生产制造商Kilby Gravity微重力培养系统：数学建模作为“肿瘤药物增敏仪”

 

🔍 一、研究背景与目的

✅ 背景：

癌症治疗难点：传统化疗存在耐药性和全身毒性问题。

磁靶向药物递送（MDT）：利用外部磁场引导磁性纳米颗粒（MNPs）将药物精准输送至肿瘤区域，减少副作用。

微重力环境：近 年 来 研 究 发 现，微重力可抑制癌细胞增殖、增强药物敏感性、降低耐药性，并促进3D肿瘤模型形成，有助于药物测试。

✅ 研究目的：

数学建模研究微重力环境下，磁性药物在倾斜、狭窄、滑移边界条件下的肿瘤微血管中的非定常分散行为，以优化肿瘤靶向治疗效果。

Kilby类器官与串联器官芯片

🧪 二、研究方法与技术路线

1. 模型设定

血管模型：倾斜、带狭窄的圆柱形微血管，采用Casson非牛顿流体模型模拟血液。

颗粒模型：Fe₃O₄磁性纳米颗粒负载药物（DLM NPs），考虑磁力与斯托克斯阻力的平衡。

流动模型：

• 血流速度：解析求解（考虑压力梯度、重力、滑移边界）
• 颗粒速度：磁力 + 血流速度
• 药物浓度演化：对流-扩散方程（Advection-Dispersion Equation）

2. 数值方法

Crank–Nicolson隐式差分法求解非定常对流-扩散方程，时间空间二阶精度，稳定性好。

📈 三、主要研究结果

✅ 1. 微重力效应（g ↓）

降低药物在肿瘤区域的浓度，但分布更均匀，减少局部毒性。减少狭窄前的药物滞留，有利于药物穿透整个肿瘤区域。

微重力下，磁力和颗粒性质对药物积累的正向作用更显著。

✅ 2. 倾斜角（α）

最佳倾斜角为30°，药物浓度最高。60°时分布对称性好，但浓度略低。90°（垂直）时药物易被冲刷，浓度最低。

✅ 3. 狭窄高度（ε ↑）

狭窄越高，流速越快，药物浓度越低。

轻度狭窄（ε = 0.1）比重度狭窄（ε = 0.3）更有利于药物滞留。

✅ 4. 滑移速度（us ↑）

滑移越大，药物浓度越低，但分布更对称。

滑移抑制了狭窄前的药物滞留，降低靶向效率。

✅ 5. 血管通透性（Φ ↑）

通透性越高（如胃肠道肿瘤），药物积累越多。

脑肿瘤（低通透性）药物难以穿透。

✅ 6. Peclet数（Pe ↑）

Pe越大（对流主导），药物输送效率越高。肿瘤中常因高压抑制对流，提高Pe有助于突破这一障碍。

✅ 7. 磁参数（Ms ↑，s ↓）

磁化强度越高，药物积累越多。磁铁越靠近肿瘤（s ↓），药物浓度越高，甚至出现“二次回流”增强滞留。

✅ 8. 纳米颗粒性质

颗粒越大（d ↑），药物积累越多，但不宜超过200 nm。磁性体积分数越高（βvf ↑），药物捕获效率越高。

✅ 9. 药物源项与消除率

药物释放率（γ ↑）越高，浓度越高。消除率（η ↑）越高，药物清除越快，浓度越低。

📊 四、 结论总结（作者原文+解读）

🧭 五、研究意义与未来方向

✅ 临床意义：

为太空医学提供理论支持：未来可在空间站或模拟微重力环境中进行肿瘤治疗实验。

为地球肿瘤治疗提供优化策略：如体位调节、磁力靶向参数优化、纳米颗粒设计等。

✅ 未来研究方向：

• 考虑脉动血流（非定常流动）
• 多颗粒相互作用（非稀释假设）
• 肿瘤组织渗透性与细胞摄取模型耦合
• 实验验证微重力下MDT效果

北京基尔比生物公司Kilby Gravity微重力培养系统——地面实验室模拟微重力环境的研究方法为探索微重力对人类身体的影响提供技术支持，并为再生医学等生命科学领域带来了新的研究思路和机会。

附：

北 京 基 尔 比 生物科技公司主营产品：

Kilby 多通道旋转细胞培养系统（RCCS），

Kilby Gravity 微超重力三维细胞培养系统，

动植物/微生物等地面重力环境模拟装置【可以定制】，

Kilby Bio类器官摆动式精密灌注摇床，

Kirkstall Quasi Vivo 类器官3D串联芯片灌注培养系统

请联系我们，了解更多产品详情！