一种应用于具有拓扑结构的微流控芯片的血管生长方法技术

该发明专利技术公开了一种应用于具有拓扑结构的微流控芯片的血管生长方法，属于血管生长仿真领域。本发明专利技术首先设定微流控芯片的微流道拓扑，在拓扑结构中仿真血管的生长，判断血管尖端细胞的生长方向，生长速度，在血管的生长过程中，引入微流道壁的的约束条件，严格的仿真了血管在微流道中的生长过程，本发明专利技术构建的具有拓扑结构的微流控芯片上进行血管再生模拟能够适应多种微流控芯片的结构，在各种微流控芯片结构下均能够形成不同的血管网络，能够为实验的设定和预先模拟提供较为良好的参考。实验的设定和预先模拟提供较为良好的参考。实验的设定和预先模拟提供较为良好的参考。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于具有拓扑结构的微流控芯片的血管生长方法


[0001]本专利技术涉及血管生长仿真领域。

技术介绍

[0002]现有的血管生长方法都是在整个生长基质中进行生长仿真，目前较为前沿的相场理论被应用于血管生长的过程中，TravassoR,ECorveraPoir
é
,CastroM,etal.TumorAngiogenesisandVascularPatterning:AMathematicalModel[J].PLoSONE,2011,6(5):e19989，其模型能够反映血管直径的变化。但是相场血管模型的构建中还存在以下问题：
[0003](1)相场血管模型的控制方程具有四阶微分次数，因此稳定的求解此方程难度较高。Vilanova等使用IGA的方法进行求解，但是求解过程复杂，不易实现。
[0004](2)相场血管模型在3D层面成功构建的研究非常少，传统方法构建的3D血管形态十分杂乱，无法清楚的辨别分支和融合，因此与实际的3D毛细血管网络差异较大。
[0005]并且现有技术中没有针对在微流控芯片中进行血管生长的方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术中血管生长仿真计算难度高，没有针对微流控芯片生长的相应技术方案的问题，提出了一种应用于具有拓扑结构的微流控芯片的血管生长方法，是在血管在微流控芯片中的生长过程的计算。
[0007]本专利技术技术方案为一种应用于具有拓扑结构的微流控芯片的血管生长方法，该方法包括：
[0008]步骤1：构建具有拓扑结构的微流控芯片；
[0009]步骤2：计算VEGF的浓度分布，根据VEGF的浓度分布计算出VEGF浓度的梯度分布；所述VEGF是又到血管生长的物质，血管总是向着VEGF浓度高的方向生长；
[0010]步骤3：将步骤2得到的VEGF的浓度分布和VEGF浓度的梯度分布设置于步骤1构建的微流控芯片上；初始化血管的起始血管芽，血管芽顶部的尖端细胞感受VEGF的浓度决定生长方向，初始化i＝0；
[0011]步骤4：遍历旧的尖端细胞，判断第i个尖端细胞是否满足激活维持条件，若满足，则判断此尖端细胞是否满足分支条件，否则进入步骤8；
[0012]所述激活维持条件为：尖端细胞周围存在VEGF浓度梯度足以让尖端细胞判断出生长方向，其次尖端脓细胞周围具有足够的内皮细胞密度，方便尖端细胞的生长；所述VEGF浓度梯度和内皮细胞密度根据实际情况设定；所述分支条件为：计算分支的概率因子ξ，该计算出的概率因子大于设定阈值则满足分支条件，否则不满足分支条件；
[0013]若满足分支条件则移动标志数置为2，若不满足则移动标志数置为1，移动标志数表示移动的方向个数；
[0014]步骤5：根据当前位置的VEGF的浓度分布计算该尖端脑细胞的最终移动方向，判断
沿移动方向延伸的第一个格点是否属于血管域，血管域表示血管所占位置组成的集合，若是，则进入步骤6，否则，判断沿移动方向延伸的第二个格点是否属于血管域；若属于血管域，则将沿移动方向的第一个格点置为血管域，并不再向新尖端细胞域中更新第一个格点的位置，进入步骤6，否则，判断沿移动方向延伸的第二个格点是否属于芯片通道壁；若属于芯片通道壁，则进入步骤6，否则计算尖端细胞的移动速度，速度大于设定阈值移动两个格点，速度小于阈值移动一个格点，然后将该位置更新至新尖端细胞域中，进入步骤7；
[0015]计算尖端细胞移动速度的方法为：
[0016]其中，表示第i个尖端细胞的移动速度，c为VEGF浓度梯度，
▽
为梯度运算，K为扰动矩阵，二维情况下的K为
[0017][0018]其中，θ为细胞移动过程中偏离各种趋向诱导作用决定方向的角度范围；
[0019]步骤6：该尖端脓细胞保持静止，同时将其位置更新至新尖端细胞域中；
[0020]步骤7：移动标志数减1，判断移动标志数是否等于0，若是，则进入步骤9，否则进入步骤5；
[0021]步骤8：判断尖端细胞的参与存活时间是否小于0，若是，则不再向新尖端脓细胞域中更新其位置，进入步骤9，否则参与存活时间减1，尖端细胞保持静止，并将其位置更新至新尖端细胞域中，进入步骤9；
[0022]步骤9：判断第i个尖端细胞是否为最后一个尖端细胞，若是，则将新尖端细胞域更新至旧尖端细胞域，新尖端细胞域致为空，进入步骤10，否则将i加1，然后进入步骤4；
[0023]步骤10：判断是否阿道时间步数，若是，则技术细胞生长，否则，进入步骤3。
[0024]本专利技术构建的具有拓扑结构的微流控芯片上进行血管再生模拟能够适应多种微流控芯片的结构，在各种微流控芯片结构下均能够形成不同的血管网络，能够为实验的设定和预先模拟提供较为良好的参考。
附图说明
[0025]图1为血管生长过程中的分支和融合行为示意图；
[0026]图2为尖端细胞移动示意图；
[0027]图3为尖端细胞移动示意图；
[0028]图4为血管生长部分流程示意图；
[0029]图5为COMSOL中模拟数据与MATLAB重建图；
[0030]图6为微柱模型中的血管形态演化图，q为时间步；
[0031]图7为COMSOL中模拟数据与MATLAB重建图；
[0032]图8为分支模型中的血管形态演化图；
[0033]图9为COMSOL中模拟数据与MATLAB重建图；
[0034]图10为多腔室模型中的血管形态演化图。
具体实施方式
[0035]已存在的母血管会在外源VEGF的刺激下进行血管再生行为，即从母血管的某一点生长出血管芽，血管芽顶部是具有伪足的尖端细胞，尖端细胞的伪足可以感知环境中VEGF浓度梯度，并带领血管芽向VEGF高浓度方向生长。在尖端细胞带领血管芽生长的过程中，尖端细胞会进行分支和融合现象，分支即是一个血管芽在顶部分裂为两个血管芽，融合是当尖端细胞遇到已存在的血管时，会融入进已存在的血管中。对于微流控芯片应用背景下的血管再生过程，微流控芯片可以很大程度复现血管生长过程的实际生理环境[1]，同时微流控芯片可以构建多种拓扑结构来产生丰富的VEGF浓度分布来诱导血管生长，其拓扑结构的存在会对血管的生长产生一定的阻碍或引导作用，由此可以形成多种血管形态。
[0036]微流控芯片下血管生长模拟
[0037]本文的技术难题主要集中在两个方面，一是具有拓扑结构微流控芯片的构建，主要在 COMSOL Multiphysics中实现。在COMSOL中完成建模和计算后，将相关数据导入到MATLAB 中，二是血管生长模型的构建，由于结合COMSOL的计算结果，在MATLAB中实现微流控芯片下的血管再生过程。
[0038]微流控芯片的构建
[0039]对于复杂的微流控芯片的几何形状的构建，本文在COMSOL里完成，并通过稀物质传递模块计算出VEGF的瞬态分布。再把几何形状信息、VEGF浓度和VEGF浓度梯度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于具有拓扑结构的微流控芯片的血管生长方法，该方法包括：步骤1：构建具有拓扑结构的微流控芯片；步骤2：计算VEGF的浓度分布，根据VEGF的浓度分布计算出VEGF浓度的梯度分布；所述VEGF是又到血管生长的物质，血管总是向着VEGF浓度高的方向生长；步骤3：将步骤2得到的VEGF的浓度分布和VEGF浓度的梯度分布设置于步骤1构建的微流控芯片上；初始化血管的起始血管芽，血管芽顶部的尖端细胞感受VEGF的浓度决定生长方向，初始化i＝0；步骤4：遍历旧的尖端细胞，判断第i个尖端细胞是否满足激活维持条件，若满足，则判断此尖端细胞是否满足分支条件，否则进入步骤8；所述激活维持条件为：尖端细胞周围存在VEGF浓度梯度足以让尖端细胞判断出生长方向，其次尖端脓细胞周围具有足够的内皮细胞密度，方便尖端细胞的生长；所述VEGF浓度梯度和内皮细胞密度根据实际情况设定；所述分支条件为：计算分支的概率因子ξ，该计算出的概率因子大于设定阈值则满足分支条件，否则不满足分支条件；若满足分支条件则移动标志数置为2，若不满足则移动标志数置为1，移动标志数表示移动的方向个数；步骤5：根据当前位置的VEGF的浓度分布计算该尖端脑细胞的最终移动方向，判断沿移动方向延伸的第一个格点是否属于血管域，血管域表示血管所占位置组成的集合，若是，则进入步骤6，否则，判断沿移动方向延...

【专利技术属性】
技术研发人员：范娜，冯港飞，彭倍，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：