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骨组织工程支架内微流体流动状态的数值仿真及分析

作　者: 马哲一
导　师: 赵静一
学　校: 燕山大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 组织工程支架快速成型技术 CFD 两相流传质
分类号: O359
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 94次
引　用: 4次
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内容摘要

组织工程学是近年来发展起来的一门新学科,随着组织工程学与快速成型技术的不断发展,基于快速成型技术的组织工程支架设计、制造及其内部微孔管网的微流体流动状态的研究也在不断的深入。本文研究思路为首先对人工骨支架结构进行设计,其次分析支架内的微流体流动现象,最后研究人工骨支架和细胞在生物反应器内培养时,压力对传质过程的影响。围绕上述思路,展开了下面的研究工作:首先对骨的内部结构进行了分析,探讨了国内外人工骨设计、建模的方法,并在此基础上分析了人工骨内部结构简化模型。其次利用FLUENT分析了微管与主管道之间不同角度对微管内液体流速的影响;计算了体外灌注过程中人工骨支架内细胞和营养液的两相流动,分析比较了两种不同结构的流场中细胞浓度分布、两相速度分布以及压力分布情况,从而为人工骨的内部结构设计打下了一定的理论基础。然后研究了气体和液体两相流在微管道中流动时的流动特性。通过改变气体流量和液体流量,采用仿真的方法研究了各自情况对流型的影响,并且和前人观测到的流型进行了比较;通过利用FLUENT对多组参数的模拟,绘制了流型图并和Triplett等人所绘制的流型图进行了比较。最后对人工骨内部传质过程进行分析,从理论上分析了脉冲压力对传质的影响。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-24
  1.1 课题背景  11-13
    1.1.1 客观的需要  11-12
    1.1.2 现实的可能  12-13
    1.1.3 重大的科学意义  13
  1.2 骨组织工程概述  13-19
    1.2.1 骨组织工程种子细胞的研究进展  14-15
    1.2.2 基于快速成型的人工骨支架材料及其制备方法研究  15-16
    1.2.3 工程化骨组织的体外构建  16-18
    1.2.4 骨组织工程的临床应用  18-19
  1.3 人工骨支架内的微流体流动现象及研究现状  19-23
    1.3.1 微通道的分类  19
    1.3.2 人工骨支架内的微流体流动现象  19-20
    1.3.3 细胞和营养液两相流  20
    1.3.4 气体和液体两相流  20-22
    1.3.5 数值模拟的意义  22-23
  1.4 课题来源及主要研究工作  23-24
第2章人工骨内部结构分析及建模方法  24-37
  2.1 引言  24-25
  2.2 骨的相关知识  25-30
    2.2.1 骨组织  25-26
    2.2.2 骨的内部结构  26-29
    2.2.3 营养管道系统  29-30
  2.3 骨内部结构的简化原则  30-31
  2.4 目前人工骨的建模方法  31-34
  2.5 人工骨内部结构模型的建立  34-36
  2.6 本章小结  36-37
第3章人工骨支架设计及微管网内流场分析  37-56
  3.1 引言  37
  3.2 人工骨微管道结构设计及单相流场分析  37-45
    3.2.1 微管道模型一设计  37-38
    3.2.2 模型一计算结果及分析  38-39
    3.2.3 微管道模型二设计  39-40
    3.2.4 模型二计算结果及分析  40
    3.2.5 整体三维模型的建立  40-43
    3.2.6 人工骨管道流场对比分析  43-45
  3.3 人工骨微管道内液固两相流分析  45-50
    3.3.1 数学计算模型假设  45-46
    3.3.2 两相流控制方程  46-49
    3.3.3 计算方法  49-50
  3.4 计算结果与分析  50-55
    3.4.1 细胞体积浓度分布  50-53
    3.4.2 细胞相及营养液相速度分布  53-54
    3.4.3 管道系统压力分布  54-55
  3.5 本章小结  55-56
第4章微管道中的气液两相流  56-71
  4.1 引言  56
  4.2 微流体气液两相流Triplett 实验装置和流程  56-57
  4.3 计算模型  57-61
    4.3.1 计算模型的确定及简化  57-59
    4.3.2 VOF 模型控制方程  59-61
    4.3.3 数值格式  61
  4.4 计算结果与分析  61-70
    4.4.1 气体流量对流型的影响  61-65
    4.4.2 液体流量对流型的影响  65-66
    4.4.3 流型图的绘制  66-69
    4.4.4 计算结果分析  69-70
  4.5 本章小结  70-71
第5章人工骨支架内传质过程分析  71-81
  5.1 引言  71-72
  5.2 传递过程的基本概念  72-74
    5.2.1 基本假设  73
    5.2.2 物质传递主要步骤  73-74
    5.2.3 基本概念  74
  5.3 营养液中的营养物与骨细胞间的传质  74-78
    5.3.1 营养物与液膜间传质  74-75
    5.3.2 营养物与骨细胞传质  75-78
  5.4 骨细胞代谢废物与营养液间的传质  78-80
    5.4.1 代谢废物与液膜间的传质  79
    5.4.2 代谢废物与营养液间的传质  79-80
  5.5 本章小结  80-81
结论  81-83
参考文献  83-89
攻读硕士学位期间承担的科研任务及主要成果  89-90
致谢  90-91
作者简介  91

骨组织工程支架内微流体流动状态的数值仿真及分析

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