微毛细管流动中温敏性聚合物药物载体的介观动力学模拟

Drug nanocarriers for drug delivery can significantly enhance the therapeutic efficacy, reduce the dosage of drugs, and also minimize the side effects of treatment, which makes the nanotechnology-based drug delivery systems attract tremendous attention and become a currently hot topic in the field of nanomedicine. Polymeric micelles are the most widely used drug nanocarriers, wherein the thermoresponsive polymer micelles are promising nanocarriers for targeted drug delivery because of their ability to respond to temperature variations and hence distinguish cancer cells and cancerous tissue from healthy ones. In general, the size of polymeric micelles ranges from a few tenths to a few hundreds of nanometers, the investigation of their behaviors and properties is typically a mesoscopic problem. To this end, our project intends to apply a method that is suitable for simulations of mesoscopic dynamics of complex fluids, and to study the dynamic behavior of thermoresponsive polymer micelles in microcapillary flows and also their phase changes induced by temperature variations. Considering the coupling of flow field and temperature field, the migration process of thermoresponsive polymer micelles through microcapillaries will be simulated. We will perform a systematic study of the influence of various factors on the dynamic behavior of the polymeric micelles, and explore the mesoscopic mechanism of targeted drug delivery implemented by the thermoresponsive polymer nanocarriers. The outputs of this project might be of importance for the development of nanotechnology-based drug delivery systems, and helpful for us to understand the targeted drug delivery process.

利用纳米药物载体进行药物输运可以大幅度提高药物的利用率、降低用药量，同时还减轻治疗的毒副作用，近些年来受到了广泛的关注，并已成为当前纳米医药研究的热点。聚合物胶束是最常用的纳米药物载体，其中温敏性聚合物胶束可以对温度变化做出响应，能够识别癌细胞和癌变组织，成为极具应用前景的纳米载体。聚合物胶束的尺寸通常介于几十到几百纳米，对其行为和特性的研究属于介观尺度问题。基于此，本项目拟借助一种适合研究介观尺度复杂流体行为的模拟方法，研究温敏性聚合物药物载体在流场驱动下输运的动力学特性以及变温导致的介观相变过程。在考虑流场和温度场同时作用的情况下，通过模拟温敏性聚合物胶束迁移穿过微毛细管的输运过程，系统地研究各种影响因素对聚合物胶束输运过程的影响，揭示温敏性聚合物药物载体实现靶向释药的机理。这些结果将对纳米载药输运系统的研究和发展有一定的意义，并加深人们对纳米药物载体实现靶向释药过程的认识。

利用一种适合研究介观尺度复杂流体行为的耗散粒子动力学方法，研究了微纳米尺度下温敏性聚合物药物载体在流场驱动下输运的动力学特性以及这种多组分复杂流体在宏观尺度毛细管中的流动特征。1)基于耗散粒子动力学方法建立了温敏性聚合物胶束的介观尺度模型，并通过发展一种基于主动机器学习的多尺度计算方法，实现了介观尺度的粒子模型与宏观尺度的连续介质模型的跨尺度衔接耦合计算，研究了这类复杂非牛顿流体在毛细管中的输运特性。2)在毛细血管中，药物载体释放到血液中的纳米药物颗粒会首先吸附到内皮细胞糖萼中。一方面，这种吸附过程取决于药物颗粒与糖萼之间复杂的相互作用，需要原子级分辨率的模型来描述；另一方面，药物载体在微毛细管流动中的输运需要考虑较大的系统尺寸。我们利用区域分解方法对全原子分子动力学模型和介观尺度耗散粒子动力学模型进行了同步耦合，成功解决了高分辨率建模和计算效率之间的矛盾。我们利用多尺度算法同步耦合了全原子模型和介观尺度模型，定量研究了在微米尺度毛细管中内皮细胞糖萼在剪切流场中的响应，以及流动对纳米药物颗粒在释放后吸附到糖萼层的影响。同时，我们基于多孔介质流动的Brinkman方程，推导了压力驱动下多组分复杂流体流过内皮细胞糖萼的速度和切应力分布的理论公式，数值实验证实了该理论公式预测的正确性。3）利用基于耗散粒子动力学的多相流模型，构建了不同粗糙度和浸润性的多功能壁面，系统地研究各种影响因素对聚合物胶束在多功能表面上吸附行为的影响。通过简化模型研究了液滴在非均质粗糙表面上的动力学行为，详细分析了表面粗糙度、润湿性、液滴大小、初始浸润状态对液滴行为的影响，深入理解了非均质粗糙表面上的多相流体行为和液滴的吸附和脱落机理。还开展了关于多相流体在粗糙固壁表面上动力学行为的理论研究，通过基于能量守恒的理论分析，揭示了通过改善多功能粗糙表面浸润性、利用电场或者改变液滴大小可以控制液滴在固壁表面的动力学行为。