水凝胶作为载体用于药物缓控释的数学建模及过程模拟

摘要

聚合物水凝胶是由亲水性聚合物链通过物理作用或化学键链接而成的三维网络结构。作为典型的软物质,水凝胶在受到环境变化刺激时会产生响应性,改变自身的物理或化学状态。水凝胶的宏观尺寸和形状是由分子间相互作用力控制,而这些相互作用力是温度、聚合物交联密度、溶剂组分、pH值等的函数,可以通过调控这些因素来控制凝胶在溶胀和塌缩不同状态之间变化,实现智能响应行为。水凝胶不仅是一种智能材料,还具有良好的生物相容性,这使其成为理想的药物载体广泛应用于生物医药领域。
　　 药物传递的根本目的是获得高效低毒的药物治疗效果,药物控制释放就是以物理或化学的方法将药物分子与载体材料相结合,通过扩散、渗透等方式,在体内特定部位将药物分子以一定的浓度释放出来,达到充分发挥药效的目的。可控药物释放系统与传统的药物传输系统相比能够提供更加稳定的药物释放过程,这不仅避免了血液中药物浓度过高带来的毒副作用,而且可以延长药物的作用时间,成少药物的浪费。
　　 由于聚合物水凝胶载药系统的释药过程非常复杂,且具有多学科交叉等特点,使得定量描述药物释放过程并对其进行调控异常困难。因此,建立数学模型深入研究药物释放机理并分析药物缓控释调控规律具有重要意义:一方面从理论上进一步完善聚合物水凝胶系统溶胀释药的机理,对软物质科学的发展起到推动作用;另一方面为聚合物水凝胶材料载药系统的研发和应用提供指导。
　　 本工作基于多相理论建立数学模型,通过对菲克定律的拓展将药物释放过程与聚合物水凝胶溶胀过程耦合,借助有限元方法,探究初始载药量等因素对药物释放过程的影响;建立靶向释药系统的数学模型,研究酶浓度及反应速率对药物释放过程的影响;基于聚合物凝胶体积相变连续性理论,初步探索水凝胶大变形释药过程的数值模拟方法,实现水凝胶溶胀度达到150％的药物释放过程模拟。通过上述研究,揭示了聚合物凝胶溶胀释药的机理,探索了药物释放过程中各物理量的演变及药物缓控释调控因素的影响规律,进而推动聚合物水凝胶作为载药体在生物医药领域的应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 水凝胶材料

1．2 药物缓控释系统

1．2．1 药物缓控释系统简介

1．2．2 药物缓控释系统分类

1．3 药物缓控释的过程及影响因素

1．3．1 药物缓控释过程

1．3．2 药物缓控释过程的影响因素

1．4 药物缓控释过程数学建模的研究进展

1．4．1 经验／半经验的药物释放模型

1．4．2 机理药物释放模型

1．5 本工作的研究意义、内容和创新点

第二章 水凝胶溶胀释药理论基础

2．1 水凝胶溶胀热力学理论

2．1．1 橡胶热力学

2．1．2 聚合物网络溶胀理论

2．2 水凝胶溶胀动力学模型

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程

2．3 药物释放动力学理论

2．3．1 扩散动力学

2．3．2 对流传质理论

2．4 酶反应动力学理论

2．5 本章小结

第三章 水凝胶小变形溶胀释药过程的数学建模和数值模拟

3．1 有限元方法和软件平台简介

3．1．1 有限元方法简介

3．1．2 有限元软件平台简介

3．2 数学建模及模型验证

3．2．1 数学建模

3．2．2 模型验证

3．3 数值模拟算例及结果讨论

3．3．1 数值模拟算例及参数取值

3．3．2 结果分析与讨论

3．4 本章小结

第四章 水凝胶小变形溶胀释药模型的拓展研究

4．1 酶反应条件下水凝胶小变形溶胀释药的数值模拟

4．1．1 数学模型及程序实现

4．1．2 数值模拟结果分析与讨论

4．2 水凝胶大变形溶胀释药过程的数值模拟

4．2．1 水凝胶体积相变分析

4．2．2 水凝胶大变形溶胀释药数值模拟的初步探索

4．2．3 数值模拟结果分析及讨论

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成的论文

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