Modeling and Simulation of Magnetic Drug Targeting in Macro- and Microscale Blood Vessels

Magnetic Drug Targeting (MDT) ist eine neuartige Methode zur Verabreichung von Medikamenten. Sie basiert auf der Verwendung von medikamentenbeschichteten Nanopartikeln, die, wenn sie in den Blutkreislauf injiziert werden und einem magnetischen Feld ausgesetzt werden, an ausgewählte Stellen im Körper geleitet werden können. Die numerische Strömungssimulation ist ein hilfreiches Werkzeug um derartige Prozesse auszulegen. Diese Arbeit befasst sich mit der Simulation eben solcher Prozesse in Arterien und Arteriolen. Hierfür wurden zwei Methoden entwickelt, die gefäßgrößenabhängige Effekte berücksichtigen. Die erste berücksichtigt das nichtnewtonsche Fließverhalten von Blut auf Basis des verallgemeinerten newtonschen Fluids unter Verwendung des Carreau-Yasuda Modells. Die zweite, Effekte, die aufgrund einer ähnlichen Größenordnung der Abmessungen von roten Blutkörperchen und Gefäß auftreten, mittels der Euler-Euler Methode. In beiden Methoden wird der Transportprozess von Nanopartikeln durch eine Konvektions-Diffusionsgleichung unter Verwendung von Driftgeschwindigkeiten beschrieben. Das magnetische Feld wird über eine Potentialgleichung gelöst. Alle verwendeten Löser wurden in den Open-Source-Programmen foam-extend und OpenFOAM erstellt. Studien werden für zweidimensionale Vereinfachungen von Gefäßen und für realitätsnahe dreidimensionale Bifurkationsströmungen durchgeführt. Aufbau der Studien ist immer, dass ein Permanentmagnet in der Nähe des Strömungsgebiets platziert ist. Aspekte der Übertragung von magnetischen Feldern auf das Strömungsnetz, der Einfluss einer Durchlässigkeit der Gefäßwand sowie einer pulsierenden Strömung und magnetischen Volumenkräften werden behandelt. Grundsatz dieser Arbeit ist es, die Komplexität in der numerischen Modellbildung schrittweise zur erhöhen, um Phänomene tiefgehend zu ergründen. Wesentliche Ergebnisse sind, dass das nichtnewtonsche Verhalten von Blut eine zentrale Rolle spielt, in kleinen Blutgefäßen auch kleinere Gradienten des magnetischen Feldes ausreichen, um MDT erfolgreich anzuwenden. Des Weiteren nimmt die Sensitivität der Nanopartikel auf den Gradienten des magnetischen Feldes mit der Gefäßgröße zu.