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生物科学 博客文章

使用传递矩阵计算分析耵聍挡板声学

2020年 1月 28日

助听器可用于应对不同类型的听力损失,同时为了保证其功能的有效性,必须进行积极的维护。声学工程师和设计人员将耵聍挡板集成到助听器中,以保护其微型扬声器(在助听器中通常称为接收器)。使用COMSOL Multiphysics® 软件和方法,工程师可以考虑到耵聍挡板中的小尺寸几何结构并能快速仿真获得声学响应。 用耵聍挡板延长助听器的使用寿命 当谈到我们的耳朵时,我们会自然地产生耳垢,既可以作为天然清洁剂,又可以作为阻挡异物的保护屏障。然而,耳垢和 助听器 并不是最佳组合,因为耳垢可能会导致助听器阻塞,并导致使用者听到的声音失真。 为了避免助听器发生故障,可以采取预防措施,例如使用耵聍挡板来防止耳垢和水分渗入助听器。使用耵聍挡板是一种经济有效的方法,可以帮助改善助听器的功能,并延长其使用寿命。 耵聍挡板是一个很小的、可更换的防护网,用于耳内接收器(RITE)型助听器和耳道内接收器(RIC)型助听器。下图显示了助听器的装配图和耵聍挡板的位置。这种微型扬声器(也称为接收器)通过连接到助听器主体(位于用户耳朵后面)的电线供电。耵聍挡板放置在一个可以拆卸和更换的小结构中。使用 COMSOL Multiphysics 和 “ 声学模块” ,我们可以使用 5.5 版中的功能来分析耵聍挡板中的细小结构及其声学特性。 接收器装配的图示和耵聍挡板的位置。S0R 代表适用于右耳的,长度为 0 且为 Small 类型。图片由 Widex 版权所有。 在 COMSOL Multiphysics® 中导入耵聍挡板的 CAD 几何模型 本教程分为两个部分: 使用 端口 边界条件和 端口扫描 功能计算耵聍挡板的传递矩阵 在典型的测量设置中计算耵聍挡板的响应,并将其与实际测量值进行比较 将步骤 1 中计算的传递矩阵用于步骤 2 中,并在 COMSOL Multiphysics 中建立了集总传递矩阵方法。 在此模型中,NanoCare™ 耵聍挡板CAD 几何形状、接收器传递矩阵数据、耦合器传递矩阵数据、麦克风阻抗数据和测量数据均由 Widex 版权所有。耵聍挡板的几何结构如下图所示。 耵聍挡板的几何形状。CAD 几何图形由 Widex 版权所有。 传递矩阵:集总表示 传递矩阵(也称为双端口)是在光学和声学应用中分析系统中传播的波的一种有效且常用的方法。在本教程中,将计算一个包含入口和出口的耵聍挡板的传递矩阵;它代表了其子系统的集总模型。由于耵聍挡板的尺寸很小,因此在全频率范围内使用传递矩阵是理想的选择,因为在此模型中只有平面波传播(我们的计算远低于截止频率)。重要的是需要认识到,由于尺寸很小,在传递矩阵的描述中需要包括 热和粘性边界层损耗,以衡量这些损耗会对该声学系统造成多大的影响。如果您知道模型中所有组件的传递矩阵,就能快速地模拟并分析其声学特性。这也意味着可以简单快速地用同样的方法研究在同一声学系统中使用其他接收器的性能。 在 COMSOL Multiphysics 中,您可以选择定义矩阵以设置完整系统的集总表示(可能需要花费一些时间)。在本教学模型中,完整的测量设置由四个双端口组件串联组成。对于接收器(T rec),接收器管(T rt),耵聍挡板(Twg),耦合器 (Tcp) ,以及测量麦克风阻抗 (Zmic),每一个均由其传递矩阵描述。这个模型的输入是施加到接收器的电压 V in(请记住,这是助听器中的微型扬声器)。耦合器是一个 代表标准耳道 的体积。除耵聍挡板的传递矩阵外,其他所有传递矩阵都依赖于现有数据(由供应商测量或提供)。耵聍挡板的传递矩阵是由模型第一部分计算得到的。该系统如下图所示: 为了计算耵聍挡板的传递矩阵,该模型使用 热粘性声学,频域 接口,端口 边界条件和 端口扫描 功能(自5.5版起)。当端口扫描完成后,被分析的系统(此处为耵聍挡板)将自动计算传递矩阵。端口假定为平面波传播,因此必须将其放置在远离任何有几何突变的地方(例如耵聍挡板上的穿孔板)。为了做到这一点,将长度为 1 mm 的入口管添加到几何结构中。模拟区域是耵聍挡板(包括入口管)内部的空气量,如下所示。 模拟区域包括耵聍挡板内部的空气域以及外部的进气口管。 “端口功能设置” 窗口,包括 “用户定义” 、“数字” 和 “圆形端口类型” 选项。 评估耵聍挡板声学 声压和瞬时速度变化如下图所示。在该模型中,可以更改系统的频率参数和激励端口(入口和出口)。更改频率参数可以使您看到黏性边界层和热边界层的范围。黏性边界层的出现是由于黏性(无滑移条件)使空气颗粒无法在固体边界处运动而产生的。在该图中,可以看到壁面上的速度趋近于零(深蓝色)。黏性耗散(阻尼)出现在速度梯度较大的地方。这与耵聍挡板中的孔洞重合(颜色快速变化)。 出口处为端口激励,在 […]

开发用于按需DNA合成的硅MEMS芯片

2020年 1月 21日

体细胞基因组编辑逐渐表现出能够治疗多种遗传疾病的能力。随着功能强大的基因组编辑工具 CRISPR-Cas9 的不断发展,人们对 DNA 合成技术的需求也越来越多。一家总部位于英国的初创公司正在开发一个平台,用于高度平行、精确以及可扩展的 DNA 合成,这将大大拓宽合成生物学的应用前景。 DNA 研究的新领域 传统的 DNA 合成技术是通过化学构建一串碱基,以形成一条单链的一个片段,然后将这些片段连接在一起,形成双链DNA。这种方法造价昂贵且非常耗时,这就限制了合成生物学的应用前景。一个可以合成整个基因序列的 DNA 平台将会改变每个实验室中 DNA 合成的格局。现今,总部位于英国剑桥的初创公司 Evonetix 正在开发一种芯片系统,以实现这一目标。 Evonetix 正在开发的平台上包含有多个反应位点的硅芯片,每个反应位点都可以并行合成一条不同的 DNA 链。各个位点都有一层金,上面会发生生化反应。同时也有一些保护区域,这些保护区域将位点与之间的被动区域热隔离。 在芯片实验室里做的晶片硅上的单个反应位点。图片由 Evonetix 提供。 热控制是芯片最重要的方面之一。可以通过热控制来加速或减速芯片上各个位置的反应,就像电灯开关一样打开或关闭这些位置。热控制还可以精确且独立地控制反应位点处流体体积的温度,这种控制可以创建 “虚拟热井” ,从而消除反应位点之间的物理屏障,并允许试剂可以同时流过数千个位置。这样,当含化学试剂的液体流过这些位点时,取决于温度的反应就可以以高度并行的格式进行或者关闭。 该芯片的另一个方面是其专有的错误检测方法,这种方法可以提高良率。反应位点上生长的 DNA 序列会自动纯化以消除错误,然后再将它们组合成更长的高保真基因序列。 设计目标 为了使硅芯片可以尽可能有效地合成 DNA,Evonetix 团队想到需要优化其几何形状和材料。他们对该芯片有三个主要设计目标: 反应位点处温度均匀 反应位点上单位功率的高温升速率 流体流动过程中稳定的温度分布 首先,反应位点处保证其温度均匀很重要,因为温度可以精确控制反应。Evonetix 物理负责人 Andrew Ferguson 说:“化学反应是随着温度变化而开启的,我们希望可以精确地控制反应速率。” 其次,反应位点上单位功率的高温升速率可以使芯片的总功率保持在较低的水平。最后,芯片上稳定的温度分布确保了反应可以在流体流动条件下发生。 在 COMSOL Multiphysics® 中为硅 MEMS 芯片建模 Evonetix 团队使用 COMSOL Multiphysics® 软件在其硅芯片设计上模拟 DNA 合成。Evonetix的高级工程师 Vijay Narayan 说,“我很喜欢 COMSOL Multiphysics 的用户界面。它可以让我们专注于物理学,同时确保方程的数值结果能得到很好的后处理。”他们使用 COMSOL Multiphysics 中的内置材料以及来自文献的外部材料数据,建立了具有真实材料参数的模型。 首先,该团队使用 COMSOL Multiphysics 构建芯片的单个单元(包括反应部位和加热器)的几何形状,以满足上述三个设计要求。该 ECAD导入模块 使他们能够轻松地将他们的设计从 GDS(CAD 文件格式)导入到 COMSOL Multiphysics 软件中。Narayan说:“系统的设计,尤其是对加热器的设计,可以非常精确,并且具有非常严格的设计规则,同时 ECAD 导入模块提供了更多的灵活性。” 这一功能也使设计团队能够在原型制作阶段直接向制造商提供设计图样。 包括一个反应位点的几何模型图。图片由 Evonetix 提供。 为了分析系统的稳态和瞬态热响应,研究小组使用了传热模块。他们通过使用 电磁加热 接口,让电流流经加热器来评估系统的温度控制能力。为了扩展热分析,该团队通过添加 层流 和 非等温流 多物理场耦合来描述流体流动。 […]

使用COMSOL评估人耳声学设备性能

2019年 9月 6日

通常,助听器、移动电话和耳机都需要高质量的声音,使用户可以拥有良好的听觉体验。为了评估设计的性能,音频工程师利用头部和躯干模拟器(HATS,一种模仿成人听力环境的人体模型)创建了样机。为了更经济有效地处理这一问题,可以使用COMSOL®软件模拟这种设置,进行虚拟声学测量。

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。

材料科学的重点议题:永不忘本的形状记忆合金

2018年 5月 11日

形状记忆合金(shape memory alloy,简称 SMA)是有“记忆”的合金:它们受压力或温度变化而发生变形后,能够恢复到初始形状。SMA 有着广泛的应用,包括冶金、制造、生物医学以及儿童工艺品,其应用范围不断扩展到各个领域。

主题演讲视频:超越传统仿真的生物制药App

2018年 3月 21日

Amgen 公司的 Pablo Rolandi 在 COMSOL 用户年会 2017 波士顿站上发表了主题演讲,讲解 Amgen 如何在生物制药开发中超越传统的建模和仿真。Rolandi 分享了五个例子来说明这一理念在生物和合成医学中的应用。如果你错过了他的演讲,可以在此观看视频录像,并阅读他讨论的亮点内容。

使用多物理场建模分析真空干燥机的速度

2016年 10月 19日

在某些食品和制药行业中,经常使用不同类型的干燥机来干燥热敏性产品。真空干燥机提供了一个解决方案,从这些敏感物质中去除水和有机溶剂。为了获得最佳的真空干燥机设计性能,工程师需要权衡快速干燥时间和高质量产品的双重需求。为此,您可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件研究真空干燥过程。 真空干燥机的优势和功能 从古至今,人们就一直将干燥作为保存食物的一种方法。随着时间的推移,干燥过程从露天干燥或日光干燥逐步扩展到其他干燥技术,例如太阳能干燥,冷冻干燥和真空干燥。从制药到塑料行业等,干燥也是许多应用领域的关键过程。 今天,我们将重点专注于真空干燥的化学过程,这在干燥热敏材料(例如食品和药品)时特别有用。真空干燥机在制药行业通常被称为真空烤箱,同时它还具有其他优点。因为真空干燥机需要在较低的温度下才能运行,所以其消耗的能量更少,从而降低了成本。同时,真空干燥器还能回收溶剂,避免氧化。 旋转真空干燥机。MatyldaSęk 提供自己的作品。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 3.0 下获得许可。 真空干燥机可去除湿粉中的水和有机溶剂。干燥机的工作原理是在真空中降低液体周围的压力,从而降低液体的沸点,并提高蒸发速率。结果,液体会以更快的速度干燥(此过程的另一个主要优点)。 为了使真空干燥有效,我们需要在不伤害产品的前提下减少干燥次数,这意味着我们需要严格控制操作条件。为了平衡这些目标并了解操作条件如何影响产品,可以使用 COMSOL Multiphysics 的多物理场建模功能。 利用多物理场模型分析真空干燥机的干燥速度 今天,我们将分析 Nutsche 过滤干燥机的真空干燥过程。该干燥机的工作原理是从容器的底部和侧壁加热湿的饼,并降低饼顶部的气相压力。该示例基于 Murru 等人发表的论文。(模型文档中的参考文献1)。 首先,让我们近距离查看该模型。该真空干燥机由一个包含湿饼的圆柱滚筒组成,该圆柱滚筒包含三相:固体粉末颗粒、液体溶剂和气体。饼的材料属性需要包括所有三个阶段的属性,这取决于饼中每个阶段的比例变化。每个阶段的部分是由体积分数决定的,这是我们建模的变量之一。 在二维轴对称组件中,将饼建模为半径 40 cm,高 10 cm 的矩形几何形状。在顶部,我们的模型暴露在一个低压顶部空间中。同时,在过滤干燥器的侧面和底部边界处使用热通量边界条件考虑 60°C 的加热流体。 轴对称 Nutsche 过滤干燥机中的真空干燥过程。 接下来,我们的教程结合了蒸发和传热建模,以研究滤饼的液相分布和温度。利用 系数型 PDE 接口计算滤饼的溶剂体积分数,并使用 “ 固体传热” 接口模拟传热。为了解决多孔介质中的水分传输问题,我们在传热模块中使用了预定义的多物理场接口。我们还同时使用热沉和质量沉两项考虑溶剂蒸发,并将溶剂输运作为扩散过程进行近似估算。 我们对模型做出以下假设: 当液相值达到零时,蒸发停止,表明液体已完全蒸发。 当局部蒸气压小于顶空水蒸气压时,蒸发停止,表明蒸发没有驱动力。 当液相的体积分数降至临界值以下时,溶剂中的扩散停止。 在这些情况下,我们可以使用阶跃函数将蒸发速率和扩散系数平滑地降低到零。 我们的烘干机运行速度有多快? 我们可以看到我们的仿真结果和预期结果基本一致。让我们从30个小时后的滤饼开始分析。如下图所示,滤饼的温度在侧边界和底边界都接近加热流体的温度(60°C)。液相的体积分数在这些受热边界附近最低,而在滤饼的中心最高。此外,表观的水分扩散率在滤饼中心是最高的,在液相蒸发的地方几乎为零。考虑到我们模型的假设,这些结果都是在预期中的。 30小时后,滤饼的温度(左),液相的体积分数(中)和表观水分扩散率(右)。 换种方式,让我们扩展时间范围,看看 10、20 和 30 小时后的蒸发速率。这项研究也得到了预期的结果,它显示出蒸发从加热壁开始,并且当这些边界处的溶剂量减少时,蒸发就减少。在此过程中,蒸发前沿移向滤饼的中心。 10(左),20(中)和30(右)小时后的蒸发速率。 通过仿真得到的定量结果与先前的研究结果非常吻合,这验证了它们的有效性。因此,我们可以使用此模型来准确预测产品随时间的干燥程度。利用此信息,我们可以最大程度地减少产品暴露在高温下的时间。此外,如果要减少热敏产品的干燥时间,我们可以更改干燥机的尺寸。通过多物理场仿真,我们可以设计出效率更高的真空干燥机,以用于各种行业。 联系 COMSOL 进行软件评估 探索更多食品和制药行业的建模应用 自己尝试:下载此博客文章中介绍的真空干燥教程 查看以下相关博客文章: 通过仿真优化生物制药工艺 借助仿真 App 探索生物传感器设计中的生物学 利用仿真 App 优化食品加工工艺中的感应加热技术 优化椰枣热加工过程中的水化操作


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