Исследователи Томского политехнического университета разработали новую аналитическую модель, позволяющую точнее прогнозировать процессы прогрева и испарения бинарных капель — состоящих из двух компонентов, например воды и этанола. Работа выполнена совместно с учёными Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе и Университета Бергамо (Италия) при поддержке Российского научного фонда (грант № 24-45-00012).
Результаты опубликованы в журнале Physics of Fluids (Q1, IF: 4,3), где статья отмечена как Editor's Pick — признание высокой научной значимости.
🔬 Почему это важно?
Для эффективной аэрозольной терапии — особенно при лечении заболеваний лёгких — критически важно понимать, как ведёт себя микрокапля при движении по дыхательным путям:
- Как быстро она нагревается,
- Как испаряется,
- Где оседает,
- Как меняется её состав и размер.
Традиционные модели часто упрощают эти процессы: предполагают однородность капли и стационарные условия. Это снижает точность прогноза, особенно для сложных многокомпонентных препаратов, применяемых в ингаляционной терапии.
🧪 Что нового в модели ТПУ?
Учёные разработали аналитическое решение уравнений сопряжённого тепломассопереноса — как внутри самой капли, так и в окружающем газе. Модель учитывает:
- Нестационарный прогрев,
- Различия в скорости испарения компонентов,
- Влияние влажности и температуры воздуха,
- Изменение радиуса капли и концентрации веществ в процессе движения.
Это позволяет достоверно прогнозировать:
- Динамику изменения размера капли во времени,
- Распределение температуры,
- Перераспределение компонентов внутри капли.
🩺 Практическая польза
Модель может быть использована для:
- Оптимизации состава ингаляционных препаратов,
- Проектирования небулайзеров и ингаляторов,
- Создания алгоритмов адресной доставки лекарств в конкретные отделы дыхательных путей — от трахеи до альвеол.
Например, если один компонент должен действовать в верхних дыхательных путях, а второй — достигать глубоких отделов лёгких, модель поможет подобрать соотношение и физические свойства так, чтобы капля «распадалась» или изменялась в нужной зоне.
✅ Проверка на практике
Результаты математического моделирования были сопоставлены с экспериментальными данными по испарению капель вода–этанол. Высокая степень соответствия подтвердила работоспособность модели.
💬 Авторы о перспективах
«Наш подход позволяет предсказывать динамику изменения радиуса бинарной капли во времени при её прогреве и испарении в условиях, близких к реальным в дыхательных путях, а также прогнозировать распределение температуры и компонентного состава внутри капли. Это особенно важно для целевой доставки лекарственных препаратов», — отметил руководитель проекта, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Дмитрий Антонов.
____________________________________
Работа учёных ТПУ — не просто теоретический прорыв, а шаг к более точной и персонализированной ингаляционной терапии.
В будущем такие модели могут стать основой для создания «умных» систем доставки, способных адаптироваться под анатомию пациента и тип заболевания.