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带标签的博客文章 生物工程

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。

基于 MEMS 技术的应变计仿真设计分析

2018年 1月 19日

在土木工程和生物医学领域,应变计用于测量不同物体所承受的形变。通常使用箔式应变计,但灵敏度较低。基于 MEMS 技术的应变计,如双端音叉(double-ended tuning fork,DETF)应变计,可以提供更好的性能。研究人员使用 COMSOL Multiphysics® 软件对一种新型 DETF 应变计的设计进行优化,并将结果与理论模型进行了比较。

仿真助力超声聚焦的临床应用研究

2017年 8月 31日

来自 COMSOL 认证咨询机构 EMC3 咨询公司的特邀作者 Thomas Clavet   在本篇博客文章中讨论了基于相控阵和几何聚焦探头的临床超声聚焦技术。

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

生物组织射频消融技术的仿真研究

2016年 1月 20日

生物组织射频消融是一种利用针对性的加热来实现各类医疗目标的治疗方法,其应用领域包括杀死癌细胞、促使胶原收缩拉紧和减轻疼痛等。这种方法通过直接向人体组织施加中高频交流电,使消融电极周围的一小块区域温度升高。我们可以借助 COMSOL Multiphysics 及其 AC/DC 和“传热”模块来模拟这一过程。在这篇博客文章中,我们将介绍射频消融手术所涉及的一些关键概念。

采用声悬浮技术精准制药

2014年 7月 16日

制造药品时需要无污染的空间,因此科学家尝试了许多创新的方法来改进相关工艺。在阿贡国家实验室(Argonne National Lab),曾希望能够创建一种可以在稀薄空气中漂浮和旋转化学化合物的设备并予以实现。这种设备可以非常精确地控制所需的每种化学药品的量,并将外部杂质破坏结果的风险降到最低。 声音如何举升物体 阿贡国家实验室(Argonne)的研究人员使用多物理场仿真和试错原型制作来提升声学悬浮装置的效率。当我们需要移动对象时,声音可能不是我们通常可以采用的工具。那么,如何利用声音在实验室环境中使物体漂浮或悬浮?答案在于以正确的方式组合力即可产生提升力。 当声音振动通过空气等介质传播时,所产生的压缩是可测且真实的。通过组合声泳力、重力和阻力等压力,不仅足以提升液体药物之类的材料,而且还可以根据操作员的需要对药物进行定位、旋转和移动。 声学悬浮器的换能器之间的波所产生的压力袋会在粒子尺度上产生较大的提升力。 结晶之前旋转药滴 通过使液滴保持稳定旋转,在药物保持液态和无定形状态下,研究人员能够使其进行化学反应。这是创造一个安全、稳定的环境使药物正确合成的关键所在。 声学悬浮装置的几何建模 声学悬浮装置中的每种材料和尺寸都会影响该设备,包括是否按照最终设计进行正常工作,以及是否能根据使用它的科学家的需求进行精细调整。 该设备的几何形状包括两个小型压电传感器,它们像喇叭一样竖立在产生药物的工作区域的上方和下方,如下图所示。 声学悬浮器的波型由位于平坦相对的换能器上的高斯形状泡沫控制。 设计中最重要的部分可能是由聚苯乙烯制成,并覆盖每个换能器端部的高斯形状的泡沫,这种泡沫可以消除所需范围之外的声波,能作为滤波器来维持均匀、明确的驻波。 Argonne的团队耦合使用了COMSOL Multiphysics® 中的“声学模块”、“ CFD模块”和“粒子追踪模块”对声学悬浮器进行了建模。通过仿真,他们能够缩小声场的形状和浮动液滴的位置。 上图仿真结果显示,在T = 0.75秒时,颗粒形成了液滴。左侧显示了仿真中预期的粒子分布,右侧显示了液滴的实际分布的照片。 使用声学悬浮装置生产更安全、更精确的药物 声悬浮技术的发展以及能控制越来越精细的化学反应的能力,使药物科学界的成员扩展了其研究领域,未来也许会发现更多能够挽救生命的新药。 扩展阅读 了解有关通过声悬浮技术实现飘浮更多信息。


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