仿真助力设计药物输送系统

2019年 5月 17日

你有没有紧张过,感觉就像被一个小小的闪电击中一样?但是值得庆幸的是,这种疼痛通常会在几天之内消失。不过,遭受严重伤害的人并不是那么幸运,这种痛苦可能会持续数月之久。而诸如神经导向器之类的药物输送系统则可以帮助加速愈合过程。在设计此类设备时,生物工程师需要全面了解药物反应动力学,而这项工作可以借助仿真建模来完成。

使用神经导向器治疗神经损伤

神经充当人体的控制和消息传递系统,使我们可以微笑和挥手,还可以告诉我们什么时候感到太冷或太热。当人体的神经细胞受到挤压、拉伸或其他伤害时,该区域开始发出求救信号,导致人产生从轻微的不适、僵硬到麻木、剧烈疼痛等感觉。

在受伤的前臂上佩戴的腕托的照片。
戴腕带可以帮助缓解由正中神经压力引起的腕管综合症的症状。

当神经损伤严重时,医生必须努力修复神经,一种方法是植入神经导向器。 神经导向器可帮助神经正确地重新生长,确保组织愈合时不会缠结这些路径。还可以将它们设计为精准药物输送系统,以减轻疼痛并加快愈合过程。这些不会留下太多伤痕的小型设备可以由可生物降解的生物材料制成,因此甚至不需要将其移除。

神经导向器利用人体的康复机制来控制药物的释放位置。当组织受损时,它会产生一种酶。一旦插入神经导向器,这种酶就会慢慢吞噬药物周围的物质,最靠近组织的部分降解最快,因此药物被“引导”至受伤的神经。

与任何药物输送设备(如贴片类药物)一样,控制药物反应的行为对于神经导向器至关重要。例如,生物工程师必须确保随着时间的推移药物释放应保持稳定;为确保患者的安全和舒适,药物释放决不能太多(避免“爆发释放”)或太少。 但是,了解这种行为可能很困难,因为它受到多方面的影响,包括:

  • 药物的加载和扩散
  • 生物材料的降解和亲和力
  • 设备的几何形状

为了深入了解这些因素如何影响药物反应动力学,生物工程师可以使用仿真工具来模拟。在下一节中,我们将看一个使用 COMSOL Multiphysics® 软件 及其附加的 化学反应工程模块 构建的示例。

神经导向器中的药物释放过程建模

该模型由受损的神经细胞组织,代表神经向导的生物材料基质,以及围绕两者的介质组成。在生物材料中,药物分子附着在肽上,而肽与基质结合。

可以分两种情况分析药物反应动力学:完美混合的环境和空间依赖的环境。 第一个系统是0D,只需求解药物随时间变化的动力学,使用“反应工程”接口描述反应系统。至于空间依赖的系统,它通过“稀物质传递”接口来显示药物是怎么样进入受损组织,并追踪分子的运动。如下图所示,神经导向器是具有3D结构的圆柱几何形状,可以利用轴向对称性将模型简化为2D结构。

用COMSOLMultiphysics®建模的神经引导器的3D模型。
神经细胞和生物材料神经向导的二维空间依赖模型。

神经细胞的空间依赖模型,生物材料神经导向器(左图,红色),以及周围环境的 3D(左)和 2D 结构图(右)。

为了检查分子如何随时间释放,通过 0D 模型研究了两种类型的药物释放机制:

  1. 药物仅从肽上解离,而肽仍附着在基质上;
  2. 基质由于酶催化而降解,从而释放出药物-肽物质。药物一旦释放后,物质就会分离。

通过2D结构模拟,可以检查药物如何随时间在几何空间中扩散,确定导向器是否有助于药物正确靶向受损的神经。

此外,基质中可能存在多种反应。尽管我们在本文中没有详细介绍如何对这些反应进行建模,但是您可以在 COMSOL 网站“案例下载”页面,查看《生物材料基质中的药物释放》案例教程文档中的详细建模过程

在COMSOL®软件中评估药物反应动力学

完美混合的系统

下文中,您可以看到在这个神经导向器中,不同物质分子随时间变化的浓度。在模拟开始时,可以看到第一种药物释放机制发挥作用:药物的解离。与基质结合的药物-肽浓度迅速开始下降,而与基质结合的肽浓度却有所增加。这些变化也反映在药物浓度的快速上升中,会在短短的0.03秒内达到最大量(〜7.71 mol / m 3)。

随着生物材料的降解(总共需要约5000秒),在10~5000秒内第二种药物释放机理开始发挥作用。结果显示,未与基质结合的肽浓度的急剧增加,以及与基质结合的肽浓度的相应减少。但是,在这些变化过程中,药物的浓度保持恒定。 综上所述,这种稳定释放对于神经导向器的设计至关重要,因为药物剂量的变化可能会给患者带来严重的风险。

用于神经引导设计的药物释放过程中物种浓度的图。

药物释放过程中物质的浓度变化。

很明显,药物释放是均匀的,所以接下来,让我们看一下药物如何扩散到神经和周围区域。

空间依赖的系统

如下图所示,您可以查看域内药物浓度在不同时间的分布情况。系统中的酶起源于细胞组织,因此当生物材料降解时,它有助于将药物引导至受损的神经。 到模拟结束时,最大浓度在神经中心,这意味着导向器成功地递送了药物。 此外,尽管此处未显示,但也可能观察到生物材料随着时间的降解情况。

 

药物在神经细胞组织,神经导管和周围环境中的浓度

下一步

生物工程师可以通过观察药物反应动力学,设计神经导向器和其他药物输送系统。通过创建这样的模型,他们可以测试不同的设计参数(例如时间、几何形状、物种的亲和力等),查看影响药物释放行为的因素。工程师甚至可以利用这些信息以及其他信息来优化其整体设计,从而评估混合生物材料如何影响结果。

如果您需要对药物反应动力学建模,请单击下面的按钮,将进入 COMSOL 网站 “案例下载” 页面,其中包括案例教程文档和 MPH 文件。您可以使用有效的软件许可证下载所需文件。


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