Исследование

Моделирование процессов перемещения магнитных носителей лекарственных препаратов в системе микроциркуляции живых организмов


Тип исследования
Фундаментальное
Грантодающая организация
РФФИ и правительство республики Мордовия
Номер проекта (по данным грантодающей организации)
18-415-130007
Срок реализации
2018 - 2020
Финансирование по годам
2018 1 800 000,00 ₽
Всего 1 800 000,00 ₽

Исполнители:


Проект направлен на решение проблемы магнитоуправляемой доставки лекарственных средств и разработку транспортных систем на основе магнитных носителей. Задача проекта - установление зависимости концентрации магнитных частиц в неоднородном магнитном поле от их физико-химических характеристик (размер, содержание магнитной субстанции, плотность). Научная новизна проекта заключается в создании теории, описывающей движение магнитных частиц в потоке жидкости в капилляре с неоднородным распределением скоростей, при наличии неоднородного магнитного поля. На основе построенной теории планируется теоретически рассчитать зависимость эффективной скорости движения частиц в капилляре от величины и градиента магнитного поля и от параметров частиц. Результатами осуществления проекта станут теоретическая модель, распределения магнитных наночастиц в неоднородном магнитном поле в условиях движения по кровеносным сосудам малого диаметра. Будет создана экспериментальная модель капиллярного кровеносного русла для оценки зависимости концентрации магнитных наночастиц от расстояния до магнита в условиях непрерывного потока жидкости. Будут получены данные о распределении магнитных наночастиц в изолированных органах с замкнутой и незамкнутой капиллярной сетью. Будут установлены оптимальные физико-химические характеристики транспортных систем на основе магнитных наночастиц, обеспечивающие их эффективное концентрирование в градиенте магнитного поля. Будет разработан оптимизированный вариант транспортной системы на основе наночастиц магнетита, биодеградируемого полимера и лекарственного препарата.



Пятаев Н.А.

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 приповерхностными областями только тела. Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант 18-415-130007).