Original title:
Inhalovaná vlákna jako potenciální nosiče léčiv
Translated title:
Inhaled fibres as potential drug carriers
Authors:
Fröml, Pavel ; Elcner, Jakub (referee) ; Lízal, František (advisor) Document type: Bachelor's theses
Year:
2025
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[eng][cze]
Velikost částic a režim dýchání rozhodují o tom, jak daleko se vdechované částice v plicích usadí. Vzhledem k těmto zjištěním mají biodegradabilní vláknité částice významný po tenciál jako nosiče léčiv v cílené léčbě. Schopnost plic vyměňovat kyslík mezi krví a okolím je jednou z jejich nejpokročilejších funkcí. Vnitřní vrstva, viscerální pleura, se postupně ztenčuje hlouběji do plic, čímž zvyšuje účinnost přenosu kyslíku. Tuto přirozenou schopnost plic lze v kombinaci s přes ností cíleného podávání léků využít k léčbě konkrétních onemocnění konkrétními léčivy. Přesný typ léku by mohl být dodáván prostřednictvím vláknového nosiče přímo do oblasti postižené konkrétní nemocí. V této práci je zkoumán potenciál inhalačních vláken jako nosičů léčiv. Se zaměřením na jejich interakci s dýchacím systémem. Problematika se zabývá potřebou účinného doručování potenciálních nosičů léčiv dýchacími cestami, poukazuje na problémy se součas nými metodami distribuce léčiv a na potenciál biodegradabilních vláknitých částic při cílené léčbě. Metody zahrnovaly bibliografický průzkum stávající literatury o vdechovaných vláknech a jejich interakci s dýchacím systémem. Byla vytvořena experimentální trať s použitím fyzického modelu plic, konkrétně repliky ženských plic zmenšené podle mužského mod elu. Pro studium depozice vláken byl proveden experiment napodobující reálnou inhalaci. Postup zahrnoval přípravu směsi skleněné vaty a kuliček, která byla následně rozptýlena do modelu plic. Model plic se skládal ze segmentů, trubic a filtrů uspořádaných tak, aby napodobovaly systém dýchacích cest u člověka. Simuloval se pouze vdech, aby se předešlo chybám způsobeným resuspenzí částic při výdechu. Vyhodnocení zahrnovalo výpočet celkového počtu deponovaných vláken, depoziční účinnost a depoziční frakci na základě ekvivalentních průměrů vláken (dae) rozdělených do tří skupin podle četnosti rozdělení: daeµm a dae>6 µm. Byla také vypočtena hustota depozice, aby se zohlednila různá velikost jednotlivých segmentů. Výsledky potvrdily hypotézu, že vláknité částice se s menší pravděpodobností usazují v horních cestách dýchacích. Počet deponovaných vláken a velikost depoziční frakce byly v počátečních segmentech výrazně nižší, s výjimkou segmentu S1 v důsledku impakce. Grafy ilustrují výrazný nárůst depozice vláken v pozdějších, perifernějších plicních segmentech (G13-F22). Experimentální výsledky ukazují, že depozice vláken v lidských plicích je vysoce závislá na velikosti vláken a konkrétním plicním segmentu. Frekvenční skupiny vláken s dae>6 µm a daeµm vykazovaly významnou depozici v pozdějších plicních segmentech. Aby se zjistil vliv nepřítomnosti silikonového oleje na ukládání vláken, bylo provedeno srovnání s experimentem na stejné replice lidských plic a se stejným režimem dýchání. Bylo zjištěno, že oba experimenty se výrazně shodují jak z hlediska podílu depozice, tak z hlediska účinnosti depozice vdechovaných vláken. Hypotéza byla potvrzena, odchylky byly obecně nižší než 10% a další studie in vitro lze zjednodušit, protože silikonový olej má na depozici vdechovaných vláken malý vliv. Mezi omezení studie však patří zjednodušená anatomie a fyziologie plicní repliky, absence dynamických biologických procesů a absence fyziologických interakcí tekutin a tkání.
The size of particles and the breathing regime are crucial determinants of how far inhaled particles can settle within the lungs. With these findings, biodegradable fibrous particles hold significant potential as drug carriers in targeted delivery treatments. The lung’s capacity to exchange oxygen between the blood and its surroundings is one of its most advanced functions. The inner layer, the visceral pleura, thins progressively deeper into the lungs, enhancing oxygen transfer efficiency. This inherent ability of the lungs, combined with the precision of targeted drug delivery, can be harnessed to treat specific diseases with particular medicaments. The exact type of medicine could be de livered via a fibre carrier directly to the area affected by a specific disease. In this thesis the potential of inhaled fibres as drug carriers is investigated. With focus on their interaction with the respiratory system. The problem addresses the need for effective delivery of potential drug carriers through the respiratory tract, highlighting issues with current medication distribution methods and the potential for biodegradable fibrous particles in targeted delivery treatments. The methods involved a bibliographic survey of existing literature on inhaled fibres and their interaction with the respiratory system. An experimental setup was created using a physical model of the lungs, specifically a woman’s lung replica scaled from a male model. An experiment mimicking realistic inhalation was performed to study fibre depo sition. The process involved preparing a mixture of glass wool and beads, which was then dispersed into the lung model. The lung model comprised segments, tubes and filters arranged to mimic the human airway system. Only inspiration was simulated to avoid errors from particle resuspension during exhalation. The evaluation included calculating the total number of deposited fibres, deposition ef f iciency, and deposition fraction based on fibre equivalent diameters (dae) divided into three frequency distribution groups: daeµm, and dae>6 µm. Deposition density was also calculated to account for the varying size of each segment. The results confirmed the hypothesis that fibrous particles are less likely to deposit in the upper respiratory tract. The number of deposited fibres and deposition fractions were significantly lower in the initial segments, with an exception in segment S1 due to im paction. The graphs illustrate a substantial increase in fibre deposition in the later, more peripheral lung segments (G13-F22). Experimental results indicate that fibre deposition in the human lung is highly dependent on fibre size and the specific lung segment. The frequency groups of fibres with dae>6 µm and daeµm showed significant deposition in the later lung segments.
Keywords:
Aerosol; depozice aerosolu; dýchací systém; inhalovaná léčiva; nosiče léčiv; transport aerosolu; vlákna; Aerosol; aerosol deposition; aerosol transport; drug carriers; fibres; inhaled drugs; respi ratory system
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/252221
guest ::
