измельчения сетки для обеспечения воспроизводимого и высокоточного моделирования микроокружения.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Определение преемственности систем, релевантных для изучения заболевания, путем сравнения волокнистых каркасов из PEDOT-PSS in vitro и коллагенового ВКМ in vivo при идентичных условиях электрической стимуляции.
- Практическая ценность: Повышение прогностической достоверности при идентификации перспективных соединений-кандидатов за счет имитации архитектуры внеклеточного матрикса, релевантной для человека, перед проведением доклинической валидации.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в рабочие процессы раннего поиска путем создания 3D-прогнозов клеточных электрических микросред, которые используются для проверки гипотез и оценки готовности анализов к кампаниям по скринингу электроцевтиков.
- Открытия в биологии: способствует проверке гипотез о том, как микроструктура скаффолда изменяет клеточную электротоническую связь и нижележащие сигнальные пути.
- Скрининг: обеспечивает готовность к анализу за счет стандартизированных, количественно определяемых показателей распределения плотности заряда при заданных параметрах электрической стимуляции.
- Аналитика: предоставляет измерения объемной плотности заряда (EC.RHOQ) и плотности тока, что позволяет проводить сравнительный анализ конструкций скаффолдов с учетом градиентов ориентации волокон и свойств материалов.
- Трансляционные исследования: связывает фундаментальные открытия с доклиническими исследованиями, демонстрируя методологическую эквивалентность между скаффолдами in vitro и внеклеточным матриксом in vivo при электрической стимуляции.
- Корпоративное повторное использование: создает многократно используемую вычислительную платформу для оценки различных проводящих биоматериалов в программах тканевой инженерии и разработки электроцевтиков.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Снижает механистическую неопределенность в принципах работы электрофармацевтических препаратов, связывая архитектуру каркаса с количественными изменениями электрического микроокружения клеток.
- Операционная ценность: Повышает воспроизводимость и масштабируемость исследований электрической стимуляции за счет стандартизированных протоколов моделирования методом конечных элементов.
- Стратегическая ценность: Оптимизирует принятие решений о продолжении или прекращении разработки в управлении портфелем электрофармацевтических препаратов путем прогнозирования функциональных результатов до проведения ресурсоемкой эмпирической валидации.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритезацию комбинаций материалов каркаса с учетом рисков на основе симуляции эффективности доставки заряда к целевым клеткам.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области биофизического моделирования, анализа методом конечных элементов и принципов электротканевой инженерии.
- Работа зависит от наличия программного обеспечения для мультифизического моделирования (например, COMSOL) и высокопроизводительных вычислительных ресурсов для адаптивного измельчения сетки.
- Необходима межкомандная стандартизация библиотек свойств материалов и определений геометрии для получения согласованных прогнозов микроокружения.
- Требуется учет особенностей адаптации при переходе от упрощенных моделей волоконных каркасов к сложным гетерогенным нативным внеклеточным матриксам.
- Возможности ограничены точностью входных свойств материалов и граничных условий, которые напрямую влияют на прогнозируемые диапазоны плотности заряда и должны быть подтверждены эмпирически.
