Разработана численная модель гидрогелевых капсул для доставки лекарств
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами из Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН и Сургутского госуниверситета разработали модель, которая позволяет точно контролировать размер гидрогелевых капсул, используемых для доставки лекарств и клеточных препаратов.
Микрокапсулы на основе гидрогеля альгината натрия, благодаря своей биосовместимости, считаются перспективными материалами для контролируемой доставки лекарств, клеточной терапии и тканевой инженерии. Однако прогнозировать их поведение в микроканалах сложно из-за совокупности проблем, связанных с гидродинамическими процессами, диффузией ионов кальция в полимерную матрицу и химической реакцией ионного сшивания альгината, приводящей к гелеобразованию.
В классическом варианте для решения этих вопросов используют постоянные значения поверхностного натяжения и угла смачивания. Однако эти параметры не отражают реальную динамику процесса.
Предложенная авторами численная модель позволяет до 30 % точнее прогнозировать образование капель гидрогеля. Она выполнена в программном пакете OpenFOAM и основана на двух моделях динамического поверхностного натяжения (временного и пространственного), эффекте Марангони и анализе режимов смачивания.
«Мы сосредоточились на том, как процесс образования капель зависит от скорости восстановления поверхностного натяжения во времени и пространстве. Результаты исследования показали, что этот показатель может вызывать нелинейные и немонотонные эффекты, например, аномальный рост диаметра капель. Таким образом, размер самих капсул на 20-30 % сильнее зависит от поверхностного натяжения, чем предсказывали классические модели ранее. Но, пожалуй, самое интересное, что благодаря новой модели мы можем не просто прогнозировать размер капсул, но и управлять ими в зависимости от конкретной задачи», — рассказал один из авторов исследования, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ Максим Пискунов.
Моделирование показало, что угол смачивания влияет на размер гидрогелиевых капсул. Так, при низком угле смачивания капля прилипает к стенке канала и образуются крупные капсулы, а при высоком – линия контакта смещается внутрь канала и формируются мелкие капсулы.
«Новая модель в будущем позволит получать капсулы нужного размера и настраивать их под конкретные задачи регенеративной медицины, где важна точность дозировки. Например, мелкие капсулы подойдут для адресной терапии, крупные — для пролонгированного высвобождения препарата. К тому же, модель позволит снизить риск образования «спутниковых» капель, что увеличит надежность терапии», — отметил ученый.
Новую модель исследователи проверили экспериментально на формировании альгинатных микрокапсул.