建模与嗅觉药物传送的模拟与鼻吸入气雾剂药品的被动和主动控制

该方法的总体目标是开发不同的方案，在基于图像的鼻气道模型中将药物输送到嗅觉区域。这种方法可以帮助回答攻击神经药物递送的关键问题，例如：向嗅觉区域输送足够剂量是否可行。如何控制鼻子中的粒子运动。

嗅觉定位的最佳实践是什么？该技术的主要优点是可以实现显着增强的嗅觉剂量。这是从鼻子到大脑的药物输送的关键步骤。

该技术的含义延伸到脑肿瘤的治疗。由于沉积在嗅觉区域的药物颗粒可以直接进入大脑。首先获取一名健康、不吸烟的 53 岁男性的磁共振或 MR 图像，该图像由 72 个冠状横截面组成，间隔 1.5 毫米，从鼻孔到鼻咽。

打开成像软件，然后单击 File （文件）、Import Images （导入图像） 导入 MR 图像。选择 MR 图像并单击 OK.To 构建 3D 模型，单击 Segmentation，然后单击 Threshold。将灰度范围设置在负 1024 和负 419 之间。

单击 Segmentation 和 Calculate 3D。接下来，单击 Segmentation 和 Calculate Polylines。选择 3D 实体，然后单击 OK 生成定义实体几何图形的多段线。

将多段线导出为 IGES 文件。现在，打开模型开发软件，然后单击 File、Import 和 IGES 将 IGES 文件导入程序。然后，单击右侧面板上的 Edge Command 按钮，单击 Create Edge，然后选择 NURBS 以重建平滑轮廓。

单击 Face Command 按钮，然后单击 Form Face。选择 Wire Frame 以从边构建曲面。继续构建覆盖整个气道的所有表面。

保留鼻部解剖细节，例如悬雍垂、会厌皱襞和喉窦。单击 File（文件）、Export（导出）、IGES（IGES）以导出鼻气道模型。接下来，打开网格划分软件。

单击 File、Import Geometry、Legacy 和 STEPIES 以导入鼻气道模型。单击"创建部件"将气道表面分为五个不同的区域：鼻前庭、鼻瓣、鼻甲区域、嗅觉和鼻咽。通过单击 Mesh （网格） 和 Global Mesh Setup （全局网格设置） 在气道内生成计算网格。

将最大网格大小指定为 0.1 毫米，然后单击 Apply。最后，通过单击 Compute Mesh、Prism Mesh 在近壁区域添加体拟合网格。将层数指定为 5，将扩展比率指定为 1.25，然后单击 应用.

首先打开模型开发软件，开发带有前庭插管的鼻模型。单击 Volume（体积），然后单击 Move Copy（移动副本），将雾化器导管的位置从鼻孔尖端更改为进入前庭 5 毫米的位置。单击"注入"，将 150 纳米颗粒释放到鼻孔中。

然后，打开流体模拟软件以计算鼻子内部的粒子沉积速率。要计算气道内的气流场，请点击定义、模型、粘性来选择层流模型，然后在粘性模型下选择层流。要跟踪粒子运动，请选择 Discrete Phase Model（离散相位模型）。

选中 Discrete Phase Model 下的 Saffman Lift Force，单击 Report，然后选择 Sample Trajectories。要查找沉积在预定义嗅觉区域中的粒子数，请在 Boundaries 下选择 Naserval，然后单击 Compute。将沉积速率计算为沉积颗粒量与进入鼻孔的颗粒量之比。

接下来，开发带有背部前庭插管的鼻模型。执行与正面相同的过程。单击 Volume（体积），然后单击 Move Copy（移动副本），将雾化器导管的位置从后鼻孔更改为前庭 5 毫米。

单击"注入"，将 150 纳米颗粒释放到鼻孔中。通过将雾化器导管插入嗅觉区域正下方进行深插管。从雾化器中释放 150 纳米的颗粒。

使用流体和模拟软件计算鼻内颗粒沉积速率，包括总碱基和局部碱基，遵循与前庭插管类似的程序。最后，重复深插管，同时分别进行屏气和呼气。单击 Define 和 Boundary Conditions 以打开 Boundary Condition 面板。

在两个鼻孔处指定零速度以进行屏气。指定鼻孔处的真空压力为 200 帕斯卡，呼气出口处的压力为零。首先打开磁粉跟踪软件。

单击 Geometry 和 Rectangle 构建两个板通道。单击 Rectangle 以围绕两个板通道构建磁体。通过单击模型 1、层流和入口 1 来计算粒子轨迹和沉积速率。

然后，将入口速度指定为 0.5 米/秒。单击 Model 1、Magnetic Fields 和 Magnetic Flux Conservation 并指定三个磁体的强度。单击 Model 1、Particle Tracking for Fluid Flow 和 Particle Properties。

指定颗粒直径和密度，然后单击入口以释放 3， 000 个颗粒，要指定颗粒相对渗透率，请单击磁团力和计算。要查找所选区域中沉积的粒子数量，请点击 Results、1D Plot Group 和 Plot。将沉积速率计算为沉积在某个区域中的粒子量与进入几何结构的粒子量之比。

接下来，要调整磁体的强度，请单击 Model 1（模型 1），然后单击 Magnetic Fields（磁场）。选择 Magnetic Flux Conservation 并更改 Magnetization 下的磁体强度。将磁体强度增加 1 乘以 10 到 4 安培/米，然后单击 Compute。

首先，将最近获得的磁强度应用于 2D 机头模型，方法是在机头上方 1 毫米处放置三个磁体。单击 Model 1， Geometry 1 以指定磁体的大小和位置。然后，依次点击 Model 1、Particle Tracking for Fluid Flow 和 Inlet 将 3， 000 个粒子释放到左鼻孔中。

单击 Particle Properties （粒子属性） 将粒子大小指定为 15 微米。通过单击 Model 1、Laminar Flow 和 Inlet 1 来模拟粒子轨迹和随后的嗅觉传递效率。将入口速度指定为 0.5 米/秒。

单击 Model 1、Magnetic Fields 和 Magnetic Flux Conservation 并指定三个磁体的强度。最后，调整磁铁布局和强度，提高嗅觉传递效率。要调整磁体的大小和位置，请单击模型 1，然后单击几何 1，然后选择感兴趣的磁体并更改宽度、深度、高度或 X、Y 和 Z 的值。

选择 Magnetic Flux Conservation 并更改 Magnetization 下的磁体强度。将磁体强度增加 1 乘以 10 到 4 安培/米，然后单击 Compute。在 2D 模型中完成测试后，将 3D 鼻气道模型导入磁粉跟踪软件。

就像 2D 鼻子模型所做的那样，将四个磁铁放在鼻子上方 1 毫米处，然后从一个选定点释放 3， 000 个直径为 15 微米的颗粒。使用磁粒子跟踪软件跟踪粒子轨迹，并按照前面提到的类似程序计算嗅觉传递效率。按照与以前相同的步骤，调整 3D 模型中的磁体布局和强度，以改善目标向嗅觉区域的传递。

最后，测试从 1 到 30 微米不等的粒径，以找到合适的粒径，以最佳磁泳引导到嗅觉区域。由于鼻子结构复杂，传统的鼻装置通常将非常低剂量的药物输送到嗅觉区域。对于前庭插管，鼻腔下游有很强的颗粒释放。

正如预期的那样，对于 150 纳米和 1 微米的颗粒，前插管输送到嗅觉区域的药物颗粒比后插管多。为了评估磁泳制导的性能，使用两板通道来查找工作磁体强度，然后使用理想化的 2D 鼻模型来查找基线磁体布局，然后使用基于图像的 3D 鼻模型来测试性能。最佳嗅觉剂量来自 13 至 17 微米范围内的气雾剂。

一旦掌握，如果作得当，这项技术可以在两天内完成。在尝试此过程时，请务必记住，对于复杂的几何图形，该过程可能会更耗时。按照这个程序，还可以测试其他方法，如带电粒子的电引导，以回答带电粒子是否可用于有效的嗅觉药物输送。

在此发展之后，这项技术为靶向药物递送领域的研究人员探索磁场在肺部或其他器官中的应用铺平了道路。观看此视频后，您应该对如何使用 Fluent 和 Comsol 改进药物输送和进行仿真有了很好的了解。