皮膚角質層三維幾何結構和滲透性質的數值模擬.pdf

1、偏微分方程經常用來描述在實際中遇到的一些動態(tài)現象，如粘質液體的流動過程，放射性核材料的擴散過程或者地下水補充的過程。特別是在當流體通過復雜層面的過程中，如果想模擬它們在其中的變化，就需要合理有效地描述其通過的空間幾何結構和生成相關的網格點。無論從重量還是面積來看，皮膚都是人體最大的組織器官，它覆蓋了整個人體，是使體內組織器官同外界隔開的第一道也是最重要的屏障。由于皮膚的存在有著這樣不同尋常的重要意義，關于皮膚的結構和功能的研究也受到了人

2、們越來越多的重視，特別是近三十年來皮膚給藥(或者叫透皮給藥Transdermdrugdelivery)作為一種新興的給藥方式，無論作為臨床還是實驗都取得了越來越多的成果和經驗。透皮給藥就是利用了皮膚的滲透性質，將藥物施用于皮膚，使藥物通過滲透作用進入皮下脂肪內的毛細血管，進一步進入血液循環(huán)再達到病體靶組織，最后達到治療目的。在實際中，由于藥物不同的物理化學性質以及皮膚本身的生理特性，一種藥物是否適合于制成透皮給藥制劑，需要經過大量的臨床

3、試驗。而臨床試驗本身，不僅要花費大量的人力物力，還要花費大量的時間。因此，如果可以將皮膚理解為一種復雜的層結構，對藥物滲透的過程進行數值模擬，一方面可以節(jié)省臨床實驗所需要的人力物力，另一方面，只要對時間參數進行適當的調整，可以得到透皮實驗中意義最重大的時間對藥物滲透的影響。實際上，皮膚本身是一種非常復雜的幾何結構，在研究中又發(fā)現，藥物在滲透皮膚的過程中，其最大的障礙來自于皮膚的角質層。有文獻表明，角質層的角蛋白細胞的三維結構近似于一個由

4、六個六邊形和八個四邊形構成的十四面體(即物理學上所稱的Kelvin'sTetrakaidecahedron)，同時在角蛋白周圍，包圍著脂肪結構。因此，如果想對皮膚的滲透性質進行數值模擬，第一只要對藥物滲透角質層的過程進行數值模擬就可以了，第二，無論在數值計算的過程中是用到有限元還是有限差分，都需要首先對角質層的三維幾何結構進行網格拆分，使其離散成簡單單元體，才能夠繼續(xù)利用現有的算法對其進行數值模擬。本文首先完成了對一個如上所述的三維結構

5、的十四面體的網格拆分。拆分過程中我們借鑒了地理信息科學上常用的描述空間結構的方法，即一個簡單幾何體用相應的面信息(1gm)和單元信息(ng)文件來描述，用化整為零逐層分解的思路，逐步得到我們需要的十四面體結構。我們用這樣的十四面體結構來近似人體皮膚的角質層細胞。同時，在角質層細胞周圍圍繞著的與細胞內物質滲透性質完全不同的脂質體，為描述整個皮膚角質層的空間結構，還需要對這些脂質體結構進行網格拆分。在脂質體的網格拆分過程中，采用了另外一種思

6、路。如果將脂質體看作統一結構的話，鑒于其包圍的十四面體的幾何結構的復雜性，很難想象它的空間構成情況。實際的生理實驗結果顯示，角蛋白細胞周圍的脂質體在角質層中的分布有較為均勻的特性，利用這一性質，本文設想，理想中的角質層細胞是這樣的：它由圍在外層的脂質體和內部的一個形狀也是十四面體的核共同構成一個大的十四面體，這兩個十四面體有相同的拓撲結構，對應面之間的距離相同，對應角之間的距離也相同。在這種假設下，完成其網格拆分變成一件較為簡單的事情。