基于靶向给药的微粒子的形状和大小对其在人体血管中运动特性的数值和实验研究

Nanoparticle targeted drug delivery offers several significant advantages over conventional delivery methods, such as reduced side effects, lower drug doses, and a continuous supply of the drug. To optimize the performance of nanoparticle drug delivery, a few very important design parameters need to be studied. While it is well known that the size and the surface chemistry of nanoparticles are two of the most important parameters in designing nanoparticles for drug delivery; recent in vivo studies have also demonstrated the important role of nanoparticle shape for drug delivery. The objectives of this proposed project are: a) to develop a computational model that simulates nanoparticles motion in the vasculature; and b) to study how the size and shape of nanoparticles affect their transport in the vasculature and their ability to target the diseased site for drug delivery; c) to conduct experimental studies to validate computational models. Understanding the implications of the shape of nanoparticles on drug delivery will be invaluable for developing the next generation of drug delivery vehicles. Our proposed study will help us optimize the design parameters of nanoparticles and lead to significant advances in the field of targeted drug delivery.

通过微小颗粒(比如纳米)来靶向给药或传输成像试剂的技术是目前世界上的一项研究热点；这项技术在癌症检测和治疗等方面有着深远的意义。本项目设想通过引入最新的直接数值模拟和浸入边界算法，并且与实验相结合的方法，来进行以下几项研究：1）研究不同形状（圆柱体，圆锥体，椭球和圆球）和不同大小（10纳米～1微米）的微小颗粒在血液循环中的运动机理； 2）从生物流体力学分析方法来研究不同形状和大小的微颗粒粘附靶向的稳定性；3）探索微颗粒的大小和形状这些物理参数对其靶向给药的影响；4）通过精确的数值计算，来开发出一套快速有效的模拟微粒子靶向给药的软件工具。.本项研究的成果将能用来更精确地预测不同形状和大小的微颗粒在人体内靶向给药的效果，帮助寻找出最优化的微颗粒载药"车辆"的几何参数；这些研究成果能为合成和制作新一代靶向给药微颗粒的大小和形状的选择提供理论依据，从而显著地提高靶向给药的效果。

纳米载药系统因其独特的结构特点和理化性质在癌症治疗等方面得到广泛的研究与应用。与此同时，纳米材料的安全性也应引起重视。纳米技术是目前世界上的一项研究热点，并且有着深远的意义。目前针对微粒给药过程中，微颗粒在人体血管中的流动机理的研究还处于开始阶段；而且几乎所有研究都还停留在微颗粒作为球形的假设上；对非球形的微颗粒在人体血管中的动态特性和机理鲜有研究。而实际应用中往往需要根据实际情况使用不同于球状的微颗粒来实现靶向给药。本课题旨在探讨粒径大小及不同形状的药物载体的在血液中运动时的流体力学分析；同时也研究这些药物载体对细胞的影响，为纳米材料生物效应提供一个参考，帮助寻找最优化的靶向给药的微颗粒的大小和形状。这些研究成果能为合成和制备新一代靶向给药的微颗粒的大小和形状的选择提供理论依据，从而显著提高给药效果。..我们成功地研发了计算机仿真模型，它能用来模拟和分析不同形状和大小的微颗粒在血管中的运动特性以及传质和传热功能，并能够预测这些颗粒的运动特征。同时我们还通过对DOTAP与胆固醇不同比例的控制，使用薄膜分散法制备了105nm、256nm与600nm的不同粒径大小的脂质体，采用ELISA细胞给药，系统考察了粒径大小对免疫细胞和癌细胞的影响。试验结果表明，粒径越小的脂质体对细胞的影响越明显。通过改变Span60与胆固醇的不同配比，制备了127nm、298nm与800nm的不同粒径大小的类脂囊泡，采用ELISA细胞给药，系统考察了粒径大小对免疫细胞和癌细胞的影响。试验结果表明，粒径越小的类脂囊泡对细胞的影响越明显。结合本课题组前期实验结果，发现不同粒径大小的药物载体对细胞的免疫作用是不同的。试验结果表明：药物载体的粒径越小，对细胞的免疫作用越强。