尽管近年来纳米粒子在主流媒体中名声不佳，但几十年来它一直被成功应用于靶向药物输送系统。药物分子可以封装在可生物降解的纳米粒子中，输送到特定细胞或患病组织。然而，血流动力学会显著影响纳米粒子在目标部位结合的能力，以及停留足够长的时间以释放药物的能力。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校教授 Arif Masud 和 Hyunjoon Kong 汲取土木工程、机械工程、电气工程和化学工程的灵感，开发并测试了一种新的数学模型，以准确模拟血流对纳米颗粒药物载体粘附和保留的影响。该模型与体外实验非常吻合，证明了基于模型的模拟对纳米载体优化的影响。反过来，这将加速药物设计和针对特定患者的治疗。

虽然通过血液将治疗药物输送到患病组织是一种有效的治疗方法，但目前尚不清楚血流动力学对纳米颗粒药物载体在目标部位的滞留有多大影响，动物模型和人类之间的滞留可能存在很大差异。有许多因素会影响个人的血流速率，包括年龄、性别和体力活动水平，这是一个非常复杂的问题。

“以高层建筑为例：它有许多管道和角度，但水可以到达建筑物的每个点，”马苏德解释道。“同样，我们的身体中也有类似的网络，但‘管道’一直在移动和弯曲。这项工作的主要贡献是开发了一种技术，可以通过确定流速、运输到特定点以及将纳米载体附着到该位置来优化药物输送。”

Kong 补充道：“之前也有研究使用小鼠模型和体外组织模型。然而，我们设计纳米粒子大多是通过反复试验。这是首次在物理学的指导下，对纳米粒子进行更系统、更稳健的设计。”

Masud 和他的团队一直在研究血流数学模型，但模型和实验数据并没有产生相同的结果，因为他们假设血流发生在理想化的环境中。他们意识到需要引入新的想法来获得匹配的结果。

首先，内皮细胞表面(血管内壁的单细胞层)在微观尺度上并不像抛光玻璃那样光滑。为了调整这种粗糙度，他们采用了机械工程中的粗糙度模型，该模型考虑了接触材料受力时产生的变形。这种模型通常用于金属，但研究人员对其进行了修改，以适应细胞材料。

然后，为了将纳米载​​体从大量血流中吸引到内皮表面，进而穿透病变组织，他们使用了电气工程中的洛伦兹力概念。他们没有使用磁引力，而是利用蛋白质之间的引力，将纳米载体涂上病变组织在目标部位分泌的相同蛋白质。

最后，马苏德的团队其实是从一篇研究泰晤士河床表面形成和沙粒沉积的旧土木工程论文中汲取灵感。他们利用这篇论文创建了边界层区域颗粒流动的模型。

马苏德说：“我们从非常不同的工程领域获得了这些新想法，并且该模型开始发挥作用。”

Masud 的团队首先开发了数学模型，然后为了完善它，Kong 的团队在精心设计的内皮细胞层生物室中进行了实验。纳米粒子以复制动脉系统的速率注入，然后在清洗周期中冲洗以确定剩余粒子的浓度。根据结果，进一步优化模型，直到模拟和实验产生类似的结果。

“该模型非常通用，可以应用于任何类型的疾病、不同形状的纳米颗粒和不同的药物，”马苏德解释说。“计算机模型的优点在于，我们可以在数字环境中优化药物设计和治疗，并将其应用于特定患者。”

利用 MRI 和 CT 等先进成像技术，可以重建患者的动脉结构，同时包括其特定的血压、血液成分和粘度。“我们可以创建活体人类的数字孪生，以优化该患者的药物，”马苏德说。

这可以大大缩短为特定患者找到最佳治疗方案的时间，而这可能需要数月甚至一年或更长时间。使用此模型，只需 24 到 48 小时即可在超级计算机上完成模拟。

此外，Masud 和 Kong 还能够模拟纳米颗粒尺寸的影响，并发现较大的颗粒实际上在内皮层粘附和保留方面表现更好。研究人员通常专注于较小的颗粒，以便它们能够穿过较小的毛细血管并到达目标位置。“但模拟和实验的一个有趣发现是，对于小直径的纳米颗粒，由于外部流动，颗粒损失显著，”Kong 说。

模拟显示，200 纳米粒子存在分离问题，会被外部流动冲走。将直径增加到 1000 纳米会使纳米粒子太大而无法运输。但 700 纳米是“金发姑娘”尺寸，可以优化粒子在血管壁上的附着。

这一有趣的发现凸显了模拟在药物设计和给药中的重要性。孔说：“使用小鼠模型似乎并不总是对人类有效。我们在血流方面的生理特性非常不同。总的来说，模拟可能是一个非常强大的工具。”

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