溶质经皮扩散-水分迁移耦合传质模型研究

溶质经皮渗透与吸收是经皮给药、护肤保健和物质经皮摄入人体安全评估等领域的关键共性问题。确定各种溶质在不同条件下经皮渗透、吸收及分布是各种溶质经皮渗透与吸收问题的核心。本项目以溶质经皮渗透过程为研究对象，将综合考虑皮肤、溶质、溶质载体三者的理化特性及脂质域通道、角质细胞通道和附属器(汗腺、毛孔等)通道，从分子动力学和热力学方面探索溶质在皮肤多相复杂生物介质中扩散、分配和吸收特征，建立包含皮肤角质层、表皮层和真皮层的溶质经皮扩散与水分迁移的多尺度耦合传质模型。本研究还将采集皮肤渗透系数、溶质在皮肤渗透过程中分布及其渗透动力学参数对模型进行有效性验证。本研究的主要目的是建立一个预测溶质经皮渗透、吸收与分布的计算平台，这不但可为经皮渗透的各种应用奠定理论基础, 亦可为我国在经皮渗透生物物理学方面填补一项空白。

圆满完成了项目预定研究内容，具体如下：（1）通过实验测定了7种亲水性溶质分别在角质层/水和角质蛋白/水中的分配系数，扩充了现有分配系数实验数据库，基于线性自由能理论建立了溶质在角质蛋白/水和脂质域/水中的分配系数定量构效模型；（2）综合考虑脂质域通道和角质细胞通道，建立了包含皮肤角质层、表皮层和真皮层的溶质经皮扩散模型；在皮肤水分迁移规律基础上，利用毛细管流理论构建了水分动态迁移模型，并将其耦合至经皮扩散模型构建了溶质经皮扩散-水分迁移耦合传质模型；基于MATLAB软件平台对模型进行了数值求解，并研制开发了具有友好人机交互界面软件实现了溶质经皮渗透传质过程模拟；（3）通过不同理化特性溶质经皮渗透系数和溶质皮肤渗透过程中分布参数，对模型进行了有效性验证，通过验证后的模型重点分析影响皮肤渗透的主要因素及其作用机制，阐述不同理化特性溶质主要经皮渗透通道及其渗透动力学特性；（4）在完成项目预定任务的基础上对溶质与蛋白绑定结合特性进行了探索性研究。基于超滤方法研究了溶质小分子与蛋白绑定结合平衡特性，通过等温滴定量热仪实验手段获取了溶质小分子与蛋白绑定结合热特性，进而结合分子动力学模拟研究，初步阐述了不同理化特性溶质分子与蛋白绑定结合机理。相关研究工作得到国际同行的高度关注和认可，受国际顶级期刊Advanced Drug Delivery Reviews（2012 IF=12.888，5-YEAR IF=15.431）编辑邀请，撰写Recent advances in predicting skin permeability of hydrophilic solute研究论文并于2013年2月正式发表；在2012 年9 月20-22 日，在中国农业大学国际会议中心主办China-Sweden Workshop on Modeling of Dermal Absorption of Hazardous Chemicals国际研讨会。本项目共发表SCI收录论文5篇（其中2篇发表于化工领域国际权威期刊AIChE Jouranl并获2012 AIChE Annual Meeting Best Presentation Paper），获授权国家计算机软件著作权2项，培养晋升高级职称1人、获博士学位研究生1名。