Modellering af mikrosvømmere til medicinafgivelse

Matematiske modeller af bevægelsen af ​​celler i tyktflydende væsker, der viser, hvordan denne bevægelse påvirkes af tilstedeværelsen af ​​en overfladeaktiv belægning, har anvendelser i design af kunstige mikrosvømmere til målrettet medicinafgivelse, mikrokirurgi og andre applikationer.

Mange typer bevægelige celler, såsom bakterierne i vores tarme og spermatozoer i de kvindelige forplantningskanaler, behov for at drive sig selv gennem lukkede rum fyldt med tyktflydende væske. I de seneste år, bevægelsen af ​​disse mikrosvømmere er blevet efterlignet i designet af selvkørende mikro- og nanoskalamaskiner til applikationer, herunder målrettet medicinafgivelse. At optimere designet af disse maskiner kræver en detaljeret, matematisk forståelse af mikrosvømmere i disse miljøer.

En stor, international gruppe af fysikere ledet af Abdallah Daddi-Moussa-Ider fra Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Tyskland har nu genereret matematiske modeller af mikrosvømmere i rene og overfladeaktive tyktflydende dråber, viser, at det overfladeaktive stof væsentligt ændrer svømmernes adfærd. De har udgivet deres arbejde i EPJ E.

Dynamikken af ​​mikrosvømmere, der bevæger sig inde i en dråbe tyktflydende væske, afhænger af mange ting, inklusive formen og størrelsen af ​​dråben, antallet af mikrosvømmere og Reynolds-tallet for væsken. Dette er et mål for viskositet; væsker med lavt Reynolds-tal er mere viskøse og flyder på en lineær måde med lidt turbulens. Strømmen af ​​en sådan væske kan modelleres ved at løse et sæt partielle differentialligninger kendt som Navier-Stokes-ligningerne. I dette tilfælde, selve mikrosvømmeren blev betragtet som en kraftdipol indespærret i faldet og placeret ved et sætpunkt. Tilstedeværelsen af ​​et lag af overfladeaktivt middel, der omgiver dråben indeholdende mikrosvømmeren, blev modelleret under anvendelse af grænsebetingelser.

Løsning af disse ligninger under en række forhold - dråber med eller uden overfladeaktive belægninger, stationær og frit bevægende, og med forskellige Reynolds-tal og radier – gav Daddi-Moussa-Ider og hans medarbejdere et sæt subtilt forskellige flowfelter, hvorfra mikrosvømmerens dynamik kunne defineres. De bemærker, at disse modeller af svømmedynamik kan vise sig nyttige til at designe mikromaskiner til materialesamling, biosensing og mikrokirurgi samt lægemiddellevering.