一种聚合物降解过程模拟与强度计算方法技术

本发明专利技术公开了一种聚合物降解过程模拟与强度计算方法，该方法包括：对状态相图中的阻塞无定型相和阻塞孔相这两种结构模式进行识别，并计算出阻塞比；基于结构模式特征，实现聚合物降解过程的扩散模拟；对强度相图中的无定型岛、结晶岛以及强度空洞这三种强度模式进行识别，并分别计算出环绕比、区域面积和密集程度；基于强度模式特征，计算出不同强度状态的元胞对应的强度值；计算出聚合物材料的总强度。本发明专利技术的方法为高分子可降解聚合物的精准化医疗临床设备在力学性能方面的优化设计提供了数值依据，适用于可降解高分子设备的不同应用领域。应用领域。应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物降解过程模拟与强度计算方法


[0001]本专利技术涉及可降解高分子材料降解过程分析
，特别涉及一种聚合物降解过程模拟与强度计算方法。

技术介绍

[0002]生物可降解材料由于其独特的降解特性在医学日益成熟的今天逐渐受到研究人员的重视，典型的生物可降解材料有PLA(聚乳酸)、PGA(聚乙醇酸)、PLLA(左旋聚乳酸)，应用包括组织工程支架、药物递送系统和冠状动脉支架等。理想的可降解高分子降解物可以配合组织生长，帮助其恢复心脑血管。这使得降解机理的发现和降解过程的定量跟踪显得尤为重要。一些关于降解机理的研究表明，随着水渗入装置，发生水解反应，导致长链断裂为短链和低聚物，短链在装置中具有额外的流动性，断裂产生的醇和酸使局部酸性环境，局部酸性环境加速了反应速率，导致自催化降解，同时聚合物在断裂过程中发生再结晶。如果存在填充高迁移率短链的路径，低聚物可以在聚合物外扩散。因此，这些可生物吸附聚合物的降解是一个复杂的过程，包括聚合物断链、断链诱导结晶、低聚物扩散、自催化水解反应和空穴形成。
[0003]为了模拟降解过程，目前已经提出了各种聚合物降解模型。蒙特卡罗随机性是由Siepmann等人提出的。元胞自动机方法被Zyourakis等人提出用于模拟低聚物的释放。Pan等人提出了生物降解聚合物的反应
‑
扩散模型。此外，Han和Pan提出了一个双尺度模型，蒙特卡罗方法用于模拟短链断裂，低聚物扩散由宏观扩散方程模拟。Zhang等人提出了一个多尺度MS
‑
CMCA模型，基于此又提出了聚酯降解过程的强度模型，提出了一种强度相位图像特征识别NNBE(Near Neighbor Boundary Expand Method)算法，探讨了不同尺寸和分布的无定型相，结晶相和空相区域对强度的影响。以上方法将低聚体在材料内部扩散的过程认为是均匀的，但实际上扩散系数会根据内部结构模式的变化发生变化，当低聚体周围有结晶的时候，低聚体的扩散便会被抑制，当低聚体被结晶包裹住，其扩散就会消失。在计算强度的时候，当结晶或者无定型相周围有强度空相接触时，其强度便会降低，当周围被强度空相包围时，其强度便会消失，因此，现有技术不能准确分析降解过程，所以关注可降解材料内部各种特征模式可以用有助于深入理解降解的过程，对降解的研究对材料的调控有着重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种聚合物降解过程模拟与强度计算方法，以解决现有技术对可降解高分子材料降解过程的模拟分析不够客观准确的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：
[0006]一方面，本专利技术提供一种了聚合物降解过程模拟与强度计算方法，包括：
[0007]将待模拟计算的聚合物材料利用元胞自动机划分为多个元胞；
[0008]获取不同时刻下的状态相图，判断出每一元胞的状态，基于每一元胞的状态对所
述状态相图中的阻塞无定型相和阻塞孔相这两种结构模式进行识别，并分别计算出所识别出的阻塞无定型相以及阻塞孔相各自所对应的阻塞比；
[0009]基于结构模式的识别结果和识别出的每一结构模式的阻塞比，执行每个元胞向周围元胞的扩散过程，以实现聚合物降解过程的扩散模拟；
[0010]获取不同时刻下的强度相图，判断出每一元胞的强度状态，基于每一元胞的强度状态对所述强度相图中的无定型岛、结晶岛和强度空洞这三种强度模式进行识别，并分别计算出所识别出的无定型岛和结晶岛各自所对应的环绕比、区域面积和密集程度，以及所识别出的强度空洞所对应的区域面积和密集程度；
[0011]基于强度模式的识别结果和每一结构模式对应的环绕比、区域面积和密集程度，计算出不同强度状态的元胞对应的强度值；
[0012]基于不同强度状态的元胞的强度值，计算出聚合物材料的总强度。
[0013]进一步地，所述阻塞无定型相指的是周围有结晶包围的一块无定型相区域；
[0014]所述阻塞孔相指的是周围有结晶包围的一块孔洞相区域。
[0015]进一步地，所述阻塞无定型相的阻塞比R
a
通过下式计算：
[0016][0017]其中，N
ca
是结晶相和无定型相接触的长度，N
a
是无定型相的周长。
[0018]进一步地，所述阻塞孔相的阻塞比R
h
通过下式计算：
[0019][0020]其中，N
ch
是结晶相和孔洞相接触的长度，N
h
是孔洞相的周长。
[0021]进一步地，基于结构模式的识别结果和识别出的每一结构模式的阻塞比，执行每个元胞向周围元胞的扩散过程，实现聚合物降解过程的扩散模拟，包括：
[0022]根据结构模式的识别结果和识别出的每一结构模式的阻塞比，使用更新的扩散系数，计算对应结构模式下对应元胞的扩散系数；其中，对于与状态相图边缘接触的阻塞孔相，将其中所有的元胞扩散系数设置为0；
[0023]根据对应元胞的扩散系数，执行每个元胞向周围元胞的扩散过程。
[0024]进一步地，所述使用更新的扩散系数，计算对应结构模式下对应元胞的扩散系数，包括：
[0025]根据识别出来的阻塞无定型相和阻塞孔相，进行一定区域内属于这两种结构模式的元胞的扩散系数的更新，更新公式为：
[0026]D＝R
a
·
D
p
+R
h
·
D
ε
[0027]其中，D为更新后的扩散系数；D
p
为无定型相中的初始扩散系数，D
ε
为孔洞相中的初始扩散系数，R
a
为阻塞无定型相的阻塞比，Rh为阻塞孔相的阻塞比；
[0028]计算短链的扩散公式为：
[0029][0030]其中，C
ol
为一定区域内低短链浓度；R
ol
为一定区域元胞中的低聚体数；t表示时
间，div()为散度，D为扩散系数，grad()为梯度。
[0031]进一步地，所述无定型岛指的是周围有结晶相和强度空相包围的一块无定型相的区域；
[0032]所述结晶岛指的是周围有强度空相包围的一块结晶区域；
[0033]所述强度空洞指的是一整块内部相互连通的强度空相组成的区域。
[0034]进一步地，所述无定型岛的环绕比R
sa
通过下式计算：
[0035][0036]其中，N
sac
和N
sah
分别为与当前无定型相区域接触的结晶相和强度空相的边的长度，N
sa
为当前无定型相区域的周长。
[0037]进一步地，所述结晶岛的环绕比R
sc
通过下式计算：
[0038][0039]其中，N
sch
为与当前结晶相区域接触的强度空相的边的长度，N
sc
为当前结晶相区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚合物降解过程模拟与强度计算方法，其特征在于，包括：将待模拟计算的聚合物材料利用元胞自动机划分为多个元胞；获取不同时刻下的状态相图，判断出每一元胞的状态，基于每一元胞的状态对所述状态相图中的阻塞无定型相和阻塞孔相这两种结构模式进行识别，并分别计算出所识别出的阻塞无定型相以及阻塞孔相各自所对应的阻塞比；基于结构模式的识别结果和识别出的每一结构模式的阻塞比，执行每个元胞向周围元胞的扩散过程，以实现聚合物降解过程的扩散模拟；获取不同时刻下的强度相图，判断出每一元胞的强度状态，基于每一元胞的强度状态对所述强度相图中的无定型岛、结晶岛和强度空洞这三种强度模式进行识别，并分别计算出所识别出的无定型岛和结晶岛各自所对应的环绕比、区域面积和密集程度，以及所识别出的强度空洞所对应的区域面积和密集程度；基于强度模式的识别结果和每一结构模式对应的环绕比、区域面积和密集程度，计算出不同强度状态的元胞对应的强度值；基于不同强度状态的元胞的强度值，计算出聚合物材料的总强度。2.如权利要求1所述的聚合物降解过程模拟与强度计算方法，其特征在于，所述阻塞无定型相指的是周围有结晶包围的一块无定型相区域；所述阻塞孔相指的是周围有结晶包围的一块孔洞相区域。3.如权利要求2所述的聚合物降解过程模拟与强度计算方法，其特征在于，所述阻塞无定型相的阻塞比R
a
通过下式计算：其中，N
ca
是结晶相和无定型相接触的长度，N
a
是无定型相的周长。4.如权利要求3所述的聚合物降解过程模拟与强度计算方法，其特征在于，所述阻塞孔相的阻塞比R
h
通过下式计算：其中，N
ch
是结晶相和孔洞相接触的长度，N
h
是孔洞相的周长。5.如权利要求4所述的聚合物降解过程模拟与强度计算方法，其特征在于，所述基于结构模式的识别结果和识别出的每一结构模式的阻塞比，执行每个元胞向周围元胞的扩散过程，以实现聚合物降解过程的扩散模拟，包括：根据结构模式的识别结果和识别出的每一结构模式的阻塞比，使用更新的扩散系数，计算对应结构模式下对应元胞的扩散系数；其中，对于与状态相图边缘接触的阻塞孔相，将其中所有的元胞扩散系数设置为0；根据对应元胞的扩散系数，执行每个元胞向周围元胞的扩散过程。6.如权利要求5所述的聚合物降解过程模拟与强度计算方法，其特征在于，所述使用更新的扩散系数，计算对应结构模式下对应元胞的扩散系数，包括：根据识别出来的阻塞无定型相和阻塞孔相，进行一定区域内属于这两种结构模式的元胞的扩散系数的更新，更新公式为：
D＝R
a
·
D
p
+R
h
·
D
ε
其中，D为更新后的扩散系数；D
p
为无定型相中的初始扩散系数，D
ε
为孔洞相中的初始扩散系数，R
a
为阻塞无定型相的阻塞比，R
h
为阻塞孔相的阻塞比；计算短链的扩散公式为：其中，C
ol
为一定区域内低短链浓度；R
ol
为一定区域元胞中的低聚体数；t表示时间，div()为散度，D为扩散系数，grad()为梯度。7.如权利要求1所述的聚合物降解过程模拟与强度计算方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张桃红，陈晗，郭徐徐，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：