Прогрев, испарение, доставка: российско-итальянская формула меняет аэрозольную терапию

Обычно капля лекарства в ингаляторе — это всего лишь мгновение в воздухе. Но от того, как она испаряется и прогревается, зависит, дойдёт ли препарат до нужного участка лёгких или осядет где-нибудь на полпути. Российские и итальянские учёные решили эту задачу по-новому. Они создали аналитическую модель, которая предсказывает поведение бинарной капли — состоящей из двух компонентов — при распылении в дыхательные пути.

Исследование опубликовано в журнале Physics of Fluids и выполнено при поддержке Российского научного фонда. В нём приняли участие специалисты Томского политехнического университета, Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе и Университета Бергамо (Италия).

Что в модели нового

Ранее все расчёты строились в основном на монокомпонентных каплях с равномерным прогревом. Однако в реальности всё сложнее: жидкость состоит из разных веществ, нагревается неравномерно, испаряется в условиях высокой влажности. Новая модель учитывает все эти параметры.

Ключевой особенностью работы стало аналитическое решение уравнений сопряжённого тепломассопереноса - одновременно в жидкости (внутри капли) и в окружающем газе. Это позволило точно прогнозировать, как изменяется радиус капли, её температура и состав по мере испарения.

Плюсы и минусы подхода

Сравнение моделей: старая vs новая

Советы шаг за шагом: как создаются точные лекарства для ингаляции

1. Выбирается нужный состав капли, подходящий для лечения конкретного участка лёгких.

2. Проводится тепломассопереносный расчёт: определяют, как компоненты будут вести себя при распылении.

3. Моделируется путь движения аэрозоля в дыхательных путях, включая повороты и сужения.

4. Определяется оптимальный размер и состав капель для эффективного осаждения на нужной поверхности.

5. Проверка на экспериментальных установках - как это делали учёные с каплей из воды и этанола.

Мифы и правда

Миф: аэрозольные капли испаряются равномерно
Правда: в многокомпонентных каплях компоненты испаряются с разной скоростью и в разном порядке

Миф: достаточно просто распылить лекарство — и оно дойдёт
Правда: без точной модели капли могут не попасть в нужную часть дыхательных путей

Миф: новые модели слишком сложны для медицины
Правда: аналитические решения ускоряют расчёты и делают технологии доступнее

FAQ

Что такое бинарная капля?
Это капля, состоящая из двух компонентов, например, вода и этанол — каждый из которых испаряется по-разному.

Зачем нужна такая сложная модель?
Она позволяет точно предсказать поведение капли в реальных условиях, таких как влажные дыхательные пути с нестационарным тепловым потоком.

Где это может применяться?
В производстве ингаляторов, аэрозольных вакцин, терапии бронхолёгочных заболеваний, в том числе при COVID-19 или астме.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

Ошибка: рассчитывать поведение лекарств по упрощённой модели
Последствие: лекарство не доходит до нужного участка, эффективность падает
Альтернатива: использовать аналитические модели тепломассопереноса с учётом структуры капли и параметров дыхательных путей

А что если всё лечение зависит от одной капли?

То, что раньше считалось физикой для инженеров, теперь становится ключом к точной медицине. Капля больше не просто капля — это сложная структура, чьё поведение влияет на результат терапии. И теперь, благодаря совместной работе российских и итальянских учёных, у медицины появился инструмент, чтобы управлять этим процессом с высокой точностью.