Исследование

Итоговый отчет (аннотация)

Проект посвящен разработке и апробации модели поведения магнитных мик­ро- и наночастиц в сосудах микроциркуляции живых организмов при приложен­ии внешнего магнитного поля.При выполнении этапа проекта были получены следующие результаты:

1. Проанализирована возможность накопления магнитных частиц во внутренних структурах тела человека путем создания магнитного поля раз­личной конфигурации. Показано, что невозможно создать магнитное поле такой конфигурации, которое обеспечило бы решение этой задачи, поскольку имеются фундаментальные физические ограничения. Установлено, что гра­диент магнитного поля и, соответственно, концентрация задержанных частиц всегда нарастает по мере приближения к поверхности магнита.
2. Разработана теоретическая модель, описывающая поведение единичной магнитной частицы, движущейся по капилляру в потоке жидкости в условиях приложения внешнего постоянного магнитного поля.

Отчет за 2-й квартал 2019 г.

Нами была предложена теория и экспериментальная модель для понимания механизма накопления частиц в тканях. Теоретическая модель основана на определении силы, действующей на частицу, и ее траектории с учетом неоднородного распределения скорости в капилляре. Мы предположили, что частицы не взаимодействуют друг с другом и не нарушают распределение скоростей жидкости. В этом случае частица, достигшая стенки капилляра, останавливается, потому что скорость жидкости около стенки равна нулю. Чтобы получить пространственное распределение частиц, мы рассчитали магнитное поле и его градиент в каждой точке пространства, а затем нашли длину, пройденную каждой частицей вдоль потока жидкости. Теория позволяет оценить параметры магнитного поля и характеристики частиц, необходимые для получения требуемых концентраций частиц в данном месте тела. В рамках нашей модели относительная часть частиц, накопленных в области магнитного поля, зависит от двух безразмерных параметров vp / vl и l / r, где vp - равновесная скорость частицы относительно жидкости в данном поле с заданной градиент, vl - скорость жидкости на оси капилляра, r - радиус капилляра, l - длина, пройденная частицей под действием поля. В нашем эксперименте l определялся диаметром магнита, но в живом теле он ограничен геометрией капилляра.
Экспериментальная модель сосудистого русла основана на системе микроскопических трубок. Для этой цели мы использовали диализатор для устройства гемодиализа, содержащий 1,7 × 104 пробирки диаметром 160 мкм и длиной 30 см в цилиндрическом корпусе диаметром 43 мм. В эксперименте использовалась суспензия частиц оксида железа Fe3O4, стабилизированная лимонной кислотой. Средний диаметр частиц составлял около 100 нм. Суспензию прокачивали через систему микропробирок со скоростью, которая обеспечивает скорость жидкости приблизительно 2 мм / с на оси каждой пробирки. Магнитное поле создавалось цилиндрическим постоянным магнитом с намагниченностью 0,47 Тл. В конце перфузии диализатор замораживали в жидком азоте. Затем его нарезали на кусочки и определяли содержание железа в каждом кусочке.
Оказалось, что концентрация накопленных частиц монотонно уменьшается с удалением от магнита. Эффективное накопление частиц наблюдается на расстояниях до 2 см от поверхности магнита. Измеренные концентрации оксида железа согласуются с результатами, полученными теоретической моделью.
Следует отметить, что распределение магнитных частиц в реальной системе кровообращения зависит от множества различных факторов (непостоянство сечения капилляров, наличие ветвей, влияние клеток крови, диффузия через сосудистую стенку и т. Д.) , Все это существенно усложняет подробное теоретическое описание распределения частиц в живом организме. Однако для оценки возможности накопления частиц в данной области in vivo в большинстве случаев достаточно оценить примерно несколько вышеупомянутых параметров.

Отчет по состоянию на 1 апреля 2019 года

Адресная доставка лекарств на основе магнитных наночастиц является одной из быстроразвивающихся областей современной медицинской науки. Большое количество работ посвящено различным аспектам изготовления микрокапсул и включению в них различных лекарств. Тем не менее, ограниченная возможность доставки магнитных носителей в определенную область живого тела часто упускается из виду. Между тем существуют как фундаментальные, так и технические ограничения возможностей магнитоуправляемого транспорта. Для многих лекарств адресная доставка практически полезна только тогда, когда концентрация вещества во внутренней области тела значительно выше, чем на поверхности. В настоящей работе мы теоретически исследуем возможность концентрации частиц магнитным полем в различных местах живого организма. Одной из важных особенностей магнитных частиц, используемых при целевой доставке, является возможность свободного вращения частиц в жидкости. В результате средний магнитный момент частиц всегда направлен вдоль внешнего магнитного поля, а сила, действующая на частицу, направлена вдоль градиента В2, независимо от формы и внутренней структуры частицы. На основе уравнений Максвелла мы показали, что невозможно создать статическое магнитное поле с максимумом B2 внутри односвязной области без источников поля. Следовательно, невозможно создать силу, которая притягивала бы частицы к некоторой внутренней точке тела, используя статическое магнитное поле. Этот результат аналогичен известной теореме Ирншоу для электростатики. Использование переменного поля для концентрации частиц во внутренней области тела сталкивается с ограничениями другого рода, которые можно рассматривать как «технические», но почти невозможно преодолеть. Хотя некоторые современные устройства с обратной связью способны обеспечивать левитацию магнитных объектов, к таким устройствам предъявляются как минимум два требования: достаточное значение силы и обратная связь. Мы обсудим здесь только силу, хотя обратная связь также является чрезвычайно сложной проблемой. Представляется разумным, что для обеспечения контроля за движением частицы магнитная сила в устройстве должна быть способна, по меньшей мере, остановить частицу в кровотоке. Магнитная сила пропорциональна массе частицы или кубу ее диаметра, а сила Стокса, действующая на неподвижную частицу в кровотоке, пропорциональна ее линейному размеру. Следовательно, чем больше размер частиц, тем больше отношение магнитной силы к стоксовой силе. Однако в случае медицинского применения частиц их размер сверху ограничен диаметром капилляров и должен быть порядка 1 микрона. Градиент поля также ограничен достаточно большими необходимыми расстояниями от источника (около 10 см). Вот почему магнитной силы недостаточно даже для остановки частицы в кровеносных сосудах во внутренней точке тела. Поэтому представляется невероятным создать систему, способную концентрировать частицы в определенной точке в случайно распределенных потоках жидкости. Таким образом, можно сделать вывод, что на современном уровне технологий использование магнитной адресной доставки лекарств ограничено только приповерхностными областями  тела.