你掐过神经吗?感觉就像被一个小闪电击中，但谢天谢地，疼痛往往会在几天内消失。然而，那些遭受更严重伤害的人就没那么幸运了，痛苦会持续数月。药物输送系统，如神经导管，可以帮助加速愈合过程。当设计这种装置时，生物工程师需要彻底了解药物反应动力学。这就是模拟的来源…

　　药物输送神经导管治疗神经损伤

　　神经充当身体的控制和信息系统，使我们能够微笑和挥手，并在感觉太热时告诉我们。当其中一个细胞受到挤压、拉伸或其他伤害时，该区域开始发出求救信号，导致从轻微不适和僵硬到刺痛、麻木和剧烈疼痛的感觉。

　　佩戴腕关节矫正器有助于缓解腕管综合征的症状，腕管综合征是由正中神经受压引起的常见症状。

　　当神经损伤严重时，医生必须尽快修复神经。一种方法是植入神经导管。神经导管有助于神经正确生长，确保组织愈合时路径不会缠结。它们也可以被设计成在现场输送药物，以减轻疼痛并加速愈合过程。这些小装置不会留下太多疤痕，也可以由可生物降解的生物材料制成，所以它们甚至不需要移除。

　　神经导管利用人体的愈合机制来控制药物的释放。当组织受损时，它会产生一种酶。一旦插入神经导管，这种酶就会慢慢侵蚀药物周围的物质。最靠近组织的部分降解最快，所以药物被“引导”到受损的神经。

　　如同任何药物输送装置(例如透皮给药贴剂)，控制药物反应的行为对神经导管至关重要。例如，生物工程师必须确保药物释放随着时间的推移保持稳定，对于患者的安全和舒适而言，不会变得过多(避免“突然释放”)或过少。然而，理解这种行为可能很困难，因为它受到几个方面的影响，包括:

　　   * 药物装载和传播

　　   * 生物材料的降解和吸引力

　　   * 设备的几何形状

　　为了深入了解这些因素如何影响药物反应动力学，生物工程师可以使用模拟。在下一节中，我们将看一个用COMSOL多物理软件和附加组件化学反应工程模块。

　　模拟生物材料神经导管的药物释放

　　该模型由受损的神经细胞组织、代表神经导管的生物材料基质和包围两者的介质组成。在生物材料中，药物分子附着在肽上，肽又与基质结合。

　　你可以分两部分分析药物反应动力学:完全混合的环境和依赖空间的环境。第一个是0D，它只解决药物反应动力学随时间的变化，使用反应工程描述反应系统的界面。至于依赖空间的系统，它显示了药物是如何通过稀释物种的运输追踪分子运动的界面。这里，神经导管在3D中具有圆柱形几何形状，如下所示;但是，您可以利用轴对称性将模型简化为2D模型。

　　神经细胞、生物材料神经导管(左图中红色)和3D(左)和2D(右)环境的空间依赖模型。

　　为了研究分子如何随时间释放，通过0D模型研究了两种类型的药物释放机制:

　　   1.药物只是从肽中分离出来，而肽仍然附着在基质上。

　　   2.基质由于酶催化作用而降解，释放药物肽物种。一旦释放，物种就会分离。

　　至于2D模拟，您可以检查药物如何随时间在模型中扩散，确定指南是否有助于药物正确靶向受损神经。

　　请注意，矩阵中可能有多种类型的反应。虽然我们在这篇文章中没有详细介绍这些反应的建模，但是您可以在生物材料矩阵教程文档中的药物释放。

　　在COMSOL软件中评价药物反应动力学

　　下面，您可以查看不同分子的浓度是如何随时间变化的。在模拟开始时，你可以看到第一个作用机制:药物简单地解离。如下图所示，与基质结合的药物肽种类的数量迅速开始下降，而与基质结合的肽种类的数量却在上升。这些变化也反映在药物浓度的快速上升上，达到其最大含量(~7.71摩尔/米3)只需0.03秒。

　　随着生物材料降解，总共需要大约5000秒，第二种药物释放机制开始发挥作用，发生在10到5000秒之间。结果显示未结合物种，特别是肽的显著增加，以及结合物种的相应减少。然而，在这些变化过程中，药物浓度保持不变。如上所述，这种稳定的释放对于神经导管的设计至关重要，因为药物剂量的变化会对患者造成严重的风险。

　　药物释放过程中物种的浓度。

　　很明显，药物释放是均匀的，所以接下来，让我们看看药物是如何扩散到神经和周围区域的。

　　依赖空间的系统

　　如下图所示，您可以查看药物浓度随时间在不同区域的分布。酶来源于细胞组织，因此当生物材料降解时，它有助于将药物导向受损的神经。模拟结束时，最大浓度在神经的中心，这意味着向导成功地输送了药物。此外，可以观察生物材料随时间的降解，尽管这里没有显示。

　　药物在神经细胞组织、神经导管和周围环境中的浓度。