一種可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法，建立微觀、介觀和宏觀三個不同尺度相耦合的建模方法模擬可降解高分子材料的降解過程。所述方法包括：S1，將宏觀上的高分子材料離散為介觀的元胞，其中，每個元胞內(nèi)包括至少一條高分子鏈；S2，在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂、結(jié)晶，并將高分子鏈斷裂、結(jié)晶結(jié)果耦合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)；S3，在宏觀上模擬所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散及所述對應(yīng)元胞中小分子的溶解，并更新所述對應(yīng)元胞的鏈數(shù)及分子量；S4，返回S2，進(jìn)入下一輪迭代繼續(xù)模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)直至滿足預(yù)設(shè)的終止條件。本發(fā)明適用于可降解高分子材料技術(shù)領(lǐng)域。
【專利說明】
一種可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及可降解高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是醫(yī)用藥物緩釋系統(tǒng)、組織工程支 架等領(lǐng)域使用的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，生物可降解高分子聚合物，例如，聚乳酸(polylactic acid，PLA)、聚乙醇 酸(?6六，？〇17817(3〇1;^3(^(1〇)等及其共聚物，由于其在生物體吸收性縫合材料、骨科固定、 藥物緩釋系統(tǒng)及組織工程支架中的顯著優(yōu)點(diǎn)而備受廣泛關(guān)注。由可降解高分子材料（由高 分子聚合物制成的材料，所述可降解高分子材料下文簡稱高分子材料)做的螺釘(所述螺釘 是由高分子材料制成，屬于高分子器件，）用于骨折手術(shù)的固定，在骨頭愈合好后，骨釘可自 行降解，省去了病人再手術(shù)取出骨釘?shù)亩瓮纯?；由可降解高分子聚合物制成的支架用?細(xì)胞生長成自體組織，是未來醫(yī)學(xué)的重大革新，而這些應(yīng)用能否成功使用于臨床，在很大程 度上取決于高分子聚合物的降解速率能否與藥物緩釋速率、骨生長速度或細(xì)胞組織的生長 速度相一致，即可降解高分子聚合物的降解速率能否得到控制。
[0003] 高分子聚合物(簡稱，高聚物）的降解過程一般認(rèn)為是經(jīng)歷兩個過程:首先是在水 分子的攻擊下，高分子長鏈水解斷裂成短鏈，然后再在酶的作用下進(jìn)一步降解，最終生成無 害的水和二氧化碳。其中第一階段水解反應(yīng)將直接影響高聚物的形狀及強(qiáng)度變化，所以高 聚物降解率的控制主要取決于第一階段即水解階段。實(shí)驗(yàn)的方法研究高聚物的降解過程周 期太長，且水解過程中的自催化反應(yīng)使得不同尺寸的高聚物降解速率都不一樣，從而增加 了很多工作量與不確定性。計(jì)算機(jī)建模的方法可以使周期縮短，且可以提供更豐富的降解 過程數(shù)據(jù)引起了很多科研工作者的關(guān)注。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，可降解高分子材料降解過程的建模方法也從傳統(tǒng)的單一的擴(kuò)散、化 學(xué)反應(yīng)、質(zhì)量傳遞等現(xiàn)象出發(fā)的宏觀機(jī)理模型，微(或介)觀的蒙特卡洛模型(MC)、元胞自動 機(jī)模型(CA)等發(fā)展到宏觀與微(或介)觀相結(jié)合或隨機(jī)與質(zhì)量傳遞相結(jié)合的模型。但是，上 述建模方法一般從單一尺度對可降解高分子材料降解過程進(jìn)行建模，不能反映可降解高分 子材料真實(shí)的降解過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可降解高分子材料降解過程的建模與仿真 方法，能夠從微觀、介觀和宏觀三個尺度模擬可降解高分子材料的降解過程。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種降解高分子材料降解過程的建模與 仿真方法，包括：
[0007] S1，將宏觀上的高分子材料離散為介觀的元胞，其中，每個元胞內(nèi)包括至少一條高 分子鏈；
[0008] S2,在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂、結(jié)晶， 并將所述高分子鏈斷裂、結(jié)晶結(jié)果耦合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)；
[0009] S3,在宏觀上模擬所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散及所述對應(yīng)元胞中小分子的溶 解，并更新所述對應(yīng)元胞的鏈數(shù)及分子量；
[0010] S4,返回S2,進(jìn)入下一輪迭代繼續(xù)模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)直至滿足預(yù)設(shè)的終 止條件。
[0011] 進(jìn)一步地，所述在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈 斷裂，并將所述高分子鏈斷裂結(jié)果耦合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)之前， 包括：
[0012] 采用蒙特卡洛方法，通過隨機(jī)數(shù)隨機(jī)獲取下一個所述微觀高分子鏈降解反 應(yīng)的時刻At及參加所述下一個微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子鏈μ:
[0015] 式中，ri、r2屬于(0,1]，
中av = JivXvXw，jtv表不參加第v個微觀高分子鏈降解反 應(yīng)的速率常數(shù)，Xv表示參加第v個微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子聚合物的分子數(shù)，XW表示 水量，Μ表不高分子材料中高分子鏈的最大數(shù)目；
[0016] 將獲取的參加下一個所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)的所述高分子鏈映射到對應(yīng)的 元胞；
[0017] 其中，所述在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷 裂，并將所述高分子鏈斷裂結(jié)果耦合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)之前，還 包括：
[0018] 判斷所述對應(yīng)的元胞及其鄰居元胞中是否存在低聚體；
[0019] 若不存在低聚體，則參加所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子鏈μ的斷裂方式為 末端斷裂；
[0020] 若存在低聚體，則參加所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子鏈μ的斷裂方式為隨 機(jī)斷裂；
[0021] 其中，所述低聚體為高分子鏈斷裂產(chǎn)生的聚合度小于第一預(yù)定閾值的短鏈。
[0022] 進(jìn)一步地，所述元胞的狀態(tài)包括:無定型狀態(tài)、鏈斷裂狀態(tài)、孔洞狀態(tài)或結(jié)晶狀態(tài)；
[0023] 所述在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂，并將 所述高分子鏈斷裂結(jié)果耦合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)，包括：
[0024] 在所述對應(yīng)的元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得所述對應(yīng)的元胞中的高分 子鏈μ斷裂，并記錄所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)產(chǎn)生的所述對應(yīng)元胞中的鏈數(shù)變化，并將所 述鏈數(shù)變化的信息耦合到介觀的元胞上，更新元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)，其中，所述鏈數(shù)包括:高 分子鏈的數(shù)目及結(jié)晶鏈的數(shù)目。
[0025 ]進(jìn)一步地，所述記錄所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)產(chǎn)生的所述對應(yīng)元胞中的結(jié)晶鏈 的數(shù)目，包括：
[0026]獲取所述對應(yīng)元胞內(nèi)斷裂的高分子鏈的數(shù)目；
[0027] 將獲取的所述對應(yīng)元胞內(nèi)斷裂的高分子鏈總數(shù)與預(yù)定的概率相乘，得到元胞內(nèi)結(jié) 晶鏈的數(shù)目。
[0028] 進(jìn)一步地，所述得到元胞內(nèi)結(jié)晶鏈的鏈數(shù)之后，包括：
[0029] 若所述對應(yīng)元胞內(nèi)結(jié)晶鏈的數(shù)目與所述對應(yīng)元胞內(nèi)高分子鏈的數(shù)目的比值大于 第二預(yù)定閾值，則所述對應(yīng)元胞的狀態(tài)為結(jié)晶態(tài)。
[0030] 進(jìn)一步地，所述在宏觀上模擬所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散，包括：
[0031] 依據(jù)介觀到宏觀低聚體的擴(kuò)散方程獲取所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散量;其中， 所述擴(kuò)散方程表示為：
[0033] 式中，1^表示微觀高分子鏈降解反應(yīng)生成的低聚體的數(shù)目，Ccil表示低聚體濃度，D 表示擴(kuò)散系數(shù)；
[0034] 其中，所述介觀到宏觀低聚體的擴(kuò)散方程采用差分運(yùn)算，采用比元胞大若干倍數(shù) 的粗網(wǎng)格計(jì)算以保持連續(xù)性，且采用的時間步長大于蒙特卡洛方法采用的時間步長。
[0035]進(jìn)一步地，所述擴(kuò)散系數(shù)D表示為：
[0036] D = Dp+(l.3ε2-〇.3ε3) X (De-Dp)；
[0037] 其中，DP = D〇a-Xc)，DP表示低聚體在聚合物基質(zhì)內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，Do表示高分子聚合 物基質(zhì)無定型區(qū)域的擴(kuò)散系數(shù)，Xc表示結(jié)晶度;D E表示低聚體在孔洞中的擴(kuò)散系數(shù)，ε表示孔 隙率。
[0038]進(jìn)一步地，t時刻的孔隙率e(t)表示為：
[0042]其中，iKi, j，t) = l表示t時刻的元胞（i, j)狀態(tài)是孔洞，iKi, j，t) = 0表示t時刻的 元胞(i，j)狀態(tài)不是孔洞;Z(t)表示t時刻狀態(tài)為孔洞的元胞數(shù)目，η表示每一列或每一行網(wǎng) 格/元胞數(shù)目。
[0043] 進(jìn)一步地，所述根據(jù)獲取的所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散量及所述對應(yīng)元胞中小 分子的溶解量，反饋到介觀元胞，更新元胞的鏈數(shù)及分子量之后，包括：
[0044] 通過所有元胞計(jì)算平均分子量，得到高分子材料的分子量:
[0046] 其中，Mn〇是高分子材料的初始分子量，Mn(i , j , t)表示t時刻元胞(i , j)的分子量。
[0047] 本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：
[0048] 上述方案中，通過將宏觀上的可降解高分子材料離散為介觀的元胞;接著，在所述 元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂，并將所述高分子鏈斷裂結(jié) 果親合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù);還需進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)介觀到宏觀的親合， 在宏觀上模擬所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散及所述對應(yīng)元胞中小分子的溶解，并更新所述 對應(yīng)元胞的鏈數(shù)及分子量;最后，判斷是否滿足預(yù)設(shè)的終止條件，若不滿足預(yù)設(shè)的終止條 件，則進(jìn)入下一輪迭代繼續(xù)模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)直至滿足預(yù)設(shè)的終止條件。由此實(shí) 現(xiàn)微觀、介觀、宏觀三個不同尺度相耦合的建模，從而仿真可降解高分子材料真實(shí)的降解過 程、為可降解高分子材料的應(yīng)用提供支持。
【附圖說明】
[0049] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法的流 程圖；
[0050] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法的示意 圖；
[0051] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法的實(shí)施 流程圖；
[0052] 圖4(a)為本發(fā)明實(shí)施例二模擬降解過程在元胞初始形態(tài)示意圖；
[0053] 圖4(b)為本發(fā)明實(shí)施例二模擬降解過程在5周時元胞形態(tài)示意圖；
[0054]圖4(c)為本發(fā)明實(shí)施例二模擬降解過程在10周時元胞形態(tài)示意圖；
[0055]圖4(d)為本發(fā)明實(shí)施例二模擬降解過程在15周時元胞形態(tài)示意圖；
[0056]圖4(e)為本發(fā)明實(shí)施例二模擬降解過程在20周時元胞形態(tài)示意圖；
[0057]圖4(f)為本發(fā)明實(shí)施例二模擬降解過程在25周時元胞形態(tài)示意圖；
[0058]圖4(g)為本發(fā)明實(shí)施例二模擬降解過程在30周時元胞形態(tài)示意圖；
[0059] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例二模擬降解過程分子量隨時間的變化圖；
[0060] 圖6(a)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在元胞初始形態(tài)示意圖；
[0061]圖6(b)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在30天時元胞形態(tài)示意圖；
[0062]圖6(c)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在60天時元胞形態(tài)示意圖；
[0063]圖6(d)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在120天時元胞形態(tài)示意圖；
[0064]圖6(e)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在210天時元胞形態(tài)示意圖；
[0065]圖6(f)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在240天時元胞形態(tài)示意圖；
[0066]圖6(g)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在270天時元胞形態(tài)示意圖；
[0067]圖7(a)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程分子量隨時間變化示意圖；
[0068] 圖7(b)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程結(jié)晶度隨時間變化示意圖；
[0069] 圖8(a_l)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程分子量在元胞的原始分布示意圖；
[0070] 圖8(a-2)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程分子量原始分布密度示意圖；
[0071 ]圖8(b_l)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在120天時分子量在元胞的分布示意圖； [0072]圖8(b_2)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在120天時分子量分布密度示意圖； [0073]圖8(c_l)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在210天時分子量在元胞的分布示意圖； [0074]圖8(c_2)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在210天時分子量分布密度示意圖； [0075]圖8(d-l)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在300天時分子量在元胞的分布示意圖； [0076]圖8(d-2)為本發(fā)明實(shí)施例三模擬降解過程在300天時分子量分布密度示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0077]為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具 體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0078] 實(shí)施例一
[0079] 參看圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種可降解高分子材料降解過程的建模與仿 真方法，包括：
[0080] S1，將宏觀上的高分子材料離散為介觀的元胞，其中，每個元胞內(nèi)包括至少一條高 分子鏈；
[0081] 本發(fā)明實(shí)施例中，例如，可以將宏觀的高分子材料以元胞自動機(jī)方法離散為η Xn 個介觀的元胞/網(wǎng)格，如圖2所示，建立高分子材料的介觀模型，每個元胞內(nèi)包括至少一條高 分子鏈，其中，η表示每一列或每一行的網(wǎng)格數(shù)目，每個網(wǎng)格代表一個元胞，位于第i行第j列 的元胞可以表示為(i，j )，網(wǎng)格劃分的越細(xì)，尺度便越小，計(jì)算量也越大。劃分好的元胞通過 元胞含有的物理、化學(xué)機(jī)制而構(gòu)成動態(tài)/迭代演化系統(tǒng)，其中，所述動態(tài)演化系統(tǒng)具有如下 幾個要素：
[0082] (1)元胞
[0083]元胞是這個動態(tài)演化系統(tǒng)的基本單元，每個元胞都有自己的狀態(tài)，所有元胞可能 出現(xiàn)的狀態(tài)構(gòu)成的集合稱為元胞狀態(tài)空間。每個元胞含有的物理、化學(xué)量構(gòu)成元胞的屬性， 元胞離散的分布在線性，平面或空間維度上，根據(jù)鄰居元胞的狀態(tài)和預(yù)定的轉(zhuǎn)化規(guī)則在離 散的時間距離上進(jìn)行狀態(tài)變化。
[0084] (2)元胞狀態(tài)
[0085] -般情況下，在真實(shí)的計(jì)算模擬應(yīng)用中，元胞狀態(tài)被定義為一個整數(shù)形式的離散 集...，1^上}，其中v是所有可能出現(xiàn)的狀態(tài)數(shù)。每一個k v都有一個被映射的現(xiàn)實(shí) 意義。例如，本發(fā)明實(shí)施例中元胞演化過程出現(xiàn)4個狀態(tài)，例如，狀態(tài)"?？梢源砀叻肿硬?料中未降解的無定型區(qū)域，狀態(tài)"〇"可以表示元胞中發(fā)生了鏈斷裂反應(yīng)，狀態(tài)"-?？梢源?高分子材料中短鏈的擴(kuò)散而形成了孔，狀態(tài)"_2"可以代表高分子材料中的結(jié)晶區(qū)域，以X代 表元胞(i，j)在t時刻的狀態(tài)，可以表示為：
[0087] (3)元胞空間及元胞鄰居
[0088]元胞空間是指將元胞以網(wǎng)點(diǎn)的形式排列在線性，平面或三維歐幾里德空間之上所 形成的集合。自身元胞的周圍稱為元胞鄰居，常見的，如4鄰居結(jié)構(gòu)、8鄰居結(jié)構(gòu)等，優(yōu)選地， 本發(fā)明實(shí)施例采用4鄰居結(jié)構(gòu)進(jìn)行演化迭代。
[0089] (4)元胞屬性
[0090]元胞的動態(tài)演化系統(tǒng)中的物理、化學(xué)過程的演化是整個建模與仿真方法的核心。 本發(fā)明實(shí)施例在元胞自動機(jī)方法的基礎(chǔ)上引入了元胞所具有的物理、化學(xué)屬性來參與元胞 的動態(tài)演化過程，以此來反應(yīng)真實(shí)降解過程中的物理、化學(xué)變化，使得仿真結(jié)果更為可靠； 本發(fā)明實(shí)施例中將元胞所含有的物理、化學(xué)參量稱為元胞屬性。所述元胞屬性包括:每個元 胞具有的分子量Mn(i，j，t)、鏈數(shù)N( i，j，t)，所有元胞結(jié)晶態(tài)統(tǒng)計(jì)的結(jié)晶度X。(t)，其中，元胞 各時刻的鏈數(shù)可以統(tǒng)計(jì)出降解過程各時刻的兀胞分子量及其分布。
[0091] (5)轉(zhuǎn)換規(guī)則
[0092] 轉(zhuǎn)換規(guī)則是指根據(jù)當(dāng)前時刻自身元胞及其鄰居元胞的演化情況來推算下一時刻 的元胞演化過程的規(guī)則;此處轉(zhuǎn)換規(guī)則是結(jié)合元胞演化過程中物理與化學(xué)屬性的變化而制 定的，其中，指定的轉(zhuǎn)化規(guī)則可以為：
[0093] a)元胞初始無定型區(qū)域的狀態(tài)設(shè)為"Γ，結(jié)晶區(qū)域的狀態(tài)設(shè)為"_2" ；
[0094] b)元胞內(nèi)有鏈斷裂化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，該元胞狀態(tài)改為"0" ；
[0095] c)如果一個元胞內(nèi)鏈結(jié)晶的程度大于90%，則該元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)"_2" ；
[0096] d)如果該元胞的重量損失至不足原始重量的40%，認(rèn)為該元胞轉(zhuǎn)變?yōu)榭锥磻B(tài) 1"。
[0097] S2,在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂，并將 所述高分子鏈斷裂結(jié)果耦合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)；
[0098] S3,在宏觀上模擬所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散及所述對應(yīng)元胞中小分子的溶解 產(chǎn)生的重量損失，并更新所述對應(yīng)元胞的鏈數(shù)及分子量；
[0099] 本發(fā)明實(shí)施例中，通過研究表明，在降解過程中，高分子材料的重量損失不僅由于 元胞中低聚體的擴(kuò)散引起的，還可以由高分子鏈斷裂形成的小分子溶解導(dǎo)致的;其中，所述 小分子是指高分子鏈斷裂形成的聚合度小于預(yù)設(shè)的臨界值的短鏈。
[0100] S4,返回S2,進(jìn)入下一輪迭代繼續(xù)模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)直至滿足預(yù)設(shè)的終 止條件。
[0101] 本發(fā)明實(shí)施例所述的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法，通過將宏觀 上的可降解高分子材料離散為介觀的元胞;接著，在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反 應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂，并將所述高分子鏈斷裂結(jié)果耦合到對應(yīng)的元胞上，改變對 應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù);還需進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)介觀到宏觀的親合，在宏觀上模擬所述對應(yīng)元胞中 低聚體的擴(kuò)散及所述對應(yīng)元胞中小分子的溶解產(chǎn)生的重量損失，并更新所述對應(yīng)元胞的鏈 數(shù)及分子量;最后，判斷是否滿足預(yù)設(shè)的終止條件，若不滿足預(yù)設(shè)的終止條件，則進(jìn)入下一 輪迭代繼續(xù)模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)直至滿足預(yù)設(shè)的終止條件。由此實(shí)現(xiàn)微觀、介觀、宏 觀三個不同尺度相耦合的建模，從而仿真可降解高分子材料真實(shí)的降解過程、為可降解高 分子材料的應(yīng)用提供支持。
[0102] 在前述可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法的【具體實(shí)施方式】中，進(jìn)一步 地，所述在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂，并將所述 高分子鏈斷裂結(jié)果親合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)之前，包括：
[0103] 采用蒙特卡洛方法，通過隨機(jī)數(shù)r#Pr2隨機(jī)獲取下一個所述微觀高分子鏈降解反 應(yīng)的時刻At及參加所述下一個微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子鏈：

[0106] 式中，ri、r2屬于(0,1]
中av = JivXvXw，jtv表示參加第v個微觀高分子鏈降解反 應(yīng)的速率常數(shù)，Xv表示參加第v個微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子聚合物的分子數(shù)，XW表示 水量，Μ表不高分子材料中高分子鏈的最大數(shù)目；
[0107] 將獲取的參加下一個所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)的所述高分子鏈映射到對應(yīng)的 元胞。
[0108] 本發(fā)明實(shí)施例中，在介觀尺度的每個元胞內(nèi)，假設(shè)有一條或多條高分子鏈，高分子 鏈的降解反應(yīng)可以以水解反應(yīng)為例，水解反應(yīng)是二級反應(yīng)，即水分子攻擊高分子鏈，使得高 分子長鏈斷裂為較短的短鏈，發(fā)生在鏈尺度的模擬屬于微觀尺度的建模;其中，高分子鏈水 解反應(yīng)的反應(yīng)式可以表示為：
[0109] P2+ff^2Pi
[0110] P3+ff^Pi+P2
[0111] ···
[0112] Pn+W-Pn-r+Pr (r = 1，2，…，N-1)
[0113] 式中，W代表水分子，P2，P3，…，PN代表聚合度為2，3，…，N的高分子聚合物。
[0114] 本發(fā)明實(shí)施例中，以水解反應(yīng)為例，高分子鏈在何時斷裂及哪條高分子鏈會被水 分子攻擊而斷裂是一個隨機(jī)性問題，對這個隨機(jī)性問題可以采用蒙特卡洛方法獲取下一個 水解反應(yīng)的時刻At及參加所述下一個水解反應(yīng)的高分子鏈μ，并將將獲取的參加下一個水 解反應(yīng)的所述高分子鏈映射到對應(yīng)的元胞，其中，At和μ滿足：
[0117] 式中，ri、r2屬于(0,1]的隨機(jī)數(shù)，
中av = JivXvXw，jtv表示參加第v個水解反應(yīng)的 速率常數(shù)，Xv表不參加第v個水解反應(yīng)的高分子聚合物的分子數(shù)，Xw表不水量，假設(shè)水量是充 足的，Μ表不高分子材料中高分子鏈的最大數(shù)目；
[0118] 在前述可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法的【具體實(shí)施方式】中，進(jìn)一步 地，所述在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂，并將所述 高分子鏈斷裂結(jié)果親合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)之前，還包括：
[0119] 判斷所述對應(yīng)的元胞及其鄰居元胞中是否存在低聚體；
[0120] 若不存在低聚體，則參加所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子鏈μ的斷裂方式為 末端斷裂；
[0121] 若存在低聚體，則參加所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子鏈μ的斷裂方式為隨 機(jī)斷裂；
[0122] 其中，所述低聚體為高分子鏈斷裂產(chǎn)生的聚合度小于第一預(yù)定閾值的短鏈。
[0123] 本發(fā)明實(shí)施例中，在微觀尺度，可以采用蒙特卡洛方法，獲取下一個所述微觀高分 子鏈降解反應(yīng)的時刻及參加所述下一個微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子鏈，但是不能確定 高分子鏈斷裂方式(例如，所述高分子鏈的斷裂方式包括:隨機(jī)斷裂或末端斷裂），也就是沒 有考慮降解過程的自催化反應(yīng)。而實(shí)際上高分子鏈的斷裂方式是決定降解速率的關(guān)鍵因 素，在降解過程高分子鏈斷裂產(chǎn)生的短鏈聚集會引起微環(huán)境酸性，酸性環(huán)境會促進(jìn)水解的 進(jìn)一步反應(yīng)，因而出現(xiàn)降解過程的自催化反應(yīng)，這也是尺寸大的器件反而降解快的原因。
[0124] 本發(fā)明實(shí)施例中，每個元胞的高分子鏈及斷裂產(chǎn)生的新鏈(包括低聚體，其中，所 述低聚體為高分子鏈斷裂產(chǎn)生的聚合度小于第一預(yù)定閾值的短鏈，所述第一預(yù)定閾值可以 為8)都可以通過元胞對應(yīng)的可變數(shù)組進(jìn)行存儲記錄，每次的高分子鏈斷裂都對應(yīng)于各元 胞，從而實(shí)現(xiàn)介觀尺度與微觀尺度的耦合。根據(jù)所述介觀尺度與微觀尺度的耦合，還可以判 定高分子鏈的斷裂方式，具體的，各元胞記錄了隨著降解反應(yīng)過程而不斷變化的鏈數(shù)，例 如，記錄降解反應(yīng)過程中產(chǎn)生的低聚體，這就等于記錄了介觀構(gòu)造的微環(huán)境，可以根據(jù)所述 介觀構(gòu)造的微環(huán)境來決定是否發(fā)生自催化反應(yīng)。具體的，當(dāng)某條高分子鏈被選出將發(fā)生降 解反應(yīng)時，以該高分子鏈對應(yīng)的自身元胞及其鄰居元胞中是否有低聚體作為是否發(fā)生自催 化反應(yīng)的判斷依據(jù)，若有低聚體，則說明沒有自催化反應(yīng)，該高分子鏈發(fā)生隨機(jī)斷裂;若沒 有低聚體，則說明有自催化反應(yīng)，該高分子鏈發(fā)生末端斷裂。
[0125] 在前述可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法的【具體實(shí)施方式】中，進(jìn)一步 地，所述在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂，并將所述 高分子鏈斷裂結(jié)果親合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)，包括：
[0126] 在所述對應(yīng)的元胞上模擬所述對應(yīng)的元胞中的高分子鏈μ的微觀斷裂，并記錄所 述微觀高分子鏈降解反應(yīng)產(chǎn)生的所述對應(yīng)元胞中的鏈數(shù)變化，并將所述鏈數(shù)變化的信息耦 合到介觀的元胞上，對所述對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)進(jìn)行更新，其中，所述鏈數(shù)包括:高分子 鏈的數(shù)目及結(jié)晶鏈的數(shù)目。
[0127] 進(jìn)一步地，所述記錄所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)產(chǎn)生的所述對應(yīng)元胞中的結(jié)晶鏈 的數(shù)目，包括:獲取所述對應(yīng)元胞內(nèi)斷裂的高分子鏈的數(shù)目；將獲取的所述對應(yīng)元胞內(nèi)斷裂 的高分子鏈總數(shù)與預(yù)定的概率相乘，得到元胞內(nèi)結(jié)晶鏈的數(shù)目。
[0128] 本發(fā)明實(shí)施例中，隨著高分子鏈斷裂，導(dǎo)致了一些由高分子鏈斷裂而引起的結(jié)晶， 可以采用一個預(yù)定的概率Ρ獲取結(jié)晶的鏈數(shù)，例如，所述對應(yīng)元胞內(nèi)斷裂的高分子鏈鏈總數(shù) 為Rs，所述對應(yīng)元胞內(nèi)結(jié)晶鏈的數(shù)目為Ν。，則Rs和Ν。滿足:N。= pRs。
[0129] 本發(fā)明實(shí)施例中，在微觀尺度上記錄每個元胞內(nèi)隨降解反應(yīng)而不斷變化的鏈數(shù) (所述鏈數(shù)包括:高分子鏈數(shù)、結(jié)晶鏈數(shù)），并根據(jù)微觀尺度的鏈數(shù)計(jì)算，介觀模型可以獲得 各元胞的分子量、結(jié)晶度等元胞屬性，及推演出元胞的狀態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)介觀尺度與微觀 尺度的耦合。
[0130] 在前述可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法的【具體實(shí)施方式】中，進(jìn)一步 地，所述得到元胞內(nèi)結(jié)晶鏈的鏈數(shù)之后，包括：
[0131]若所述對應(yīng)元胞內(nèi)結(jié)晶鏈的數(shù)目與所述對應(yīng)元胞內(nèi)高分子鏈的數(shù)目的比值大于 第二預(yù)定閾值，則所述對應(yīng)元胞的狀態(tài)為結(jié)晶態(tài)。
[0132] 本發(fā)明實(shí)施例中，可以根據(jù)處于結(jié)晶態(tài)元胞的數(shù)目算出結(jié)晶度Xc。
[0133] 在前述可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法的【具體實(shí)施方式】中，進(jìn)一步 地，所述在宏觀上模擬所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散，包括：
[0134]依據(jù)介觀到宏觀低聚體的擴(kuò)散方程獲取所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散量;其中， 所述擴(kuò)散方程表示為：
[0136] 式中，1^表示微觀高分子鏈降解反應(yīng)生成的低聚體的數(shù)目，Ccil表示低聚體濃度，D 表示擴(kuò)散系數(shù)；
[0137] 其中，所述介觀到宏觀低聚體的擴(kuò)散方程采用差分運(yùn)算，且采用的時間步長大于 蒙特卡洛方法采用的時間步長。
[0138] 本發(fā)明實(shí)施例中，隨著低聚體的聚集形成濃度差，低聚體會按照Fick第二定律向 高分子材料外擴(kuò)散，其中，所述Fick第二定律的擴(kuò)散方程作為介觀到宏觀低聚體的擴(kuò)散方 程，可以表示為：
[0141] 式中，Nk(t)是在t時刻元胞(i，j)記錄的聚合度小于m的低聚體(例如，m = 8) ;R〇i表 示微觀高分子鏈降解反應(yīng)生成的低聚體的數(shù)目，Ccil表示低聚體濃度，D表示擴(kuò)散系數(shù)。
[0142] 本發(fā)明實(shí)施例中，根據(jù)所述擴(kuò)散方程可以計(jì)算出擴(kuò)散以后高分子材料中的低聚體 數(shù)目，所述擴(kuò)散方程的計(jì)算采用差分運(yùn)算，可以將若干元胞合并成一組，將原來的網(wǎng)格劃分 變粗，以粗網(wǎng)格來防止連續(xù)擴(kuò)散方程求解中出現(xiàn)不連續(xù)的問題，例如，元胞內(nèi)出現(xiàn)孔洞導(dǎo)致 的不連續(xù)問題。
[0143] 本發(fā)明實(shí)施例中，擴(kuò)散方程的計(jì)算與蒙特卡洛方法的計(jì)算采用異步的方法進(jìn)行， 具體的，所述擴(kuò)散方程的時間步長要大于蒙特卡洛方法的時間步長，這樣，能夠在保證計(jì)算 精度的情況下，減少計(jì)算量。
[0144] 本發(fā)明實(shí)施例中，通過擴(kuò)散的低聚體與溶解的小分子導(dǎo)致高分子材料內(nèi)剩余的低 聚體數(shù)目記為R〇i(t+l)，將此新的Rca(t+1)反饋給各個元胞，使得各元胞的鏈數(shù)N(i，j，t+1) 和重量損失得以更新，以便進(jìn)行下一時刻At選哪條高分子鏈進(jìn)行微觀高分子鏈降解反應(yīng)。 至此，宏觀、介觀、微觀三個尺度的反應(yīng)相互耦合，共同揭示高分子材料降解過程的機(jī)理。
[0145] 在前述可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法的【具體實(shí)施方式】中，進(jìn)一步 地，所述擴(kuò)散系數(shù)D表示為：
[0146] D = Dp+(l.3ε2-〇.3ε3) X (De-Dp)；
[0147]其中，Dp = Do(l_Xc)，Dp表不低聚體在聚合物基質(zhì)內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，Do表不高分子聚合 物基質(zhì)無定型區(qū)域的擴(kuò)散系數(shù)，Xc表示結(jié)晶度;DE表示低聚體在孔洞中的擴(kuò)散系數(shù)，ε表示孔 隙率。
[0148] 本發(fā)明實(shí)施例中，可以根據(jù)處于結(jié)晶態(tài)元胞的數(shù)目算出結(jié)晶度Xc;
[0149] 在前述可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法的【具體實(shí)施方式】中，進(jìn)一步 地，t時刻的孔隙率Kt)表示為：
[0153] 其中，iKi, j，t) = l表示t時刻的元胞(i, j)狀態(tài)是孔洞，iKi, j，t) = 0表示t時刻的 元胞(i，j)狀態(tài)不是孔洞;Z(t)表示t時刻狀態(tài)為孔洞的元胞數(shù)目，n表示每一列或每一行網(wǎng) 格/元胞數(shù)目。
[0154] 在前述可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法的【具體實(shí)施方式】中，進(jìn)一步 地，所述根據(jù)獲取的所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散量及所述對應(yīng)元胞中小分子的溶解量， 更新元胞的鏈數(shù)及分子量之后，可以進(jìn)行下一次微觀鏈斷反應(yīng)、結(jié)晶等計(jì)算，以模擬高分子 材料的降解過程，包括：
[0155] 根據(jù)介觀模型得到各元胞的分子量Mn(i，j，t)，通過所有元胞計(jì)算平均分子量，得 到高分子材料的分子量#?(0 :
[0157] 其中，Mn〇是高分子材料的初始分子量，Mn(i，j，t)表示t時刻元胞(i，j)的分子量。
[0158] 實(shí)施例二
[0159] 本發(fā)明實(shí)施例中，將可降解高分子聚合物聚乳酸(PDLLA)制成的2mm盤置于磷酸鹽 緩釋液(pH 7.4,37°C)中，利用本發(fā)明實(shí)施例提供的可降解高分子材料降解過程的建模與 仿真方法對所述盤的降解過程進(jìn)行仿真；其中，所述盤的初始數(shù)均分子量(MnQ)為2.883 X 105g/mol，參加第1個微觀高分子鏈降解反應(yīng)的速率
，D〇 = 2 X 10 - 91112/\￥661^，0￡ = 1000\0()，每一列或每一行網(wǎng)格/元胞數(shù)目11=1000。執(zhí)行圖3所示的流 程圖，圖3中，ts為蒙特卡洛方法采用的時間步長，Atd為擴(kuò)散方程采用的時間步長，此實(shí)施 例中結(jié)晶現(xiàn)象不明顯，忽略結(jié)晶，執(zhí)行步驟可以簡化為：
[0160] 1)初始化:初始化每個元胞的鏈數(shù)與分子量(按正態(tài)分布），每一個元胞代表一條 單獨(dú)的高分子鏈，元胞狀態(tài)均設(shè)為無定型狀態(tài)(以1」）=1)，令1 = 0，并設(shè)置反應(yīng)的總時間 Ttotal ；
[0161] 2)確定下一個微觀高分子鏈降解反應(yīng)的時刻△ t及參加所述下一個微觀高分子鏈 降解反應(yīng)的高分子鏈μ;
[0162] 3)將參加所述下一個微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子鏈μ映射到元胞(i，j);
[0163] 4)元胞(i，j)發(fā)生高分子鏈斷裂，計(jì)算元胞(i，j)鏈數(shù)，并更新元胞(i，j)狀態(tài)
[0164] 5)計(jì)算元胞中低聚體的擴(kuò)散量，小分子的溶解量，并更新元胞鏈數(shù)及分子量；
[0165] 6)更新時間t = t+ Δ td，如果1:〈1'1；。1；31，返回步驟2，否則結(jié)束。
[0166]本發(fā)明實(shí)施例中，圖4(a)-圖4(g)為模擬盤降解過程中元胞狀態(tài)隨時間變化的示 意圖，圖5為模擬盤降解過程中元胞分子量隨時間變化的示意圖，根據(jù)模擬結(jié)果與真實(shí)實(shí)驗(yàn) 值比對可知，本發(fā)明實(shí)施例提供的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法模擬盤的 降解過程是正確可行的。
[0167] 實(shí)施例三
[0168] 本發(fā)明實(shí)施例中，對可降解高分子聚合物PLLA在磷酸鹽緩沖液(pH 7.4，37°C )中 的降解實(shí)驗(yàn)為例，利用本發(fā)明實(shí)施例提供的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法 對所述聚乳酸的降解過程進(jìn)行仿真。其中，初始數(shù)據(jù)和計(jì)算參數(shù)為：單體分子量Mo = 72g/ 111〇1具()=2.003\1(^/111〇1，初始結(jié)晶度乂。() = 0.448，參加第1個微觀高分子鏈降解反應(yīng)的
，第一預(yù)定閾值m = 8,每一列或每一行網(wǎng)格/元胞數(shù)目n = 1000，預(yù)定的概率p = 0.01。
[0169] 本發(fā)明實(shí)施例中，執(zhí)行圖3的流程，圖6(a)-圖6(g)為模擬聚乳酸降解過程中元胞 狀態(tài)隨時間變化的示意圖；圖7(a)-圖7(b)為模擬聚乳酸降解過程中分子量和結(jié)晶度隨時 間變化的示意圖，圖8(a-l)_圖8(d-2)為模擬聚乳酸降解過程中分子量的分布示意圖。在圖 6(a)-圖6(g)中，對于1000X1000如此多的元胞難以顯示具體的演化，可以采用局部區(qū)域放 大的辦法顯示。并采用不同的顏色表征元胞降解過程中出現(xiàn)的不同狀態(tài)，其中，綠色表示初 始的無定型狀態(tài)(x(i，j，〇) = l)，藍(lán)色表示元胞的鏈有鏈斷裂狀態(tài)(x(i，j，t)=〇)，黑色表 示元胞出現(xiàn)孔洞狀態(tài)(x(i，j，t)=-l)，粉色表示元胞出現(xiàn)結(jié)晶狀態(tài)(X(i，j，t) = -2)。執(zhí)行 圖3的流程得到的分子量和結(jié)晶度與真實(shí)實(shí)驗(yàn)值對比圖見圖7(a)-圖7(b)，圖7(a)-圖7(b) 表明模擬仿真結(jié)果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)值相吻合，計(jì)算準(zhǔn)確度高。由本發(fā)明實(shí)施例提供的可降解高 分子材料降解過程的建模與仿真方法可以得到任何時刻的分子量分布（如圖8(a-l)_圖8 (d-2))和云胞狀態(tài)變化(如圖6(a)-圖6(g))，這是真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的實(shí)驗(yàn)量。
[0170]以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也 應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法，其特征在于，包括： S1，將宏觀上的高分子材料離散為介觀的元胞，其中，每個元胞內(nèi)包括至少一條高分子 鏈； 52, 在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂、結(jié)晶，并將 所述高分子鏈斷裂、結(jié)晶結(jié)果耦合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)； 53, 在宏觀上模擬所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散及所述對應(yīng)元胞中小分子的溶解，并 更新所述對應(yīng)元胞的鏈數(shù)及分子量； S4，返回S2，進(jìn)入下一輪迭代繼續(xù)模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)直至滿足預(yù)設(shè)的終止條 件。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法，其特征在于， 所述在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂，并將所述高分 子鏈斷裂結(jié)果親合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)之前，包括： 采用蒙特卡洛方法，通過隨機(jī)數(shù)r#Pr2隨機(jī)獲取下一個所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)的 時刻At及參加所述下一個微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子鏈μ:式中，ri、r2屬于(0,1]，之《中av = JivXvXw，jiv表示參加第ν個微觀高分子鏈降解反應(yīng)的 速率常數(shù)，Xv表不參加第V個微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子聚合物的分子數(shù)，Xw表不水量， Μ表不高分子材料中高分子鏈的最大數(shù)目； 將獲取的參加下一個所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)的所述高分子鏈映射到對應(yīng)的元胞； 其中，所述在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂，并 將所述高分子鏈斷裂結(jié)果耦合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)之前，還包括： 判斷所述對應(yīng)的元胞及其鄰居元胞中是否存在低聚體； 若不存在低聚體，則參加所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子鏈μ的斷裂方式為末端 斷裂； 若存在低聚體，則參加所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)的高分子鏈μ的斷裂方式為隨機(jī)斷 裂； 其中，所述低聚體為高分子鏈斷裂產(chǎn)生的聚合度小于第一預(yù)定閾值的短鏈。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法，其特征在于， 所述元胞的狀態(tài)包括:無定型狀態(tài)、鏈斷裂狀態(tài)、孔洞狀態(tài)或結(jié)晶狀態(tài)； 所述在所述元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得元胞中的高分子鏈斷裂，并將所述 高分子鏈斷裂結(jié)果親合到對應(yīng)的元胞上，改變對應(yīng)元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)，包括： 在所述對應(yīng)的元胞上模擬微觀高分子鏈降解反應(yīng)使得所述對應(yīng)的元胞中的高分子鏈μ 斷裂，并記錄所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)產(chǎn)生的所述對應(yīng)元胞中的鏈數(shù)變化，并將所述鏈 數(shù)變化的信息耦合到介觀的元胞上，更新元胞的狀態(tài)和鏈數(shù)，其中，所述鏈數(shù)包括:高分子 鏈的數(shù)目及結(jié)晶鏈的數(shù)目。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法，其特征在于， 所述記錄所述微觀高分子鏈降解反應(yīng)產(chǎn)生的所述對應(yīng)元胞中的結(jié)晶鏈的數(shù)目，包括： 獲取所述對應(yīng)元胞內(nèi)斷裂的高分子鏈的數(shù)目； 將獲取的所述對應(yīng)元胞內(nèi)斷裂的高分子鏈總數(shù)與預(yù)定的概率相乘，得到元胞內(nèi)結(jié)晶鏈 的數(shù)目。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法，其特征在于， 所述得到元胞內(nèi)結(jié)晶鏈的鏈數(shù)之后，包括： 若所述對應(yīng)元胞內(nèi)結(jié)晶鏈的數(shù)目與所述對應(yīng)元胞內(nèi)高分子鏈的數(shù)目的比值大于第二 預(yù)定閾值，則所述對應(yīng)元胞的狀態(tài)為結(jié)晶態(tài)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法，其特征在于， 所述在宏觀上模擬所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散，包括： 依據(jù)介觀到宏觀低聚體的擴(kuò)散方程獲取所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散量;其中，所述 擴(kuò)散方程表不為：式中，Roi表示微觀高分子鏈降解反應(yīng)生成的低聚體的數(shù)目，Col表示低聚體濃度，D表示 擴(kuò)散系數(shù)； 其中，所述介觀到宏觀低聚體的擴(kuò)散方程采用差分運(yùn)算，采用比元胞大若干倍數(shù)的粗 網(wǎng)格計(jì)算以保持連續(xù)性，且采用的時間步長大于蒙特卡洛方法采用的時間步長。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法，其特征在于， 所述擴(kuò)散系數(shù)D表示為： D = Dp+(1.3e2-〇.3e3)X (De-Dp)； 其中，Dp = Do(l_Xc)，Dp表不低聚體在聚合物基質(zhì)內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，Do表不高分子聚合物基 質(zhì)無定型區(qū)域的擴(kuò)散系數(shù)，Xc表示結(jié)晶度;DE表示低聚體在孔洞中的擴(kuò)散系數(shù)，ε表示孔隙 率。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法，其特征在于， t時刻的孔隙率e(t)表示為：其中，(6(1, j，t) = l表示t時刻的元胞（i，j)狀態(tài)是孔洞，φ(?，j，t)=〇表示t時刻的元胞 (i，j)狀態(tài)不是孔洞;Z(t)表示t時刻狀態(tài)為孔洞的元胞數(shù)目，η表示每一列或每一行網(wǎng)格/ 元胞數(shù)目。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降解高分子材料降解過程的建模與仿真方法，其特征在于， 所述根據(jù)獲取的所述對應(yīng)元胞中低聚體的擴(kuò)散量及所述對應(yīng)元胞中小分子的溶解量，反饋 到介觀元胞，更新元胞的鏈數(shù)及分子量之后，包括： 通過所有元胞計(jì)算平均分子量，得到高分子材料的分子量&η(?>:其中，Μη〇是高分子材料的初始分子量，Mn(i，j，t)表示t時刻元胞(i，j )的分子量。
【文檔編號】G06F19/00GK105868563SQ201610204070
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】張?zhí)壹t, 高曉浩, 周紹楠, 楊智勇, 張德政, 謝永紅, 孫義, 阿孜古麗, 吳鑫泉
【申請人】北京科技大學(xué)