Simulation of flow and deposition of drug delivery carriers in the respiratory tract:
Creators: name: Καρακώστα, Παρασκευή Χρ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Αναπνευστικό σύστημα
Υπολογιστική ρευστοδυναμική
Εναπόθεση σωματιδίων
Ρινική κοιλότητα
Πνευμονικό σύστημα
Respiration system
CFD (Computational Fluid Dynamics)
Particle deposition
Nasal cavity
Pulmonary system

description: The transfer and deposition of particles in the respiratory system is of major interest to the scientific and medical community in terms of the development of targeted drug delivery formulations but also due to the increasing concerns over the potential toxicity of natural and engineered particles. Experimental and theoretical works have focused on different regions of the respiratory system, e.g., oropharyngeal, nasal, pulmonary, and alveolar regions, where many aspects of particle penetration and deposition have been investigated. However, several issues remain to be elucidated including the deposition of non-spherical particles and fibres, particle dispersion and aggregation, changes in particle size and shape and finally the fate of deposited particles (e.g., reactivity and penetration) and their impact on biological systems. Traditional research methodologies into biological systems such as the human nasal cavity have always been challenging due to its invasive nature. With the increase of computer power and advancement of modeling software, the study of turbulent gas-particle flow problems using computational fluid dynamics (CFD) techniques is gradually becoming attractive in the engineering field. Alternatives for human subjects have involved replicate casts to study the fluid dynamics as well as gas-particle flows for therapeutic and toxicology studies. Recent advances in the medical imaging field have allowed the reconstruction of a computational model for fluid dynamics analysis of the nasal cavity from computerized tomography (CT) scans. The locally constrained watershed approach was used for the image segmentation to acquire a cloud of data points from CT, which formed the basis for the surfaces. The final step involved creating the volumes and a computational mesh. Two basic CFD approaches are used to simulate the gas-particle flow, i.e. the Eulerian-Lagrangian model and the Eulerian- Eulerian model. The aim of this thesis is two-fold: i) to investigate the performance of both the Eulerian-Lagrangian model and the Eulerian-Eulerian model to simulate the turbulent gas-particle flow; ii) to investigate the airflows and contaminant particle flows using the Eulerian-Lagrangian model.Specifically a theoretical investigation on flow, particle motion, and deposition in the respiratory system is reported. A computational model of the respiratory system is developed comprised of nine sequential computational blocks corresponding to the nasal cavity, the pharyngo-trachea, and a series of branches of the pulmonary system, each of these blocks investigated explicitly. The airflow was first simulated and detailed airflow structures such as local vortices, wall shear stresses, and pressure drop and flow distribution were obtained. Airflow during steady-state inhalation inside the human respiratory system was determined using computational fluid dynamics (CFD) for inlet velocities, vin = 1-20 m/s, corresponding to inhalation flow rates of 9 to 180 L/min, and particle deposition was examined in detail for particle sizes, D=1-20μm. Local deposition efficiencies as well as spatial distribution of deposited particles were found to be strongly dependent on the particle size and volumetric flow rate.
description: Η μεταφορά και η εναπόθεση σωματιδίων στο αναπνευστικό σύστημα αποτελεί μείζονος ενδιαφέροντος από επιστημονική και ιατρική άποψη, τόσο για την ανάπτυξη της στοχευόμενης χορήγησης φαρμάκων, όσο και για την πιθανή τοξικότητα των σωματιδίων. Πειραματικές και θεωρητικές μελέτες έχουν επικεντρωθεί σε διάφορες περιοχές του αναπνευστικού συστήματος, π.χ., στοματοφαρυγγική, ρινική, πνευμονική και κυψελιδική περιοχή, όπου έχει μελετηθεί η διείσδυση των σωματιδίων και η εναπόθεσή τους. Ωστόσο, αρκετά ζητήματα παραμένουν προς διευκρίνιση συμπεριλαμβανομένου και της εναπόθεσης μη σφαιρικών σωματιδίων και ίνες, τη διασπορά των σωματιδίων και τη συσσωμάτωση, τις αλλαγές στο μέγεθος των σωματιδίων και το σχήμα, την τύχη των εναποτιθέμενων σωματιδίων (π.χ., αντιδραστικότητα, διείσδυση), καθώς και το αντίκτυπο που θα έχουν στα βιολογικά συστήματα. Μέθοδοι έρευνας σε βιολογικά συστήματα, όπως το αναπνευστικό σύστημα του ανθρώπου πάντα αποτελούσε πρόκληση για έρευνα. Με την αύξηση της υπολογιστικής ισχύος και την εξέλιξη του λογισμικού μοντελοποίησης, η μελέτη της τυρβώδης ροής σε προβλήματα ροής αέρα και σωματιδίων με τη χρήση υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) αποκτά όλο και περισσότερη σημασία. Για την προσομοίωση της ροής του αέρα-σωματιδίων χρησιμοποιούνται δύο βασικά μοντέλα του CFD. του Eulerian-Lagrangian και του Eulerian- Eulerian. Μέσω της απεικόνισης ανθρώπινων οργάνων, μελετάται η δυναμική των ρευστών, καθώς και οι ροές αερίου-σωματιδίων για θεραπευτικές και τοξικολογικές μελέτες. Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της ιατρικής απεικόνισης, έχουν επιτρέψει την ανοικοδόμηση ενός υπολογιστικού μοντέλου για την ανάλυση της δυναμικής του αναπνευστικού συστήματος μέσω της αξονικής τομογραφίας (CT). Με αυτή, γίνεται απεικόνιση του μοντέλου από μια πληθώρα σημείων, η οποία θα αποτελέσει τη βάση για τη δημιουργία της επιφάνειας. Το τελευταίο βήμα είναι η δημιουργία όγκων και το υπολογιστικό πλέγμα. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της απόδοσης των μοντέλων του Eulerian-Lagrangian και του Eulerian-Eulerian για την προσομοίωση της τυρβώδης ροής των αερίων-σωματιδίων καθώς και της μελέτης του ρεύματος του αέρα και την πρόσμειξη των ροών των σωματιδίων, χρησιμοποιώντας το μοντέλο Eulerian-Lagrangian. Συγκεκριμένα, γίνεται μια θεωρητική μελέτη της ροής, της κίνησης των σωματιδίων και της εναπόθεσής τους στο αναπνευστικό σύστημα. Το υπολογιστικό μοντέλο του αναπνευστικού συστήματος που έχει αναπτυχθεί αποτελείται από εννέα διαδοχικά υπολογιστικά τμήματα που αντιστοιχεί στη ρινική κοιλότητα, το φάρυγγα-τραχεία και μια σειρά από κλάδους του πνευμονικού συστήματος όπου το καθένα από αυτά τα τμήματα έχουν μελετηθεί αναλυτικά. Η πρώτη προσομοίωση ήταν η ροή του αέρα και οι λεπτομερείς περιγραφές αυτής, ενώ στη συνέχεια μελετήθηκαν οι τοπικές δίνες, η διατμητική επιφάνεια, η πτώση πίεσης και η κατανομή της ροής. Η ροή του αέρα κατά την εισπνοή σε σταθερή κατάσταση μέσα στο ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα καθορίστηκε με τη χρήση υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) για ταχύτητες εισόδου, vin = 1-20m/s, που αντιστοιχεί σε ταχύτητες ροής εισπνοής των 9 έως 180 L/min και η εναπόθεση σωματιδίων έχει εξεταστεί λεπτομερώς για μέγεθος σωματιδίων, D = 1-20μm. Τοπικές βελτιώσεις της αποτελεσματικότητας εναπόθεσης καθώς και η χωρική κατανομή των εναπομενόντων σωματιδίων διαπιστώθηκε ότι είναι εξαρτώμενη σε μεγάλο βαθμό από το μέγεθος των σωματιδίων και την ογκομετρική παροχή.