一种建立肝素抗凝涂层释放数值模型的方法

1.本发明属于人工血管抗凝涂层的技术领域，具体设计一种建立肝素抗凝涂层管道释放数值模型的方法


背景技术：

2.在体外循环设备、心脏起搏器、血液透析机、人工瓣膜、人工心脏等医疗器械中，人工合成材料与血液直接接触，会激活凝血系统引起如血栓，败血症，多器官功能衰竭等一系列并发症。在人工材料表面涂覆肝素，能够有效改善材料的血液相容性，同时减轻术后的炎症反应，因此肝素涂层技术受到了广泛的关注和应用。肝素涂层通过化学制备形成，通常分离子键和共价键两种形式。不论肝素以何种形式与材料表明相结合，其释放动力学较为复杂，对于释放过程缺乏数值理论研究，且肝素涂层管道存在实验周期较长，过程繁杂等问题，因此可以通过针对释放过程进行数值建模实现数值预测。


技术实现要素：

3.为了解决肝素涂层管道实验方法存在周期较长，过程繁杂的技术问题，本发明提供了一种数值预测模型，可以快速有效的对释放过程展开理论数值研究，进而缩短研发周期和成本。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种建立肝素抗凝涂层管道释放数值模型的方法，包括下列步骤：
5.s1、根据设计任务书中要求的涂层初始释放速率及初始涂层面积，计算得出下个单位时间内的肝素释放量；
6.s2、根据肝素释放量及涂层浓度，以及肝素释放量，计算得出单位时间内消耗的涂层有效面积；
7.s3、根据单位时间内消耗的涂层面积，计算得出下个单位时间内涂层的有效面积；
8.s4、根据单位时间内消耗的涂层面积和有效涂层面积的比值，计算得出涂层面积影响系数；
9.s5、根据管道半径和流量，由泊肃叶公式计算得出管道壁面的剪切率；
10.s6、根据壁面剪切率和血栓增长率的数学模型，计算得出单位时间内的血栓增长率；
11.s7、根据血栓增长率和初始壁面厚度，计算得出单位时间内的血栓增长厚度；
12.s8、根据血栓增长厚度和血小板的关系，得到单位时间内血栓产生的血小板数量，根据血小板数量和消耗肝素分子数的关系，计算得到单位时间内消耗的肝素量x；
13.s9、根据肝素释放量和消耗的肝素量，计算得出单位时间内游离的肝素量和游离肝素总量；
14.s10、根据游离肝素总量和涂层浓度n的关系计算得出游离肝素影响系数m(i)；
15.s11、根据初始释放速率和涂层面积影响系数以及游离肝素影响系数，计算得到下
个单位时间内的释放速率v(i 1)。
16.本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
17.1.本发明提出建立肝素抗凝涂层管道释放数值模型，通过该数值模型分析了肝素涂层释放速率的影响因素。2.通过此模型计算出肝素涂层管道中释放量和释放速率随时间变化的特点，本发明利用了迭代数值模型，使得模型更具有时间性和连贯性。3.使研究肝素涂层管道减少了更多的成本，提高了研究的速度，为研究肝素涂层管道的释放过程提供了理论依据。
附图说明
18.图1为本发明的流程图；
19.图2为本发明的模型结果图，其中(a)为释放量结果图。(b)为释放速率和游离肝素量结果图；
20.图3为本发明的模型仿真释放量结果与其他实验模型释放量结果对比图；
具体实施方式
21.下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.一种建立肝素抗凝涂层管道释放数值模型的方法，如图1所示，包括下列步骤：首先建立单位时间内肝素释放量表达式和消耗涂层面积表达式：
23.hr(i)＝v(i)
×
s(i)
ꢀꢀ
(1)
24.其中v(i)为初始肝素释放速度，s(i)为初始涂层面积。
[0025][0026]
其中n为涂层浓度。
[0027]
由公式(1)可得下个单位时间内涂层的有效面积：
[0028][0029]
根据消耗的涂层面积可以得到涂层面积的影响系数表达式：
[0030][0031]
血栓的厚度代表血小板的数量，游离的肝素主要由未消耗部分肝素产生，故计算游离的肝素量需计算血栓的厚度增长量，血栓的厚度增长量表达式为：
[0032][0033]
其中sr为壁面剪切率，q为管道流量，r为管道半径。
[0034][0035]
其中j为血栓增长率，a,b,c,d,e为经验取值，分别为-28.3，-1，27.4，-10，2.718。
[0036][0037]
其中r(i)为血栓增长的厚度，dt为单位时间变化量，r(0)为初始血栓厚度。
[0038]
得到血栓厚度后可以计算血小板的个数，并根据血小板和肝素之间的关系计算得到消耗的肝素量，根据释放量和消耗肝素量之间的关系得到单位时间内游离肝素量和游离肝素总量，表达式为：
[0039][0040]
其中x为消耗的肝素量，r为管道半径，l为管道长度，vb为血小板体积，na为阿伏伽德罗常数。
[0041]
e(i)＝s(i)
×
v(i)-x
ꢀꢀꢀ
(9)
[0042]
其中e(i)为单位时间内游离的肝素量。
[0043]
m(i)＝m(i-1) e(i-1)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0044]
其中m(i)为游离肝素总量。
[0045]
根据游离肝素对肝素涂层释放的影响得到游离肝素的影响系数表达式：
[0046][0047]
其中m(i)为游离肝素的影响系数，s(1)为初始时刻涂层面积，n为涂层浓度。
[0048]
将公式(4)和公式(11)代入速率迭代模型可得到下个单位时间内的速率表达式：
[0049]
v(i 1)＝v(i)
×
(1-(1 βm(i))
×
αc(i))
ꢀꢀꢀ
(12)
[0050]
其中v(i 1)为下个单位时间内的速率，v(i)为当前单位时间内的速率，α为涂层面积影响因子，β为游离肝素影响因子。
[0051]
根据图1所示步骤进行迭代仿真，得到肝素释放模型的释放量、释放速率、游离肝素量随时间数值变化曲线，如图2所示。从图2中可以看出模型仿真结果具有以下特点：
[0052]
1、释放量在释放的初期阶段增长速度较快，随着释放速率的减慢释放量逐渐平稳，后续逐渐达到一个稳定值，释放量的变化符合肝素抗凝涂层的释放特点。
[0053]
2、释放速率与游离肝素量成反比，说明游离肝素的增加抑制了涂层表面肝素的释放。当游离肝素总量增加到一个阈值时，释放的速率也降低到一个阈值，释放速率的低速率长时间释放能够实现肝素涂层的长久抗凝效果。
[0054]
为了进一步说明模型的可行性，将模型的仿真结果与其他模型的实验结果进行了对比，如图3所示，其中对时间参数和释放量参数进行了归一化处理，分别为时间tn和释放量cn,。从图3中可以看出本文所设计的释放模型结果与其他模型有较高的吻合性，且保持了相同的释放特点。
[0055]
综上，本发明属于医疗仪器抗凝涂层的技术领域，肝素涂层缺少针对释放过程的理论研究，因此本发明研究公开了建立一种肝素涂层释放模型的方法。本发明首先提出了
影响模型肝素释放速率的两个因素，涂层面积和游离肝素。建模过程中两个因素对模型的影响机制不同，对两个因素分别进行考虑,在考虑涂层面积因素时，将涂层初始参数作为始变量，通过迭代方式得到后续涂层面积的变化量。而在考虑游离肝素因素时，采用了切应率血栓增长模型计算肝素消耗量。由于涂层面积和游离肝素对模型的影响程度也存在区别，因此分别定义了两种因素的影响系数,将涂层面积作为主要因素，游离肝素作为次要因素，模型系数的确立可以使模型适用于不同类型的肝素抗凝涂层。通过该模型可以分析肝素涂层释放速率和释放量的时间变化规律，为肝素涂层开展理论和应用研究提供数值模型依据。
[0056]
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围。