Ученые Томского политехнического университета в составе научной коллаборации нашли способ точно контролировать размер гидрогелевых капсул, используемых для доставки лекарств и клеточных препаратов. Результаты исследований показали, что численная модель, разработанная в ТПУ, помогает до 30 % точнее по сравнению с аналогичными моделями, предсказать поведение капсул геля.
Исследование проводилось в рамках госзадания Департамента образования и науки Ханты-Мансийского автономного округа – Югра (№2023-578-05). Результаты работы ученых опубликованы в журнале International Communications in Heat and Mass Transfer (Q1, IF: 6,4).
Микрокапсулы на основе гидрогеля альгината натрия благодаря своей биосовместимости являются перспективными материалами для контролируемой доставки лекарств, клеточной терапии и тканевой инженерии. Однако прогнозировать их размер в микроканалах затруднительно из-за совокупности проблем гидродинамических процессов, диффузии ионов кальция в полимерную матрицу и химической реакции ионного сшивания альгината, приводящей к гелеобразованию. Классические модели для решения этих вопросов использовали постоянные значения поверхностного натяжения и угла смачивания. Однако они не отражали реальную динамику процесса.
Ученые лаборатории тепломассопереноса Томского политеха совместно с коллегами представили новую численную модель образования 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», – отмечает один из авторов исследования, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова 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.
Новую модель ученые успешно проверили экспериментально на формировании альгинатных микрокапсул.
«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», – добавляет ученый.
В исследовании приняли участие ученые лаборатории тепломассопереноса Томского политехнического университета, Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН и Сургутского государственного университета.
Источник: Минобрнауки России
