基于Halbach阵列与非牛顿血流模型的主动脉肿瘤磁靶向递药计算研究

针对主动脉肿瘤治疗难题，研究人员通过Halbach阵列产生非均匀磁场，结合Power-law和Carreau非牛顿血流模型，开展磁靶向递药（MDT）计算研究。结果显示，纳米粒子直径（250-1000 nm）和磁场强度（0.5-1.2 T）显著影响捕获效率（CE），最大达55%。该研究为血管肿瘤MDT系统设计提供了新思路，并强调真实血流动力学的重要性。

　　

主动脉肿瘤虽罕见却极具侵袭性，临床治疗面临巨大挑战。由于解剖位置特殊且症状隐匿，患者确诊时多已晚期，手术切除预后差（生存期仅14-16个月）。传统化疗因全身毒性受限，亟需精准递药技术。磁靶向递药（Magnetic Drug Targeting, MDT）通过磁性纳米粒子（MNPs）携带药物，在外部磁场引导下富集于肿瘤部位，可减少副作用并提高疗效。然而，主动脉血流动力学复杂，现有研究多基于牛顿流体假设，忽略血液的非牛顿特性（如剪切稀化），且缺乏针对大血管肿瘤的MDT系统优化。

为突破这些局限，研究人员开展了基于Halbach阵列与非牛顿血流模型的MDT计算研究。通过患者CT影像重建主动脉三维几何结构，采用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟不同磁场强度（0.5 T、0.78 T、1.2 T）和纳米粒子尺寸（250-1000 nm）下的粒子捕获效率（Capture Efficiency, CE），并对比Power-law、Carreau非牛顿模型与牛顿模型的差异。

关键技术方法
研究采用临床CT数据，通过MIMICS软件分割主动脉腔并生成三维模型，3-Matic进行表面优化和网格划分。血流模拟整合Navier-Stokes方程与粒子追踪模块，非牛顿特性通过Carreau（黏度随剪切率变化）和Power-law（黏度与剪切率幂律相关）模型描述。Halbach阵列由9个矩形磁体构成，产生空间梯度磁场。

研究结果

纳米粒子尺寸与磁场强度的影响
1.2 T磁场下，1000 nm粒子在第三心动周期CE达55%，500 nm粒子为36%（牛顿模型）。非牛顿模型初期CE更高：Carreau模型首周期CE为44.5%，Power-law为43.9%，均高于牛顿模型的42.4%。

非牛顿血流模型的差异
Carreau模型因能更好表征血液黏度变化，CE预测更接近生理状态。壁面剪切应力（WSS）分布显示，非牛顿模型在收缩期峰值更高，影响粒子在血管分叉处的沉积模式。

讨论与意义
该研究首次将非牛顿血流模型与Halbach阵列结合，为主动脉肿瘤MDT提供优化框架。结果表明，增大粒子尺寸和磁场强度可显著提升CE，但需权衡生物相容性与磁场安全性。Carreau模型因其黏度动态适应性，更适合复杂血流模拟。未来可进一步探索多物理场耦合（如磁场-热疗协同）及临床转化路径。论文发表于《Computers in Biology and Medicine》，为血管肿瘤精准治疗开辟新方向。