用于毒理学分析的实用沉积应用GydF4y2Ba

沉积是一种简单的物理现象，其中颗粒或聚集在重力或离心力引起的溶液沉积物中。因为这种现象是如此简单，所以它被广泛用于许多技术，例如毒理学，生物化学，生物医学，遗传学和药物工程。在这篇博客文章中，我们将讨论一个数学模型，以了解重力如何影响测试管中的沉积，以及如何制作纳米毒理学的实用应用程序（作为各种应用程序中的一个例子）。GydF4y2Ba

提取的DNA，其中颗粒沉积物到试管底部。Isaevde的图像 - 自己的作品。获得许可GydF4y2BaCC BY-SA 4.0GydF4y2Ba， 通过GydF4y2BaWikimedia CommonsGydF4y2Ba。GydF4y2Ba

如何在生物化学中使用沉积GydF4y2Ba

自2020年3月以来GydF4y2Ba传播共同19-19大流行GydF4y2Ba以不同的方式影响了我们的生活。您可能已经参加了聚合酶链反应（PCR）测试，这是旅行或上班前最常用的Covid-19测试技术之一。GydF4y2Ba卡里·穆里斯（Kary Mullis）和迈克尔·史密斯（Michael Smith）GydF4y2Ba被公认为PCR的发明者，并因其发明而在1993年获得诺贝尔奖。同样，大流行也需要进行199疫苗，以防止病毒的扩散。基于mRNA的SARS-COV-2疫苗背后技术的主要贡献者，GydF4y2Ba博士。德鲁·魏斯曼（Drew Weissman）和卡塔琳·卡里科（KatalinKarikó）GydF4y2Ba被授予美国顶级生物医学研究奖2021 Lasker奖。GydF4y2Ba

在大流行过程中，我们不由自主地听到并看到了许多基因工程术语，例如GydF4y2Ba病毒GydF4y2Ba，，，，GydF4y2Ba疫苗GydF4y2Ba，，，，GydF4y2BapcrGydF4y2Ba， 和GydF4y2BamRNAGydF4y2Ba， 几乎每天。这些术语全部由所谓的生物分子组成或相关。各种生物分子的特征是使用离心机的沉积系数。这项研究的先驱是瑞典化学家GydF4y2BaTheodor SvedbergGydF4y2Ba，他于1926年因对分散系统的研究而获得诺贝尔奖。他的最后一字母现在是沉积系数（S，svedberg）的单位名称，它表示颗粒在特定力（重力或离心力）下达到末端速度的速度。例如，完整的真核核糖体的沉积系数为80 s。GydF4y2Ba

虽然Covid-19是一种天然疾病，但仍有人为疾病，例如空气污染，是由各种大小范围（从纳米到微米）引起的GydF4y2Ba粒子GydF4y2Ba（通常是金属）从工厂，汽车以及其他人造材料和污染源中发出的。毒理学领域研究这些颗粒如何对人类健康有害。剂量法是解释差异的关键技术之一GydF4y2Ba体内GydF4y2Ba（动物测试）和GydF4y2Ba体外GydF4y2Ba（基于细胞的测定）结果。预期更准确的定量和剂量和浓度的剂量和浓度有助于更准确GydF4y2Ba体外GydF4y2Ba实验。沉积实验和模拟用于此目的。GydF4y2Ba

在生物医学研究中，血液沉积用于研究人体的炎症。更快的沉积意味着更多的炎症以及某些疾病的症状，这些疾病具有异常蛋白质的产生，例如多发性骨髓瘤。沉积物还用于分离白细胞，红细胞和血小板。在药品应用中，结晶后的沉积物用于与母液分离，并从其他蛋白质材料中纯化胰岛素纯化（例如，“GydF4y2Ba关于制药行业离心的综述GydF4y2Ba”）。药物吸附和解吸的研究对于制药行业也很重要。GydF4y2Ba

大量重要的应用程序使用沉积。尽管沉积或离心可以相对易于实验，但使用计算机绝对有利，它可以一次模拟多种材料和条件的组合。另外，数学建模通常对于理解复杂的沉积现象（例如吸附和解吸）至关重要。GydF4y2Ba

使用重力下的测试管的沉降方程GydF4y2Ba

对于生物工程，基因工程，医学工程和药物应用，超高速度离心机用于分离颗粒或分子。这主要是因为生物分子比其他类型的颗粒“更粘”，沉降需要更大的力。（想象一下含有DNA/RNA的粘性生物材料是：地球和太阳之间的距离的90倍，并包装在一对DNA链中。）您可以找到可以生成70,000 g的商业离心机（在这种情况下，重力单位）。有一些类型的离心机具有激光源，可在水平旋转试管上发光，这使得可以实时测量浓度。GydF4y2Ba

用于描述离心机沉降的管理方程式称为GydF4y2Balamm方程GydF4y2Ba。Ole Lamm是Svedberg的博士生。这个方程只是圆柱坐标版本GydF4y2Ba梅森 - 框架方程GydF4y2Ba，我们在此博客文章中讨论。GydF4y2Ba

与生物分子相比，用于毒理学研究的颗粒（通常是金属或陶瓷）较重，更快地下沉。因此，重力为这种应用程序完成了工作。如下图所示，垂直放置测试管和粒子垂直下沉。GydF4y2Ba

将垂直位置转移到GydF4y2BaXGydF4y2Ba在1d中坐标；对于给定的管长，GydF4y2Bax_2GydF4y2Ba;以及计算时间GydF4y2BatGydF4y2Ba，我们有以下梅森 - 武器方程：GydF4y2Ba

在哪里GydF4y2BaCGydF4y2Ba是粒子浓度，求解的变量；GydF4y2Ba一个GydF4y2Ba和GydF4y2BabGydF4y2Ba分别是颗粒的扩散系数和沉积速度；和GydF4y2BaGGydF4y2Ba是由于重力引起的加速度。GydF4y2Ba

管的顶部和底部的边界条件是所谓的零通量边界条件，即GydF4y2Ba

这种情况意味着边界上的总质量通量（不仅是扩散通量）为零。也就是说，下沉的颗粒积聚在底部，因为它们无法退出那里的试管。我们的主要兴趣是颗粒的累积质量。为了测量，我们需要设置一个假想的体积（以1D为单位）。在上面的几何形状中，间隔GydF4y2Ba[x_1。x_2]GydF4y2Ba为此目的准备。请注意，计算出的累积质量因间隔的大小而变化。GydF4y2Ba

初始条件通常是统一的分布，如下：GydF4y2Ba

在哪里GydF4y2BaC_0GydF4y2Ba是一个恒定函数。GydF4y2Ba

现在，我们拥有模拟沉积的所有制剂。GydF4y2Ba

除了极快的沉淀案例外，梅森 - 框架方程是一个易于理解和解决的方程式。让我们尝试解释它的物理含义。它由两个方程组成：GydF4y2Ba

1. 扩散（2GydF4y2Ba^ndGydF4y2Ba学期）GydF4y2Ba
2. 由于重力引起的对流（3GydF4y2Ba^路GydF4y2Ba学期）GydF4y2Ba

如果您单独想象每个现象，对此方程式的解释将非常容易。重颗粒迅速下沉 - 几乎没有扩散 - 并在试管的底部积聚。最初，粒子是均匀分布的。随着沉积开始，颗粒从顶部消失，颗粒的数量在底部周围增加。最后，几乎所有的粒子都在底部找到，这意味着浓度函数变得像在管底部的三角洲函数一样。较轻的颗粒倾向于漂浮在溶液中，因为它们不受重力影响。这两个现象在现实中同时出现。以下动画显示了两个极端情况作为示例。GydF4y2Ba

比较较重的颗粒（左）和较轻颗粒（右）的空间浓度曲线。GydF4y2Ba

具有尺寸分布的颗粒的沉积应用程序GydF4y2Ba

上图相对简单。然而，在现实世界中，颗粒通常不会单独漂浮在溶液中，通常会根据表面电荷或颗粒可能具有的某些结合机制制成不同尺寸的聚集体。在解决方案中，正如我们在上面的动画中看到的那样，具有不同大小的团聚的表现不同。因此，不再容易想象整体浓度的外观。可以通过使用GydF4y2Ba部分微分方程GydF4y2Ba（PDE）comsolMultiphysics188金宝搏优惠®软件用户界面（UI）中的接口，但是模拟您必须考虑粒度分布或某些其他条件或约束的更实际情况并不容易。在这种情况下，制作应用程序可以使您更加灵活性和更令人满意的结果。GydF4y2Ba

在下一节中，将显示制作与Deloid引用论文相同结果的应用程序的关键步骤的一些关键步骤。GydF4y2Ba

步骤1GydF4y2Ba

在模型构建器中设置您的几何形状，材料，基本物理以及初始和边界条件。GydF4y2Ba

几何形状以1D表示您的试管（左侧盖，右侧底部）。GydF4y2Ba

使用梅森 - 框架方程式的设置GydF4y2Ba稳定的对流扩散方程GydF4y2Ba来自经典PDE接口的接口。GydF4y2Ba

初始条件（均匀分布）。GydF4y2Ba

边界条件（反射边界条件）。GydF4y2Ba

第2步GydF4y2Ba

在应用程序构建器中制作自己的UI。GydF4y2Ba

您自己的应用程序的UI，包括一些功能区按钮（顶部），GydF4y2Ba参数设置GydF4y2Ba窗口（左），粒度分布曲线（右上）和GydF4y2Ba结果图形GydF4y2Ba窗口（右下）。GydF4y2Ba

步骤3GydF4y2Ba

编写Java®代码。GydF4y2Ba

表格的一部分，包括GydF4y2Ba进口GydF4y2Ba与Java方法关联的按钮，该方法从文件中加载粒度大小分布数据并将其存储在GydF4y2Ba数组2D字符串GydF4y2Ba。GydF4y2Ba

主端循环的Java方法，可重复每个更新的粒径运行。在每个时间步骤中计算每个粒径的底部粒子质量，并存储在一个GydF4y2Ba数组2D双GydF4y2Ba（未显示）。在运行结束时，将颗粒质量求和以计算底部积聚的总质量分数。GydF4y2Ba

通过遵循上述步骤制作此应用程序，例如，您可以获得下面显示的最终结果。此示例中使用的粒子是首席执行官GydF4y2Ba_2GydF4y2Ba，这相对较重，往往会迅速下沉并积聚在底部，如下图所示（蓝线）。粒径显着影响质量分数。较小的颗粒往往会通过扩散而漂浮，并且永远不会一路沉没。结果，当考虑到尺寸分布时，质量分数的达到平稳速度的速度较慢，小于100％。GydF4y2Ba

单个粒径的病例（平均半径为491 nm，与UI的上图中所示的分布曲线）和尺寸分布（Comsol Multiphysics vs.参考论文显示良好一致）之间的比较。188金宝搏优惠粒子：首席执行官GydF4y2Ba_2GydF4y2Ba。试管长度：10毫米。底部长度：10 UM。GydF4y2Ba

其他评论GydF4y2Ba

系数GydF4y2Ba一个GydF4y2Ba和GydF4y2BabGydF4y2Ba可以通过实验给出，也可以通过从材料特性中计算出以下从流体动力学得出的关系。GydF4y2Ba

在哪里GydF4y2Bak_b，\ t，\ \ eta，\ rGydF4y2Ba是玻尔兹曼常数，温度，溶液的动态粘度，分别是粒子的半径，以及GydF4y2Ba\ rho_eGydF4y2Ba和GydF4y2Ba\ rho_sGydF4y2Ba分别是粒子的有效密度和溶液的密度。GydF4y2Ba

要增加此应用程序，您可能需要修改或添加更多功能。对于药物或生物医学应用，您可能需要考虑颗粒的溶解度。在底部边界上，您可能需要考虑另一种解释吸附和解吸的边界条件，而不是反射边界条件。这些增强可以通过添加辅助方程来完成。参考参考，请参见Christmann，Ramteke和Dokoumetzidis。GydF4y2Ba

下一步GydF4y2Ba

通过单击下面的按钮探索在此博客文章中讨论的沉积应用程序。将其用作构建自己的应用程序的灵感，并让我们知道您在评论中的经验！GydF4y2Ba

参考GydF4y2Ba

1. G.M.Deloid等人，“体外纳米材料剂量法的高级计算建模”，GydF4y2Ba粒子和纤维毒理学GydF4y2Ba，卷。12，不。1，第1-20页，2015年。GydF4y2Ba
2. K. Christmann，GydF4y2Ba表面物理化学简介GydF4y2Ba，Springer Science＆Business Media，第1卷。1.，2013年。GydF4y2Ba
3. K.H.Ramteke等人，“药物溶解的数学模型：评论”，，GydF4y2Basch。学院J. PharmGydF4y2Ba，卷。3，不。5，第388–396页，2014年。GydF4y2Ba
4. A. Dokoumetzidis和P. Macheras，“一个世纪的解散研究：从Noyes和Whitney到生物制药分类系统”，，GydF4y2Ba国际药品杂志GydF4y2Ba321.1-2（2006）：1-11。GydF4y2Ba

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