Bioengineering
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細胞電微小環境の有限元素モデリング
Chapters
Summary May 18th, 2021
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本論文では、電界(EF)に曝露された繊維状導電材料の有限元素モデルを構築するための戦略を示す。モデルは、そのような材料に播種された細胞が受け取る電気入力を推定し、足場の構成材料特性、構造または向きを変更した場合の影響を評価するために使用することができる。
Transcript
この方法は、細胞外マトリックスなどの繊維足場に座っている細胞の電気微小環境を予測するのに役立ちます。インシリコモデリングから生じる主な利点は2つあります。実験条件の予測は3Dで、最適化はパラメータ変更の容易さによって可能になります。
電気刺激は複数のティッシュの再生を助ける。同様のインシリコモデルのこのモデルは、刺激パラメータの最適化に役立ちます。まず、COMSOL ソフトウェアを開き、空のモデルを選択します。
モデルビルダーでグローバル定義を右クリックし、パラメータを選択し、テキスト原稿の表1に従ってパラメータを追加します。これらを 1 つずつ追加したり、テキスト ファイルから読み込んだりできます。グローバル定義のモデルビルダーで、材料を右クリックし、材料を追加する空の材料を選択します。
材料特性を追加するには、新しく追加した材料の設定に移動し、材料特性を展開して、基本特性から電気伝導率を選択します。プラス記号を押してプロパティを追加します。相対導電率に対してこのプロセスを繰り返します。
テキスト原稿の表2に従って、現在の材料特性を記入します。次に、ホームタブからコンポーネント追加を左クリックし、3Dを選択してモデルビルダに新しいコンポーネントノードを追加します。ここでも、ジオメトリを右クリックし、挿入シーケンスを左クリックします。
次に、モデル全体をダブルクリックし、適切なシーケンスを選択します。モデル ビルダーの現在のコンポーネント ノードで、材料を右クリックし、材料リンクを選択します。各コンポーネントの材料を、周囲の物質、コート、コアの順序で関連付けます。
周囲の物質の設定タブで、選択リストを展開してメディア選択を選択します。リンク設定を展開し、ドロップダウン リストからカルチャ メディアなどの適切なマテリアルを選択します。カルチャ メディア ブロック内のドメインを表示するには、[グラフィックス] タブの [透過表示] ボタンをアクティブにします。
他のマテリアル リンクも同様に設定します。モデルビルダで、現在のコンポーネントを左クリックし、[物理を追加]を選択してから、AC/DCモジュールを展開して電流モジュールを選択し、[コンポーネントに追加]をクリックします。境界条件を定義するには、グラフィックス タブで XY ビューを選択します。
モデル ビルダに再度移動し、電流ノードを右クリックして[地面]を選択します。次に、境界選択の選択スイッチをアクティブにします。XZ 平面に平行な最も高い周囲の物質面を左クリックし、境界選択ボックスに境界 5 を追加します。
モデルビルダで、電流ノードを右クリックして端子を選択します。境界選択をアクティブにしたまま、XZ 平面に平行な最も低い周囲の物質面を左クリックし、境界選択ボックスにも境界を追加します。次に端子の選択を展開し、端子タイプドロップダウンリストから電圧を選択し、電圧のVゼロを入力します。
モデルビルダのグローバル定義で、パラメータを左クリックし、パラメータ θをシミュレーションに必要な繊維配向角度に変更します。モデルビルダーの各コンポーネントのコンポーネントノードを展開し、右からジオメトリをクリックして[すべて構築]を選択します。モデル ビルダーでモデル ルート ノードを左クリックし、[スタディの追加]タブを開きます。
定常スタディを選択し、右クリックしてスタディを追加します。新しく追加したスタディの下で、ステップ 1 を左クリックし、スタディエクステンションを展開し、アダプティブ メッシュ細分化ボックスをオンにして、[計算]をクリックして、洗練されたメッシュを取得します。モデル ビルダーでモデル ルート ノードを左クリックし、[スタディの追加]タブを開き、ひな形スタディを選択して右クリックしてスタディを追加します。
新しく追加したスタディの下で、ステップ 1 を左クリックし、メッシュ選択を展開して、アダプティブ メッシュ細分化スタディで生成されたメッシュを選択します。計算ボタンを右クリックして続行します。モデル ビルダで結果ノードを右クリックし、3D プロット グループを選択して設定を編集します。
ラベルを電荷密度に変更し、ドロップダウン リストからデータセットを展開してパラメトリック スタディ データセットを選択します。次に、色の凡例で、凡例を表示するチェックボックスをオンにして、最大値と最小値を表示します。結果ノードの下で再度、充電密度を右クリックしてボリュームを選択し、設定タブの編集に進みます。
[データ] タブを展開し、親から選択して EC に入力します。式ボックスの RHOQ。範囲タブから手動の色範囲ボックスをチェックし、最小値と最大値をそれぞれマイナス0.3と0.3に設定します。色とスタイルを拡大し、色付けをカラーテーブルに設定し、カラーテーブルを波形に設定します。
色の凡例ボックスと対称色範囲をオンにします。ボリュームとモデルビルダーを右クリックし、フィルタを選択します。[設定] タブに移動し、含める論理式を入力します。
プロット ボタンを左クリックして、グラフィックス ウィンドウで結果を視覚化します。この解析では、シミュレーション結果に影響を与えた 5 つの異なる幾何学的複雑ステージが表示されます。メッシュが粗すぎる場合は、関連情報を非表示にできます。
アダプティブ メッシュリファインメントを使用すると、より小さな要素を持つメッシュが得られます。繊維状マットモデルの複雑さの異なるレベルでは、電界の強度は、潜在的勾配に対する繊維の整列によって影響を受けた。さらに、電位勾配に角度を付けた繊維の配位は、周囲の細胞培養媒体における空間帯電密度に影響を与える。
足場繊維配向研究では、繊維が電界に平行または垂直である場合に、RNCモデル予測の研究状態を示した。電荷密度と電流密度は、電界に対する足場繊維の位置合わせの影響を受けた。このプロトコルを使用して、ファイバー スキャフォールド セグメント周辺の電荷密度に対するパラメータの変更の影響を調べることができます。
データや材料特性などのモデル パラメータを変更することで、結果として得られる電荷密度の範囲が大きく変化する可能性があることに注意してください。最適な視覚化を実現するには、帯電密度の最大変動性を観察できるように範囲を最適化する必要があります。
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