بهبود عملکرد بیوراکتور با COMSOL Multiphysics

ما خوشحالیم که یک وبلاگ نویس مهمان جدید به نام مارک یئومان از Continuum Blue را معرفی می کنیم که کارهایی را که می توانند برای مشتریان مهندسی پزشکی خود انجام دهند را نشان می دهد.

در یک وبینار اخیر، من این فرصت را داشتم تا به برخی از کارهای بزرگی که ما در Continuum Blue در زمینه زیست پزشکی انجام می دهیم، اشاره کنم. در این پست مهمان، در مورد نحوه استفاده از نرم‌افزار COMSOL برای کمک به مشتریان برای بهبود عملکرد بیوراکتور و نشان دادن نمونه‌ای از مدل‌سازی بیوراکتور به شما عمیق‌تر می‌پردازم.

چرا COMSOL؟

بیشتر و بیشتر محققان و مهندسان زیست پزشکی برای یافتن راه حل هایی برای مشکلات خود به شبیه سازی های چندفیزیکی روی می آورند. با COMSOL Multiphysics، این شبیه‌سازی‌ها آسان می‌شوند. این نرم افزار به ما کمک می کند تا تجزیه و تحلیل فرآیندهای زیست پزشکی دشوار را ساده کنیم. بنابراین، درک فرآیندهای زیست پزشکی، بهبود محصولات و آزمایش عملکرد محصول قبل از نمونه سازی و تولید برای مشتریان ما آسان تر است .

مثال مدلسازی بیوراکتور

در یک وبینار در مورد شبیه سازی چند فیزیک کاربردهای مهندسی زیست پزشکی ، من سه مدل را ارائه کردم. یکی برای ارزیابی بازسازی استخوان استخوان ران بیمار، یعنی استخوان ساق پا، پس از تعویض کامل هیپ (THR) استفاده شد. دیگری برای بهینه سازی عملکرد یک بیوراکتور بود. و آخرین مدل برای ارزیابی مکانیک ستون فقرات یک بیمار عادی در مقابل یک بیمار بیمار مورد استفاده قرار گرفت.

در اینجا، کار مدل‌سازی Continuum Blue را از یک بیوراکتور برای بهبود عملکرد آن و امکان کشت سلول‌های پستانداران و حشرات برای اهداف تحقیقاتی معرفی می‌کنم. بیوراکتورهای REGULAR و PLUS CellMaker (در زیر نشان داده شده است) توسط Cellexus توسعه یافته اند و بیوراکتورهای باکیفیتی هستند که از کیسه کشت سلولی یکبار مصرف برای ساده سازی فرآیندهای کشت و تخمیر سلولی استفاده می کنند. بیوراکتورها از فناوری حباب حمل و نقل هوایی برای بهبود هوادهی کشت استفاده می کنند که استفاده از آن ساده، مقیاس پذیر و ارزان است. سلکسوس می‌خواست خط تولید سلول‌سازهای فعلی خود را برای رشد موثر سلول‌های پستانداران و حشرات تنظیم کند.

CellMaker Cellexus (REGULAR یا PLUS)
بیوراکتور Cellexus CellMaker (REGULAR یا PLUS).

اینجاست که با کمک COMSOL Multiphysics، Continuum Blue یک مدل کاملاً پارامتری از CellMaker را برای ارزیابی توسعه داد. تعدادی از پارامترها در مدل برای بهینه سازی بر اساس سهولت تنظیم و گزینه های موجود برای ساخت انتخاب شدند (شکل زیر را ببینید)، از جمله:

تعداد پورت جریان ( n )
نرخ جریان
مخلوط گاز (% O ₂ , CO ₂ , & N ₂ )
سر (ارتفاع مایع در محفظه کیسه)
ویژگی های هندسی (A، B، C، و غیره)

شماتیکی از بیوراتور و پارامترها
شماتیک مقطع از طریق کیسه بیوراکتور و پارامترها برای ارزیابی.

سپس مدلی که ما توسعه دادیم در برابر داده‌های آزمایش فیزیکی تأیید شد. داده‌های آزمایش فیزیکی شامل نسبت‌های ابعادی (AR) و قطرهای دایره‌ای معادل (ECD) حباب‌های تشکیل‌شده در بیوراکتورها تحت شرایط و تنظیمات جریان مختلف بود. این داده های حباب با گرفتن فیلم ویدئویی با سرعت بالا و انجام تجزیه و تحلیل تصویر بر روی شکل گیری و جریان حباب برای بیش از 20 تنظیمات بیوراکتور منفرد به دست آمد که دو مورد از آنها در انیمیشن زیر ارائه شده است.

فیلم حباب با سرعت بالا
فیلم ویدئویی با سرعت بالا از تشکیل حباب برای دو تنظیم بیوراکتور که برای به دست آوردن داده های ECD فیزیکی و حباب AR استفاده می شود.

در زیر می‌توانید یک نمایش گرافیکی از مقایسه‌های نزدیک به‌دست‌آمده از مدل‌های COMSOL پس از اعتبارسنجی در مقابل داده‌های آزمایش فیزیکی برای دو مجموعه از پارامترهای بیوراکتور را ببینید:

بهبود عملکرد بیوراکتور: مقایسه دو مجموعه داده فیزیکی از مطالعات بیوراکتور
مقایسه ECD حباب و AR برای مدل COMSOL در مقابل داده های آزمایش فیزیکی به دست آمده برای دو تنظیمات بیوراکتور.

بر اساس کار چیستی روی بیوراکتورهای منفجر شده و معادلات تجربی فرکانس تشکیل حباب به دست آمده از گودا و همکاران. ، تخمین زده می شود که با شکستن سطح حباب ها، قطر آنها باید کمتر از 7 میلی متر باشد تا مرگ سلولی کاهش یابد. با استفاده از این حداکثر قطر حباب هدف، جاروب بر روی پارامترهای مدل COMSOL روی مدل انجام شد تا زمانی که راه‌حل‌هایی یافت شد که ECD را کاهش داد زیرا حباب سطح را بین 7 تا 20 میلی‌متر شکست، و AR نزدیک به 1، که نشان‌دهنده یک ایده‌آل است. کره.

از آنجا، ما چندین مدل راه حل پیدا کردیم و از بین آنها یک راه حل واحد را بر اساس سهولت تولید و هزینه ساخت انتخاب کردیم. در زیر می توانید مقادیر AR و ECD را برای راه حل انتخابی مشاهده کنید:

مجموعه داده های بهینه شده از مدل در مقابل مجموعه داده های فیزیکی
مقادیر حباب ECD و AR به‌دست‌آمده از راه‌حل بهینه‌شده در مقابل سه نتیجه تنظیمات بیوراکتور قبلی.

شکل، مقادیر AR و ECD بهینه شده را با داده های آزمایش فیزیکی قبلاً به دست آمده مقایسه می کند. در نهایت، در زیر راه‌حل مدلی که به دست آورده‌ایم، با دو ورودی هوایی حباب‌دار است و بزرگی سرعت و شکستن حباب‌ها در سطح آزاد را نشان می‌دهد.

یک راه حل مدل COMSOL با چند پورت
راه حل مدل COMSOL با باربری چند ورودی.

درباره نویسنده مهمان

Mark Yeoman، Continuum Blue، مشاور خبره COMSOL

دکتر مارک یومن، بنیانگذار Continuum Blue ، یک شرکت تحلیل تخصصی است که خدمات توسعه محصول، آزمایش مواد و تجزیه و تحلیل شکست را با استفاده از تکنیک‌های مدل‌سازی چندفیزیکی ارائه می‌دهد. او با بیش از 15 سال تجربه در زمینه مدلسازی محاسباتی و ریاضیات کاربردی، در چندین بخش از جمله هوافضا، زیست پزشکی، انرژی پایدار و نفت و گاز فعالیت داشته است. جدیدترین تحقیقات او بر روی طراحی، توسعه و بهینه سازی بیوراکتورها و ایمپلنت های ارتوپدی با استفاده از نرم افزار شبیه سازی COMSOL متمرکز شده است. Continuum Blue یک مشاور خبره COMSOL است .