КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 24-45-00012
НазваниеСпрейное распыление лекарственных препаратов и их адресная доставка в дыхательные пути
РуководительСажин Сергей Степанович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Томская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2026 г. |
Конкурс№86 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC).
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-217 - Болезни органов дыхания
Ключевые словаспрей, распыление, медицина, фармацефтика, лекарственные препараты, адресная доставка, дыхательные пути
Код ГРНТИ76.03.02
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Научная задача и актуальность ее решения: широкое применение средств доставки лекарственных препаратов в дыхательные пути представляют большой интерес для повышения эффективности и безопасности терапии. Данное направление активно развивается за счет повышения респирабельной фракции и легочной депозиции лекарственного препарата. Современное лечение бронхолегочной патологии неразрывно связано с ингаляционным путем доставки лекарства. Вдыхаемые частицы или капли (в дальнейшем называемые частицами) диаметром менее 5 мкм достигают терминальных отделов дыхательных путей, где лекарственные средства оказывают свое действие, частично поступая в кровоток. Этот способ доставки имеет явные преимущества перед введением лекарственных средств внутрь или инъекционно. Характер распределения частиц в легких зависит от размера частиц и респираторных усилий. При болезнях органов дыхания сложности применения ингаляционных форм доставки связаны с изменением анатомической структуры, профиля воздушного потока и вентиляционно/перфузионного отношения. В настоящее время на рынке активно используются следующие средства доставки: дозированные аэрозольные ингаляторы; порошковые ингаляторы; жидкостные ингаляторы; небулайзеры и т.д.
Сформулированная выше задача спрейного распыления лекарственных препаратов и их точная адресная доставка в дыхательные пути является крайне сложной. Необходимы достоверные экспериментальные данные об основных характеристиках прохождения лекарственных препаратов в виде мелкодисперного спрея по дыхательным путям на трехмерных моделях легких: глубина прохождения, распределения по размерам и скоростям капелек и частиц, достигаемых адресного места, компонентный состав и т.д. Интерес представляет формулирование требований к размеру капель и продолжительности их движения по дыхательным трактам при использовании растворов, эмульсий, суспензий, ингаляторов и т.д. Перечисленные данные о характеристиках спреев можно получить с применением комбинированных методик на основе лазерных систем регистрации. У участников проекта - научной группы из России из Томского политехничсекого университета имеются программно-аппаратные комплексы и красители (растворы, жидкие добавки и твердые частицы) для реализации группы методов, в частности, Interferometric Particle Imaging, Shadow Photography, Particle Image Velocimetry и др. По результатам соответствующих экспериментов со спреями из разных материалов целесообразно разработать общие модели явления адресной доставки лекарстевнных препаратов с разной степенью сложности для широкого круга пользователей на базе и/или Эйлеро/полного Лагранжевого подхода. На это направлен настоящий проект. Особенность проекта состоит в том, что российский коллектив, состоящий из сотрудников Лаборатории тепломассопереноса Томского политехнического университета и Сеченовского университета, будут формулировать требования к лекарственным препаратам, синтезировать их, проводить эксперименты на модельных трехмерных версиях легких и развивать модели тепломассопереноса и гидрогазодинамики при спрейном распылении лекарственных препаратов и их адресной доставки в дыхательные пути, а китайский коллектив будет развивать направление молекулярной динамики для очень мелких капелек размерами менее 5 мкм. Это позволит создать уникальный математический аппарат для изучения спрейного распыления лекарственных препаратов и их адресной доставки в дыхательные пути с возможностью одновременного учета широкого класса методов моделирования с их валидацией с экспериментальными данными.
Ожидаемые результаты
Основные ожидаемые результаты проекта:
- экспериментальные методики (на базе оптических методов Interferometric Particle Imaging, Shadow Photography, Particle Image Velocimetry и др.) для регистрации основных характеристик прохождения лекарственных препаратов в виде мелкодисперного спрея по дыхательным путям на трехмерных модельных версиях легких (глубины прохождения, распределения по размерам и скоростям капелек и частиц, достигаемых адресного места, компонентный состав и др.);
- экспериментальные данные о спрейном распылении лекарственных препаратов и их адресной доставки в дыхательные пути (глубины прохождения, распределения по размерам и скоростям капелек и частиц, достигаемых адресного места, компонентный состав и др.), их зависимостей от входных параметров (начальные размеры, компонентный состав, технология формирования, скорости и форма подачи, темпа нагрева, температуры, интенсивности испарения и др.);
- математические модели спрейного распыления лекарственных препаратов и их адресной доставки в дыхательные пути на базе Эйлеро/Лагранжевого и/или Эйлеро/полного Лагранжевого методов;
- вероятностные модели спрейного распыления лекарственных препаратов с учетом эффектов инерционного столкновения, седиментации (оседания) и диффузии;
- сложная многокомпонентная модель нагрева и испарения капель, учитывающая различные внешние факторы (темп нагрева, температура, геометрия каналов) с меньшим количеством эмпирических параметров и подтвержденная экспериментальными данными на базе классических гидродинамических моделей и методов молекулярного моделирования;
- макроскопические и микроскопические характеристики спрейного распыления в дыхательных путях (полнота заполнения каналов, учет инерционного столкновения, седиментации (оседания) и диффузии, минимальный размер капель в спреях, распределения капель по размерам и скоростям);
- обобщенные результаты исследований с использованием безразмерных параметров (числа Рейнольдса, Вебера, Онезорге и др.);
- авторские CFD коды с разработанными моделями для Ansys Fluent, Comsol Multyphisics, Matlab, Mathematica и OpenFOAM в виде пользовательских функций;
- оптимальные (по размеру капель) условия распыления лекарственных препаратов с акцентом на получение требуемых размеров и компонентного состава капель при адресной доставке;
- механизмы управления распределениями капель по размерам, скоростям и компонентному составу в спреях при движении по сложной геометрии дыхательных путей;
- апроксимационные выражения, позволяющие описать характеристики лекарственных спреев с учетом варьируемых в экспериментах параметров;
- рекомендации практического использования результатов исследований в медицине, фармацевтике, образовательном процессе, а также для развития фундаментальной науки;
- технология адресной доставки лекарственных препаратов при спрейном распылении;
- статьи в международных журналах 1 квартиля, свидетельства о государственной программы для ЭВМ, патенты на разработанные методики управления спрейным распылением; доклады на международных конференциях мирового уровня.
Соответствие ожидаемых результатов проекта мировому уровню: анализ задела мирового научного сообщества по материалам, изложенным в статьях, опубликованных в 2018-2023 гг. в международных журналах 1 квартиля (Nature Medicine, Journal of Experimental Medicine, Reports on Progress in Physics, Annual Review of Physical Chemistry, Annual Review of Biomedical Engineering, Frontiers of Medicine и др.), показывает, что до настоящего времени не решена задача создания моделей, позволяющих достоверно определить характеристики адресной доставки лекарственных препаратов в дыхательные пути при спрейном распылении. Российский и Китайский коллективы участвуют в международных программах и взаимодействуют с коллегами из Франции, Великобритании, Италии и Израиля, которые являются лидерами в области разработки технологий спрейного распыления капель. Пока нет экспериментальных данных и комбинированных теорий для решения сформулированной в настоящем проекте ключевой задачи. Ее решение позволит опередить мировой уровень и усилить международную коллаборацию, работающую в области спрейного распыления лекарственных препаратов и их адресной доставки в дыхательные пути.
Значимость результатов проекта и возможность использования: спрейное распыление лекарственных препаратов с различным количеством компонентов и размерами капель направлена на получение мелкодисперсного аэрозоля с заданным составом и его адресной доставки в сложной геометрии дыхательных путей. Однако пока не созданы системы управления такими спреями для контролируемого изменения распределений капель в разных частях легкого. Для создания таких систем управления необходимы адекватные модели, базирующиеся на достоверных экспериментальных данных. Реализация проекта позволит получить необходимую экспериментальную базу, на ее основе с применением Эйлеро/Лагранжевого, Эйлеро/полного Лагранжевого методов, гидродинамических моделей и методов молекулярной динамики изучить нагрев и испарение капель, а также разработать унифицированные (без конкретных названий лекарственных препаратов, с учетом широкой группы их свойств и условий взаимодействия) математические модели. Это позволит придать новый импульс развития спрейных технологий в медицине в области ингаляционных средств доставки лекарственных препаратов, обладающих значимым потенциалом в области эволюции эффективной и безопасной терапии легочной и внелегочной патологии. Ключевыми критериями эффективности использования средства доставки будут служить: респирабельная фракция, высокая легочная депозиция при минимальном инспираторном усилии, удобство применения с минимальным количеством «шагов», экологичная и безопасная композиция. Так как коллектив планирует публиковать результаты в международных журналах 1 квартиля и предложить разработанные модели в виде CFD кодов для решателей в пакетах математического моделирования, то будет обеспечена возможность использования результатов проекта специалистами различной квалификации и в разных сферах. Обобщение результатов исследований с применением безразмерных параметров и чисел подобия позволит расширить современные представления о процессах тепломассопереноса, гидрогазодинамики и молекулярного переноса в многофазных и многокомпонентных спреях. Данная информация будет использована для модернизации магистерских программ подготовки специалистов в участвующих российских и китайских вузах.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ