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All posts by Bridget Paulus

通过集总模型估算锂离子电池的参数

2019年 10月 24日

锂可用于各种场合,不过用在电池上可能是最引人注目的。锂离子电池可用于电动汽车,储能系统等。当锂离子电池用在这些领域时,工程师必须首先通过电化学分析确保其性能能够达到预期。当电池由第三方制造时,可能会带来一个问题:生产厂商不会向工程师透露有关锂电子电池的关键信息(例如内部结构等)。让我们来看看如何通过集总模型估算锂离子电池的参数。

仿真助力设计药物输送系统

2019年 5月 17日

你有没有紧张过,感觉就像被一个小小的闪电击中一样?但是值得庆幸的是,这种疼痛通常会在几天之内消失。不过,遭受严重伤害的人并不是那么幸运,这种痛苦可能会持续数月之久。而诸如神经导向器之类的药物输送系统则可以帮助加速愈合过程。在设计此类设备时,生物工程师需要全面了解药物反应动力学,而这项工作可以借助仿真建模来完成。 使用神经导向器治疗神经损伤 神经充当人体的控制和消息传递系统,使我们可以微笑和挥手,还可以告诉我们什么时候感到太冷或太热。当人体的神经细胞受到挤压、拉伸或其他伤害时,该区域开始发出求救信号,导致人产生从轻微的不适、僵硬到麻木、剧烈疼痛等感觉。 戴腕带可以帮助缓解由正中神经压力引起的腕管综合症的症状。 当神经损伤严重时,医生必须努力修复神经,一种方法是植入神经导向器。 神经导向器可帮助神经正确地重新生长,确保组织愈合时不会缠结这些路径。还可以将它们设计为精准药物输送系统,以减轻疼痛并加快愈合过程。这些不会留下太多伤痕的小型设备可以由可生物降解的生物材料制成,因此甚至不需要将其移除。 神经导向器利用人体的康复机制来控制药物的释放位置。当组织受损时,它会产生一种酶。一旦插入神经导向器,这种酶就会慢慢吞噬药物周围的物质,最靠近组织的部分降解最快,因此药物被“引导”至受伤的神经。 与任何药物输送设备(如贴片类药物)一样,控制药物反应的行为对于神经导向器至关重要。例如,生物工程师必须确保随着时间的推移药物释放应保持稳定;为确保患者的安全和舒适,药物释放决不能太多(避免“爆发释放”)或太少。 但是,了解这种行为可能很困难,因为它受到多方面的影响,包括: 药物的加载和扩散 生物材料的降解和亲和力 设备的几何形状 为了深入了解这些因素如何影响药物反应动力学,生物工程师可以使用仿真工具来模拟。在下一节中,我们将看一个使用 COMSOL Multiphysics®软件 及其附加的 化学反应工程模块 构建的示例。 神经导向器中的药物释放过程建模 该模型由受损的神经细胞组织,代表神经向导的生物材料基质,以及围绕两者的介质组成。在生物材料中,药物分子附着在肽上,而肽与基质结合。 可以分两种情况分析药物反应动力学:完美混合的环境和空间依赖的环境。 第一个系统是0D,只需求解药物随时间变化的动力学,使用“反应工程”接口描述反应系统。至于空间依赖的系统,它通过“稀物质传递”接口来显示药物是怎么样进入受损组织,并追踪分子的运动。如下图所示,神经导向器是具有3D结构的圆柱几何形状,可以利用轴向对称性将模型简化为2D结构。 神经细胞的空间依赖模型,生物材料神经导向器(左图,红色),以及周围环境的3D(左)和2D结构图(右)。 为了检查分子如何随时间释放,通过0D模型研究了两种类型的药物释放机制: 药物仅从肽上解离,而肽仍附着在基质上; 基质由于酶催化而降解,从而释放出药物-肽物质。药物一旦释放后,物质就会分离。 通过2D结构模拟,可以检查药物如何随时间在几何空间中扩散,确定导向器是否有助于药物正确靶向受损的神经。 此外,基质中可能存在多种反应。尽管我们在本文中没有详细介绍如何对这些反应进行建模,但是您可以在 COMSOL 网站“案例下载”页面,查看《生物材料基质中的药物释放》案例教程文档中的详细建模过程 在COMSOL®软件中评估药物反应动力学 完美混合的系统 下文中,您可以看到在这个神经导向器中,不同物质分子随时间变化的浓度。在模拟开始时,可以看到第一种药物释放机制发挥作用:药物的解离。与基质结合的药物-肽浓度迅速开始下降,而与基质结合的肽浓度却有所增加。这些变化也反映在药物浓度的快速上升中,会在短短的0.03秒内达到最大量(〜7.71 mol / m 3)。 随着生物材料的降解(总共需要约5000秒),在10~5000秒内第二种药物释放机理开始发挥作用。结果显示,未与基质结合的肽浓度的急剧增加,以及与基质结合的肽浓度的相应减少。但是,在这些变化过程中,药物的浓度保持恒定。 综上所述,这种稳定释放对于神经导向器的设计至关重要,因为药物剂量的变化可能会给患者带来严重的风险。 药物释放过程中物质的浓度变化。 很明显,药物释放是均匀的,所以接下来,让我们看一下药物如何扩散到神经和周围区域。 空间依赖的系统 如下图所示,您可以查看域内药物浓度在不同时间的分布情况。系统中的酶起源于细胞组织,因此当生物材料降解时,它有助于将药物引导至受损的神经。 到模拟结束时,最大浓度在神经中心,这意味着导向器成功地递送了药物。 此外,尽管此处未显示,但也可能观察到生物材料随着时间的降解情况。   药物在神经细胞组织,神经导管和周围环境中的浓度 下一步 生物工程师可以通过观察药物反应动力学,设计神经导向器和其他药物输送系统。通过创建这样的模型,他们可以测试不同的设计参数(例如时间、几何形状、物种的亲和力等),查看影响药物释放行为的因素。工程师甚至可以利用这些信息以及其他信息来优化其整体设计,从而评估混合生物材料如何影响结果。 如果您需要对药物反应动力学建模,请单击下面的按钮,将进入 COMSOL 网站 “案例下载” 页面,其中包括案例教程文档和 MPH 文件。您可以使用有效的软件许可证下载所需文件。 获取教程模型

通过建模了解肿瘤的电化学治疗

2019年 5月 2日

当前,最常见的癌症治疗方法有手术、化学疗法以及放射疗法,不过每种方法都具有重大风险。有一种较安全的替代方法是通过电化学治疗(EChT),该技术使用直流电消除恶性肿瘤。然而,在这项技术被广泛应用之前,医生们需要更好地了解其破坏机理,以便能够更好地制定剂量计划。

多物理场仿真优化加热电路设计

2019年 2月 12日

加热电路广泛存在于飞机、电子留言板、医疗存储设备等设施中。与其他大多数加热元件一样,加热电路通过电阻加热工作,其中涉及电流,热传递和结构变形的多物理过程。为了解释这些现象及其他关键设计因素,工程师可以使用COMSOL Multiphysics®软件创建加热电路的虚拟原型。

主题演讲视频:通过仿真优化电缆系统

2019年 1月 28日

电缆为高空飞机、地下矿井和海上风电场提供电力。根据使用情况,电缆的形状、尺寸和环境可能有很大不同——所有这些因素都会影响其性能。Nexans 公司的 Adrien Charmetant 在 COMSOL 用户年会 2018 洛桑站的主题演讲中解释了如何使用多物理场建模来优化电缆设计。您可以在下面看到他演讲的摘要和视频。

主题演讲视频:通过仿真加强STEM教育

2019年 1月 14日

教师如何提高学生在科学、技术、工程和数学(STEM)本科课程中的学习效果?为了找到答案,美国哈特福德大学教授 Ivana Milanovic 将基于问题的学习(PBL)和基于探究的学习(IBL)相结合,开发了一种基于仿真的方法。Milanovic 在 COMSOL 用户年会 2018 波士顿站的主题演讲中讨论了她的策略及优势。下面是她演讲的摘要和视频。

通过仿真保持恒温箱中的低温

2018年 12月 31日

一架空中救护飞机从头顶飞过,急速驶向一家医院,它正在将一个器官运送到需要它的病人那里,对其进行抢救治疗。为了使器官在运输过程中保持适当的温度,它被放在一个特殊的容器里,这个容器被称为冷箱或恒温箱。通过仿真,您可以分析这些箱子的设计,以确保它们对于挽救生命是可靠的。 通过冷藏链运输易腐物品 恒温箱用于保存各种产品,包括: 器官和组织 药品 易腐食品(如烘焙食品) 疫苗 试剂 例如,当准备好器官准备捐献时,这些容器(以及保存液)是运输过程(通常称为冷藏链)的重要组成部分,因为器官可能在捐赠过程中从一个箱子转移到另一个箱子。当医疗专业人员努力寻找器官并将其传递给合适的配对者时,这个箱子可以保护器官免受高温和低温的影响。理想情况下,器官应保持在 2°C(4°C)至8°C 的特定温度范围内。当恒温箱内温度高于或低于这个温度范围时,器官就会受到损坏。 根据使用目的的不同,恒温箱可能需要持续几个小时到几天的时间。回到我们的器官的例子,许多器官最多可以保存几个小时(例如,肺大约只能保存6个小时)。疫苗没有时间限制,但是与器官一样,疫苗从制造到使用期间都需要保持在 2至8°C 的温度范围内。对于偏远地区的患者而言,此过程可能需要数周时间,并且涉及多种类型的恒温设备,例如冷藏车。 像这样的冷藏车被用来运输易腐物品,例如烘焙食品。 为了使冷藏链中没有断开的环节,每个恒温容器都必须非常好地维持其所需的温度范围。同样也需要了解箱子可以使用的有效时间。为了预测这一时间,工程师可以使用传热仿真软件来分析设计。在下一部分中,我们将看到一个使用传热模块(COMSOL Multiphysics®软件的附加产品)创建的示例。 通过传热模块对恒温箱建模 在此示例中,让我们来看一个恒温箱,它的设计是让放在其中的物体可以在2-8°C的温度下保持至少24小时。这个箱子包含三个主要组件部分: 放于箱子里的物品(例如药物) 冷源(-5°C的冰) 一种绝缘材料(泡沫),它可将冰与周围环境以及箱子中的物品分隔开 在这里,冰实际上是水和增稠剂的低共熔混合物。较高的粘度意味着当冰开始融化时,由于对流运动较少,因此升温速度较慢。另外,您可以通过假设箱子完全装满来简化模型。(如果你在运输过程中使用过度包装来保护产品免受冲击,可能会出现这种情况。) 恒温箱的3D模型。 通过在 COMSOL Multiphysics 中直接输入来自美国供热,制冷和空调工程师协会(ASHRAE)的历史气候数据,就可以轻松计算出箱子周围的温度。这里的天气数据来自西班牙塞维利亚的一个气象站。从6月1日上午6点开始,该模型将包含接下来72小时内变化的温度,温度随时间变化曲线如下图所示。通过应用对流冷却边界条件,可以看到温度是如何影响箱子的。 西班牙塞维利亚6月1日上午6时至6月4日上午6时的气温历史气象数据。 该模型的一个重要方面是冰到水的相变过程。在箱子中,共熔混合物作为一种能量存储设备,被放置在盒子的四面。当冰达到约0°C时,它就开始融化,从周围吸收能量并帮助医疗物品保持冷藏状态。因此,只要箱子中仍然有冰,它就可以防止里面的物品超过8°C这一临界温度。 既然您知道如何将温度保持在理想范围内,那么下一个问题是:这个箱子能保持低温多长时间呢?您可以在下一部分中得到解答。 恒温箱可以让放置其中的物品保持多长冷却时间? 使用这样的模型,您可以看到箱子中的温度如何随时间变化(本例中为72小时)。如下图所示,冰的温度一开始迅速上升了约4度。 该图显示了在72小时的时间内,最高和最低临界温度(虚线)与箱子内物品的温度以及融化冰的比例关系。 在接下来的24小时内,温度保持平稳状态。在随后的48小时内,温度也保持在正常范围内。但是,在此之后不久,冰就完全融化了,此时温度开始接近临界温度,之后超过了临界温度。你可以由下图看到温度随时间的推移而升高。   箱子温度的动画图。 通过这个例子可以看出,工程师可以使用仿真来分析恒温容器的设计,预测放于箱子内的物品在临界温度范围内可以停留多长时间。然后,他们可以优化设计,确保医疗产品和其他易腐物品在整个旅程中都能得到保护 下一步 单击下面的按钮,就会进入案例库中,在那里可以查看该模型的 PDF 以及 MPH 文件(需要有效的软件许可证的)。 恒温箱示例 进一步阅读 在下列博客文章中了解有关仿真的更多信息: 研究相变材料的热性能 模拟热虹吸管中的相变 具有迟滞的相变材料的热建模

研究人体集总模型中的振动

2018年 8月 21日

为了减少交通运输系统中的全身振动(WBV)效应,工程师可以使用人体集总模型分析隔振系统。


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