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磁性药物靶向递送中药物捕获效率建模及影响因素分析

作　者: 张勇全
导　师: 刘利
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 磁性药物靶向卡森-牛顿模型矩形磁铁捕获效率药物捕获体积优化视网膜栓塞血管模型 Fluent仿真
分类号: R94
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

视网膜血管阻塞性疾病是一种严重损害视功能的常见病。传统常规治疗如按摩、穿刺、口服药物等方式,需要较长的时间,且治愈效果不明显。磁性药物靶向递送是将药物装载到磁性纳米颗粒上,借助于外部磁场,将载体定向于靶区,使其所含药物定位释放集中在病变部位发挥作用,具有高靶向性、速效和低毒的特点。将磁性药物靶向方法应用于视网膜血管阻塞性疾病的治疗具有特别的临床意义。目前,国内对于磁性药物靶向治疗的整体发展水平仍处于基础研究阶段,还存在许多不足,且缺少视网膜血管中栓塞对磁性药物捕获效率等方面的研究。为此,论文结合上海交通大学医理工基金项目《经眼动脉介入释放纳米材料携载t-PA靶向治疗视网膜静脉阻塞的实验研究》,从理论、试验两方面着重对磁性药物靶向传递中药物捕获效率计算模型及影响因素等进行细致的研究。本文主要完成的工作及取得成果如下:1、根据视网膜血管的特点以及细小血管内血液的非牛顿流体流动状态,选择了卡森模型表示内层血液特性,选择牛顿模型表示外层血浆特性。区别于以往研究采用无限长永磁铁,本文采用矩形永磁铁,作为外部磁场源,基于两相卡森-牛顿模型,分析了携带药物的磁性纳米颗粒在血管中受磁力和流体力作用的运动轨迹,建立了磁颗粒三维空间的捕获效率的理论公式,此模型比传统模型更精确;进而获得磁性药物捕获体积的优化模型。2、采用龙格库塔算法和二分法,通过Matlab数值仿真,分析了血管内流场和磁场分布,得到了不同模型血液流速、磁颗粒运动轨迹、捕获效率,并比较了平面和三维捕获效率。仿真结果表明,使用非牛顿卡森流体可以更好描述血液,矩形永磁铁产生的磁场更有效;其他条件不变时,颗粒半径越大、磁性物质半径比越大、磁场强度越大、磁铁与血管距离越小、血管半径越小,捕获效率越大;不同颗粒半径时的,磁性物质半径比为0.75时捕获的药物捕获体积最大,在磁性药物制备过程中,可以参考这个值,达到系统优化。3、基于视网膜眼底血管栓塞的成因和临床表现,针对不同情况,本文建立了刚性和弹性栓塞血管模型,并借助Gambit和Fluent进行了模型的CFD仿真,从理论上分析了血管栓塞对血液流速、压力等的影响,以及在磁性药物靶向系统中,栓塞大小、血管弹性、磁场范围等对磁颗粒捕获效率的影响,为临床治疗提供了理论依据。4、通过体外实验分析了溶液流速和磁场强度对磁颗粒捕获效率的影响,验证了本文建立的磁颗粒捕获模型的有效性,且它比传统模型精确稳定。同时实验过程中碰到的问题及解决方法,如磁颗粒捕获平衡等,对后续实验乃至人体实验提供了参考。综上所述,将磁性药物靶向方法应用于视网膜血管阻塞性疾病的治疗,可提高药物的药效,具有广泛的用途和潜在的巨大市场需求。本文研究工作及成果为磁性药物靶向方法运用于视网膜血管阻塞疾病的治疗提供了理论指导。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-24
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 磁性药物靶向技术概述  12-16
    1.2.1 靶向的定义及类别  12-13
    1.2.2 磁性药物靶向的构成  13-14
    1.2.3 磁性药物及载体的种类及特点  14-16
  1.3 磁性药物靶向研究现状  16-21
    1.3.1 靶向理论模型的研究  16-19
    1.3.2 靶向计算机仿真的研究  19-20
    1.3.3 我国开展的相关研究工作  20-21
  1.4 磁性药物靶向的主要研究问题及本文主要内容  21-24
    1.4.1 磁性药物靶向递送的主要研究问题  21-22
    1.4.2 靶向数学模型的研究意义  22
    1.4.3 本文的研究内容  22-24
第二章磁性药物捕获效率数学模型  24-38
  2.1 眼底血管血液模型选择  24-28
    2.1.1 血液牛顿流体模型  25
    2.1.2 血液非牛顿流体模型  25-27
    2.1.3 眼底血管血液模型选择  27-28
  2.2 流体动力学基础  28-30
    2.2.1 Navier-Stokes 方程  28-29
    2.2.2 流体作用于球体的阻力  29-30
  2.3 磁场及磁性颗粒受力分析  30-33
    2.3.1 磁场方程  30-31
    2.3.2 矩形永磁铁磁场分布  31-33
    2.3.3 静磁场作用于磁性颗粒的磁力  33
  2.4 磁性药物靶向捕获效率模型的建立  33-37
    2.4.1 前提假设  33-34
    2.4.2 磁颗粒运动轨迹  34-36
    2.4.3 磁颗粒捕获效率  36-37
    2.4.4 磁性药物捕获体积的优化模型  37
  2.5 本章小结  37-38
第三章磁性药物捕获效率模型数值仿真  38-48
  3.1 MATLAB 数值仿真算法实现  38-40
    3.1.1 龙格库塔算法求解磁颗粒位移  38-39
    3.1.2 二分法求解磁颗粒捕获点  39
    3.1.3 整个计算过程实现  39-40
  3.2 初始值的选择  40-41
    3.2.1 血管内流体场  40-41
    3.2.2 矩形磁铁磁场  41
  3.3 MATLAB 数值仿真  41-46
    3.3.1 不同血管模型流速比较  41-42
    3.3.2 矩形磁铁的磁场分布  42-43
    3.3.3 颗粒运动轨迹和捕获效率  43-44
    3.3.4 捕获效率参数影响分析  44-46
    3.3.5 药物捕获体积的优化  46
  3.4 仿真结果与讨论  46-47
  3.5 本章小结  47-48
第四章栓塞血管磁性药物捕获的三维仿真与讨论  48-66
  4.1 计算流体动力学（CFD）简介  48-53
    4.1.2 Gambit 前处理  50
    4.1.3 Fluent 求解和后处理  50-53
  4.2 眼底视网膜栓塞血管特性  53-56
    4.2.1 血管的一般结构  53-54
    4.2.2 血栓及栓塞的形成  54
    4.2.3 眼底视网膜栓塞  54-56
  4.3 栓塞血管仿真模型的选取  56-58
    4.3.1 刚性栓塞血管模型  56-57
    4.3.2 弹性栓塞血管模型  57-58
  4.4 边界条件及参数设定  58-60
  4.5 FLUENT 仿真及讨论  60-65
    4.5.1 血管栓塞对流速和压力的影响  60-62
    4.5.2 血管栓塞大小对磁颗粒捕获效率的影响  62-64
    4.5.3 血管弹性及磁场范围对磁颗粒捕获的影响  64-65
  4.6 本章小结  65-66
第五章磁性药物捕获效率模型的实验验证  66-76
  5.1 实验的现状及技术背景  66-67
  5.2 磁性纳米颗粒特性及测量  67-70
    5.2.1 磁性纳米颗粒及基液特性  67-68
    5.2.2 磁性纳米颗粒测量方法  68-70
  5.3 磁铁及磁场的设计与性能  70
  5.4 实验方案及过程  70-72
    5.4.1 实验方案确定  70-71
    5.4.2 实验材料和设备  71
    5.4.3 实验方法和步骤  71-72
  5.5 实验中碰到的问题及解决  72-73
  5.6 实验结果与讨论  73-75
  5.7 本章小结  75-76
第六章总结与展望  76-78
  6.1 研究工作总结  76-77
  6.2 本文创新点  77
  6.3 研究展望  77-78
参考文献  78-81
附录一补充实验数据  81-82
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  82-83
攻读硕士学位期间参与的科研项目  83-84
致谢  84-86

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