Коллектив исследователей, в составе которого сотрудники УрФУ, выяснил, как наногель перемещается в гидродинамическом потоке кровеносных сосудов. Иными словами, как умный носитель для лекарства перемещается по организму. Для этого математики разработали вычислительную модель двух видов наногелей (с кобальтом и ферритом кобальта), которая воспроизводит особенности реальных образцов. Модель позволяет анализировать препарат с помощью суперкомпьютеров без проведения исследований на животных.

Исследование опубликовано в Journal of Molecular Liquids.

Магнитные гели — мягкие полимеры со встроенными магнитными наночастицами — это перспективные магнитоуправляемые лекарственные носители. Микро- и наногели используют для доставки и постепенного высвобождения лекарств, в частности, токсичных противораковых препаратов. Магнитные частицы жестко связываются с полимерной матрицей геля, затем в магнитный наногель помещается лекарственный препарат. Суспензия вводится в кровеносную систему человека, и препарат локализуется вблизи воспаления.

«Размер исследуемых наногелей — менее одного микрона, это примерно в 100 раз меньше размера эритроцитов. Наше исследование было мотивировано вопросом: как магнитный наногель ведет себя в гидродинамическом течении крови? Что, например, если течение разорвет гель или закрутит его так сильно, что все лекарство будет выброшено где-то по пути к очагу воспаления. С помощью компьютерного моделирования мы выяснили, что наногель, даже в артериях с турбулентным течением, будет перемещаться медленно и спокойно. Это значит, что препарат устойчив и сможет доставить лекарство к заданной точке», — объясняет соавтор исследования, аспирант физического факультета Венского университета Иван Новиков.

Ученые отмечают, что экспериментальная характеристика процесса доставки лекарства – сложная задача. Проведение опытов на животных дает возможность увидеть лишь конечный результат — эффективность или неэффективность лечения, однако размер наногелей и скорость потока не позволяют определить влияние потока на форму и внутреннюю структуру геля. Для изучения происходящих внутри организма процессов ученые впервые применили компьютерное моделирование методом молекулярной динамики.

«Мы разработали оригинальную вычислительную модель магнитных наногелей, достаточно точно воссоздающую характеристики и свойства реальных образцов. Мы также создали реалистичные условия кровеносного течения. Это позволяет симулировать процесс введения препарата в кровь и изучить механическую реакцию геля на него. С помощью этого метода можно изучать различные типы наногелей, сравнивать их поведение, понять влияние намагниченности наночастиц на перемещение в организме, а значит — разработать рекомендации по использованию различных магнитных гелей в биомедицинских приложениях, микрореологии или тканевой инженерии», — отмечает доцент кафедры теоретической и математической физики, старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах УрФУ Екатерина Новак.

На данном этапе ученые сфокусировали внимание исключительно на поведении наногеля в отсутствии внешнего магнитного воздействия. В дальнейшем они планируют научиться управлять гелями различных составов, плывущими в потоке при воздействии внешнего магнитного поля: переменного, вращающегося или пульсирующего. Над исследованием работали ученые Уральского федерального университета и Венского университета (Австрия). Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда.