Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка комплекса программ для моделирования трансформирующихся магнитных систем управления микро- и наночастицами

Сведения об участнике
ФИО
Мерзлова Наталья Николаевна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Физика конденсированных сред. Физическое материаловедение
Тема
Разработка комплекса программ для моделирования трансформирующихся магнитных систем управления микро- и наночастицами
Резюме
Для качественного управления нано- и микрочастицами в современных технологических процессах и медицине к магнитных систем управления (МСУ) предъявляются следующие требования:
-высокая степень адаптивности конструкции МСУ;
-высокая точность управления частицами в
глубоких слоях среды;
-высокая точность управления частицами в
значительно неоднородной среде.
Таким образом, геометрия магнитного поля крайне важна, и ее следует учитывать при проектировании технологии магнитного целевого воздействия и построении МСУ, что подтверждает актуальность моего проекта.
Ключевые слова
Наночастицы, магнитные поля, онкозаболевания, глубокие ткани
Цели и задачи
Создание программного комплекса “Комплекс программ SEM для проектирования и контроля трансформирующихся магнитных систем управления (МСУ) нано- и микрочастицами”. Комплекс программ SEM для проектирования и контроля трансформирующихся магнитных систем управления (МСУ) нано- и микрочастицами предназначен для моделирования, проектирования и создания новых магнитных систем для управления нано- и микрочастицами в биомедицине.
Введение

В мире наблюдается постоянный рост онкозаболеваемости (ежегодно регистрируется 8 миллионов, а к 2030 году, согласно данным ВОЗ, в мире ожидается 22 миллиона больных раком).

Прогресс в использовании магнитных нано-и микрочастиц в биомедицине значительно превысил ожидания. В настоящее время нано- и микрочастицы используются в локализованной терапии для доставки наркотиков или химиопрепаратов с помощью градиента магнитного поля (МП) к определенным локализациям; магнитно-жидкостной гипертермии для селективной тепловой абляции опухолей за счет нагрева магнитных частиц МП высокой частоты; тканевой инженерии для дистанционного управления развитием функциональной ткани; в МРТ в качестве контрастных агентов.

 

 

 

Методы и материалы

       Эффективность перечисленных методов снижается при расчете поля в неоднородных средах с особенностью решения в окрестности угловых точек, а также в многофазных средах с тонкими включениями, характеризующимися нелинейными материальными свойствами. Все вышеперечисленные особенности сред имеют место при использовании трансформирующихся МСУ нано- и микрочастицами в онкологии.

      Как показали результаты исследований, с целью повышения точности таких оценок при проектировании МС в биомедицине актуально использовать разработанные в России высокоточные численно-аналитические методы стандартных элементов (МСЭ). 

      Преимущества метода:

  1. Сокращение объема вычислений благодаря уменьшению порядка разбиения расчетной области путем введения в ней стандартных элементов (СЭ) и блоков из них.
  2. Повышение гладкости решения благодаря меньшему числу СЭ в расчетной области, чем, например, конечных элементов в МКЭ.
  3. Использование точного решения краевой задачи в СЭ вместо его линейной или иной приближенной аппроксимации.
  4. Обеспечение высокой точности склейки нормальных производных на границах СЭ.
  5. Предварительная оценка точности аппроксимации решения с использованием функционала краевой задачи и математической модели СЭ на тестовых примерах для каждого СЭ.
  6. Использование коэффициентов рядов Фурье для следов решения вместо узловых значений при “склейке” СЭ.
  7. Блочно-ленточная структура решаемых СЛАУ.
  8. Учет  особенности решения в окрестности угловых точек.
Описание и обсуждение результатов

Наиболее масштабной областью применения МСУ магнитными нано- и микрочастицами в медицине является онкологические заболевания. 

Уже существуют компании,  производящие нагруженные магнитные наночастицы:

  • компания FeRx, Inc. (основанная в 1997 г.)
  • компания Chemicell GmbH (TargetMAG-доксорубицин)
  • компания Chemicell (FluidMAG®)
  • компания Alnis Biosciences, Inc. (магнитный гидрогель с наночастицами (MagNaGel®))

Повышенная точность также управления необходима в связи:

  1. Потребностью точного расчета поля и его градиента для управления временем удержания наночастиц в заданной области.
  2. Потребностью точного расчета величины поля которое запускает механизм десорбции препарата. При  введении магнитных частиц на глубину до 10-15 см. внутрь организма приходится работать с сильно ослабленными полями.
  3. Накоплением магнитных частиц не только в целевой области, но также и по всему поперечному сечению от внешнего источника до глубины,  которая является пределом эффективного поля.

Таким образом, на основание приведенной литературы можно сделать вывод, что:

  1. Использование МСЭ для численного расчета плоскопараллельного магнитного поля магнитной системе позволяет значительно сократить степень дискретизации расчетной области.
  2. Методика МСЭ, основанная на использовании на границах СЭ  узлов, позволяет обеспечить высокую точность расчетов, при малой размерности дискретной модели.
  3. МСЭ позволяет при вычислении значений силы Fy (притяжения или отталкивания) использовать коэффициенты разложения потенциала и его нормальной производной в ряд Фурье,  вычисленные на границе СЭ, ничего не предполагая о поведении потенциала в СЭ.
  4.  Применение МСЭ позволило  сократить размерность расширенной матрицы решаемой системы уравнений и обеспечить точность решения, не прибегая к специальным  алгоритмам ее формирования (ленточной матрице).
  5.  Сравнение погрешностей МСЭ и других численных методов в расчете силовых взаимодействий в расчетных магнитных системах показало  преимущество  МСЭ по точности.
Используемые источники
1. Пашковский А. В . Метод стандартных элементов в расчете магнитного поля линейного двигателя с постоянными магнитами // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2010. № 2. C. 130 – 136.
2. Пашковский А. В. Повышение точности расчетов магнитного поля и силовых характеристик электромеханических устройств комбинированным методом стандартных и конечных элементов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2010. № 3. C. 140 – 145.
3. Пашковский, А.В. Блочные численно-аналитические методы и новые математические модели в расчете силовых взаимодействий наночастиц / А.В. Пашковский, В.И. Пашковский // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2012. – № 4. – C. 39-44.
Information about the project
Surname Name
Merzlova Natalia
Project title
Development of a complex of programs for modeling transforming magnetic control systems micro - and nanoparticles
Summary of the project
For quality control of nano - and microparticles in the modern technological processes and medicine, to magnetic control systems (IAS) has the following requirements:
-high degree of adaptability of the structure of MSU;
-particle high control accuracy
the deep layers of the environment;
-particle high control accuracy
significantly inhomogeneous medium.
Thus, the geometry of the magnetic field is extremely important and should be considered when designing technology magnetic targeted exposure and building of MSU, which confirms the relevance of my project
Keywords
Nanoparticles, magnetic field, Oncology, deep tissue