细胞电微环境的有限元建模

该方法有助于预测细胞在纤维支架（如细胞外基质）上的电微环境。基于计算机的建模具有两个主要优势：实验条件的预测是三维的，且可通过便捷地调整参数实现优化。

电刺激有助于多种组织的再生。此类计算机模拟模型将有助于优化刺激参数。首先，打开 COMSOL 软件并选择空白模型。

在模型构建器中，右键单击“全局定义”，选择“参数”，然后根据文稿中的表一添加参数。您可以逐个添加，或从文本文件中加载。在模型构建器的“全局定义”下，右键单击“材料”，选择“空白材料”以添加材料。

添加材料属性时，进入新添加材料的设置，展开材料属性，从基本属性中选择电导率，然后点击加号以添加该属性。对相对介电常数重复此过程。

根据文稿中的表二填写当前材料属性。接下来，在“主页”选项卡中左键单击“添加组件”，并选择“3D”以在模型构建器中添加新的组件节点。然后，再次右键单击“几何”，左键单击“插入序列”。

然后双击完整模型并选择适当的序列。在模型构建器中的当前组件节点下，右键单击“材料”并选择“材料链接”。按此顺序为每个组件关联材料：周围物质、包层和核心。

在周围物质的设置选项卡中，展开选择列表以选取培养基类型。展开链接设置，并从下拉列表中选择适当的材料，例如培养基。要查看培养基区块内的区域，请在图形选项卡中激活透明度按钮。

以相同方式配置其他材料链接。在模型构建器中，左键单击当前组件，选择“添加物理场”，然后展开“AC/DC 模块”以选择“电流模块”，并单击“添加到组件”。为定义边界条件，请在图形选项卡中选择 XY 视图。

再次进入模型构建器，右键单击“电流”节点并选择“接地”。接着，保持边界选择的选中开关处于激活状态。左键单击与 XZ 平面平行的最外层物质表面，并在边界选择框中添加边界五。

在模型构建器中，右键单击电流节点并选择“终端”。保持边界选择处于激活状态，左键单击与 XZ 平面平行的最下方周围物质表面，并将该边界也添加到边界选择框中。然后展开终端选择，在终端类型下拉列表中选择“电压”，并在电压栏中填入 V zero。

在模型构建器的全局定义中，左键单击参数，将参数 theta 更改为仿真所需的纤维取向角度。展开模型构建器中每个组件的组件节点，然后右键单击几何并选择全部构建。在模型构建器中左键单击模型根节点，并打开添加研究选项卡。

选择稳态研究，右键单击添加研究。在新添加的研究下，左键单击步骤一，展开研究扩展，勾选自适应网格细化框，然后单击计算以获得细化后的网格。左键单击模型构建器中的模型根节点，打开添加研究选项卡，选择稳态研究，然后右键单击添加研究。

在新添加的研究中，左键单击第一步，展开网格选择，然后选择在自适应网格细化研究中生成的网格。接着，右键单击计算按钮。在模型构建器中右键单击“结果”节点，选择“3D 绘图组”以编辑设置。

将标签更改为电荷密度，并通过从下拉列表中展开数据集来选择参数化研究数据集。然后在颜色图例中，勾选显示图例以及显示最大值和最小值的复选框。再次在结果节点下，右键单击电荷密度以选择体积，并进入编辑设置选项卡。

展开数据选项卡，然后从父级中选择，并在表达式框中填入 EC.RHOQ。在范围选项卡中勾选手动颜色范围，并将最小值和最大值分别设置为 -0.3 和 0.3。展开着色与样式，将着色方式设为色表，色表设为 wave。

检查颜色图例框和对称性颜色范围。右键单击体数据和模型构建器，然后选择筛选。转到设置选项卡，并填写包含的逻辑表达式。

单击绘图按钮以在图形窗口中可视化结果。本分析展示了影响模拟结果的五种不同几何复杂度阶段。网格过于粗糙可能会掩盖相关信息。

通过使用自适应网格细化，可获得具有更小单元的网格，这是获得精确结果所必需的。在纤维毡模型的不同复杂程度下，电场强度受到纤维相对于电势梯度排列方向的影响。此外，纤维排列方向与电势梯度成一定角度时，会影响周围细胞培养基中的空间电荷密度。

在支架纤维取向研究中，展示了当纤维与电场平行或垂直时，稳态RNC模型的预测结果。支架纤维相对于电场的排列方向会影响电荷密度和电流密度。本方案可用于研究参数变化对纤维支架片段周围电荷密度的影响。

需要注意的是，通过改变模型参数（如数据或材料属性），所得的电荷密度范围可能会发生显著变化。为了获得最佳可视化效果，必须优化该范围，以便能够观察到电荷密度的最大变异性。