基于荧光图像的水凝胶几何网格重建及其力学性能有限元的模拟

摘要

目的 探讨通过荧光图像重建水凝胶的几何网络及其用于有限元模拟的可行性。方法 取冷水鱼皮的明胶水溶液，分别与28.2、56.5、113.0、141.0 mg戊二醛交联16 h,制备明胶水凝胶；采用动态热机械分析技术测量各组明胶水凝胶的力学性能，并计算压缩模量(E_meas),用激光共聚焦显微镜和图像分割程序分析观测各组明胶水凝胶的孔隙结构；采用图像分割及行进立方体算法进行各组水凝胶支架几何模型的三维重建，对水凝胶荧光图像进行预处理、分割、重建及优化；采用ANSYS Workbench计算有限元，使用静态结构分析模拟各组水凝胶的压缩试验，计算模拟得到模型的压缩模量(E_sim)以及水凝胶结构的负载情况。结果 动态热机械分析获得水凝胶的应力应变数据，计算得到E_meas分别为（457.0±30.8）、（942.7±260.5）、（2 053.3±115.0）及（2 133.3±125.8） Pa;观测到经戊二醛交联的水凝胶孔隙发生变化，且戊二醛浓度越高，水凝胶的孔径越小、孔数量越多；三维重建程序生成了可用于有限元体网格划分的水凝胶几何模型；有限元模拟计算得到的E_sim与E_meas一致，分别为447.2、829.9、1 987.7及2 181.6 Pa;有限元模拟结果显示，水凝胶结构承担的载荷增加，与基体相比，纤维网络承担主要载荷且载荷增加量更大；当基体弹性模量增加，纤维网络与基体界面处的应力分布的不均匀性降低，与纤维网络相比，基体共享负载增加。结论 利用三维重建方法构建了水凝胶几何模型，模拟的有限元模型可反映明胶水凝胶的力学性能。

关键词

有限元分析 / 水凝胶 / 生物力学现象 / 图像分割 / 三维重建 / 力学分析