Comsol离子泳微针刺穿皮肤过程模拟
摘要
本文探讨了微针技术与离子泳在药物递送中的应用，通过有限元数值方法模拟了离子泳微针穿透皮肤的过程。微针技术通过穿透角质层实现药物递送，离子泳利用电场作用促进药物传输。建立微针和皮肤模型，设置相关参数，进行仿真计算，展示了微针与离子泳结合在药物递送中的潜力。研究结果对于优化微针设计和离子泳条件，提高药物递送效率和安全性具有重要意义。
正文
关键词：
微针技术；离子泳；电驱动；多孔介质传递；有限元；数值计算
1. 微针式离子泳器件
1.1 微针技术
微针（Microneedles，MN）是一种新型的物理促透技术，由多个微米级的细小针尖以阵列的方式连接在基座上组成，针体一般高10~2000微米、宽10~50微米。微针的长度、大小和形状可根据治疗的需求进行个体化设计。微针能定向穿过角质层，产生微米尺寸的机械通道，将药物直接置于表皮或上部真皮层，不用通过角质层即可参与微循环，发挥药理反应。
微针递送药物时将活性成分装载于微针阵列中，药物与皮下组织液之间的浓度梯度形成驱动力，致使药物缓慢释放进入体内，除了具有经皮递送系统的优势外，还有如下优势：
（1）透皮吸收速率稳定；
（2）控制微针长度可避免触及毛细血管和神经末梢，降低或消除疼痛感；
（3）给药方式便捷，可自行使用。
图1. 微针模型
1.2 离子泳
离子泳又称电泳，是指在外电场的作用下，带电颗粒，如不处于等电状态的蛋白质分子，将向着与其电性相反的电极移动的现象，可用于氨基酸、肽、蛋白质和核苷酸等生物分子的分析分离和制备。电泳分类：① 自由界面电泳；② 区带电泳。
第一，滤纸电泳和薄膜电泳（如碏酸纤维薄膜电泳和聚酰胺薄膜电泳）；
第二，粉末电泳，支持介质是淀粉、纤维素粉或硅胶粉等，粉末与适当的溶剂调和，铺设成平板；
第三，细丝电泳，如尼龙丝和其他人造丝电泳，这是一类微量电泳；
第四，凝胶电泳，最常用的支持介质有聚丙烯酰胺凝胶（适于分离蛋白质和寡核苷酸）和琼脂糖凝胶（适于分离核酸）。
图2. 根据离子泳原理制成的电源
2. 物理模型
根据设计图纸，选择直接在Comsol自带的建模软件模块绘制微针和人体皮肤模型，模型如图3所示。模型中各部分结构材料均可在材料库中直接添加使用。仿真计算还需设置材料的扩散系数、相对介电常数和电导率参数，为了计算结果的准确性，以上参数均从相关资料以及现有实验数据中获得，如图4所示。
图3. 计算模型
图4. 材料参数设置
3.物理场边界条件
离子泳微针 刺穿皮肤的模拟过程选择ACDC的电流模块和多孔介质稀物质传递模块进行计算，通过给皮肤表面的微针施加电压激励以及药物浓度的扩散，可以得到离子泳微针 刺穿皮肤过程中药物的浓度变化，详细物理场边界条件设置如图5所示。
图5. 物理场边界条件
网格剖分质量是影响计算过程收敛性和计算结果准确性的关键因素，网格剖分质量越高，计算结果的准确性也越高，但过于精细的剖分单元对计算机的要求越苛刻，网格剖分如图6所示。
图6. 计算模型网格划分图
4. 结果展示
计算模型采用瞬态求解器进行求解，计算总时长为30min，时间间隔选取1min。通过计算得到微针和皮肤的电势、电场及药物浓度如下所示。
图7. 电势分布
图8. 电场分布
图9. 电流密度流线分布
图10. 浓度分布
图11. 浓度流线分布
编辑：电子F430
文案： 小苏
审核： 赵佳乐
