基于函数表示与有限体积法的组织球体融合过程氧扩散数值模拟研究

本研究针对3D生物打印中组织球体缺氧导致的细胞坏死问题，创新性地结合函数表示(FRep)几何建模与有限体积法(FVM)，建立了融合球体的氧扩散数值模型。通过量化表面形变参数(Gardner噪声)影响并优化球体尺寸(单球体250-300μm/融合球体170-190μm)，为无血管化生物构建的存活时间预测提供了新工具，显著提升了组织工程方法的可靠性。

　　

在器官移植需求激增而供体严重短缺的背景下，3D生物打印技术被视为解决器官危机的潜在方案。然而，无血管化的组织球体在融合过程中常因内部缺氧导致细胞代谢障碍甚至坏死，这一瓶颈严重制约着生物打印器官的功能性。传统研究多聚焦肿瘤球体或理想光滑几何体，难以真实反映正常组织球体在生物打印过程中的氧动态。

莫斯科斯科尔科沃科学技术研究院(Skolkovo Institute of Science and Technology)的研究团队在《Scientific Reports》发表的研究中，开创性地将函数表示(FRep)框架与有限体积法(FVM)相结合，首次实现了融合球体复杂几何形态下的氧扩散精确模拟。通过引入Gardner噪声参数化表面不规则性，建立反应-扩散方程数值模型，揭示了球体尺寸与缺氧区域的定量关系，为优化生物打印参数提供了关键理论依据。

研究采用六步技术路线：FRep几何建模→Gardner噪声添加→模型切片→STL文件生成→网格构建→FVM数值求解。关键创新在于采用R函数实现球体融合的布尔运算，并通过OpenFOAM求解器处理非结构化网格上的扩散方程(?P/?t=DΔP-OCR)。统计采用线性回归分析时间-氧分压(P_O2)曲线参数，结合ARD回归验证变量相关性。

组合FRep与FVM为多细胞组织球体扩散分析提供稳健数值方法

通过三级网格(344/109000/980000多边形)验证显示，尽管非结构化网格导致轻微收敛偏差，但氧分压模拟结果保持稳定。

证实该方法能精确捕捉几何细节，为后续融合过程模拟奠定基础。

Gardner噪声实现表面不规则性纳入数值模拟

研究发现振幅(a)、相位(p)、频率(q)参数对氧分布影响微弱(ARD回归系数≤0.82)，与既往细胞存活率研究形成有趣矛盾。

提示成熟球体的氧扩散对表面形变具有惊人鲁棒性，这挑战了传统认知中形变必然影响细胞微环境的假设。

数学模型揭示球体尺寸与缺氧的依赖关系

临界分析显示：单球体在309.5μm(P_O2=50mmHg)、融合球体在260μm即出现坏死阈值。建议生物打印采用250-280μm(单球体)和170-190μm(融合球体)的安全尺寸，该结论与肿瘤球体数据(500μm坏死阈值)存在显著差异，凸显正常细胞对缺氧更敏感的特性。

这项研究的意义在于建立了首个融合球体氧扩散的几何敏感模型，其方法论创新体现在三方面：1) 将FRep的几何灵活性引入生物过程模拟；2) 开发出融合动态的网格生成流程；3) 量化了尺寸-缺氧关系这一生物打印关键参数。研究发现的"形变-氧分布解耦"现象为后续细胞适应性机制研究开辟新方向，而尺寸优化建议可直接指导生物打印实践。尽管当前模型未考虑血管化因素，但其框架为未来整合血流动力学模型奠定了基础，标志着计算生物学在组织工程应用中的重要突破。