Αριθμητική μελέτη της εξάλειψης μαγνητικών νανοσωματιδίων από την αιματική κυκλοφορία με τη χρήση εξωτερικού μαγνήτη
Creators: name: Τζηρίνη, Μαρία Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: μαγνητικά νανοσωματίδια
προσομοίωση τροχιών
εξάλειψη υπό την επίδραση μαγνητικού πεδίου
στοχευμένη μεταφορά φαρμάκων
magnetic nanoparticles
trajectory simulation
clearance using external magnets
magnetic drug targeting

description: Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να προσεγγίσει την τεχνητή απομάκρυνση των μαγνητικών νανοσωματιδίων από την αιματική κυκλοφορία υπό την επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, μέσω ενός μαθηματικού μοντέλου αντίστοιχου του μοντέλου της στοχευμένης μεταφοράς φαρμάκων και να προσδιορίσει τις συνθήκες υπό τις οποίες καθίσταται δυνατή η εξάλειψή τους. Συγκεκριμένα εξετάζει τρεις πιθανές διατάξεις τοποθέτησης ενός ή δύο όμοιων κυλινδρικών μαγνητών μαγνητισμένων διαμετρικά και τοποθετημένων κάθετα ως προς το αιμοφόρο αγγείο και διαμορφώνει τις εξισώσεις κίνησης των νανοσωματιδίων σύμφωνα με τη γεωμετρία τους. Η μελέτη γίνεται υπολογιστικά σε δύο διαστάσεις επιλύοντας αριθμητικά τις διαφορικές εξισώσεις και προσομοιώνοντας τις τροχιές των σωματιδίων, για διαφορετικούς συνδυασμούς τιμών των παραμέτρων οι οποίες επιδρούν στην κίνηση εκτιμώντας κάθε φορά το ποσοστό των σωματιδίων που καταφέρνει να απομακρύνει το μαγνητικό πεδίο, με στόχο να εντοπίσει τις βέλτιστες συνθήκες ώστε η πλήρης εξάλειψή τους να είναι επιτυχής. Οι παράμετροι που εξετάζονται είναι η μαγνητική επαγωγή και η ακτίνα του μαγνήτη, η απόστασή του από το αιμοφόρο αγγείο, η ακτίνα του αγγείου και η μέση ταχύτητα ροής, το ιξώδες του αίματος και η ακτίνα των νανοσωματιδίων. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων δείχνουν ότι η τεχνητή απομάκρυνση των τυπικών μαγνητικών νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου από τον οργανισμό μετά την οποιαδήποτε εφαρμογή τους είναι εφικτή ακόμη και με έναν μόνο απλό μαγνήτη νεοδυμίου (Ms=106A/m) σε συνήθεις διαστάσεις (Rm=1.5-2cm) αρκεί να μπορεί να τοποθετηθεί πολύ κοντά στο αιμοφόρο αγγείο (d≤2cm). Όσο μικρότερη είναι η διατομή του αγγείου, τόσο μεγαλύτερο το ποσοστό απομάκρυνσης σωματιδίων. Το χαμηλό ιξώδες (η=8.9 10-4Ns/m2) αποτελεί επίσης σημαντική προϋπόθεση επιτυχίας. Παράλληλα, η προσθήκη του δεύτερου μαγνήτη επιτρέπει την εφαρμογή της μεθόδου και για πιο απομακρυσμένα αγγεία, ιδιαίτερα όταν οι μαγνήτες τοποθετηθούν με αντίθετη πολικότητα
description: The computational study aims to approach magnetic nanoparticles clearance from blood circulation under the influence of an external magnetic field through the development of a two-dimensional mathematical model corresponding to one existing for magnetic drug targeting. To determine the optimal conditions under which nanoparticles can be successfully eliminated, the study examines three possible magnetic fields induced by one or two infinite cylindrical magnets, diametrically magnetized and positioned perpendicularly to the blood vessel. Nanoparticles’ differential equations of motion are formed according to each layout’s geometry. Then, they are numerically solved using classical fourth order Runge-Kutta method to predict nanoparticles’ trajectories, for different combinations of parameters’ values. Each simulation estimates the percentage of captured particles in order to find the combinations which lead to complete clearance. The examined parameters were magnet’s magnetization and radius, distance between magnet and blood vessel, blood vessel radius and average flow velocity, viscosity of blood and radius of nanoparticles. The simulations’ results show that artificial clearance of iron oxide magnetic nanoparticles is possible even with the use of a single conventional neodymium (Ms=106A/m) magnet (Rm=1.5-2cm) as long as it can be placed close to the blood vessel (d≤2cm). Moreover, the clearance percentage gets better as the blood vessel radius gets smaller, while low blood viscosity (η=8.9 10-4Ns/m2) is a significant factor for success. Finally, adding a second magnet allows the treatment of more distant vessels, especially when the magnets are placed with opposite magnetization