概 述
通過介觀尺度模擬改進給藥系統
工業應用
制藥，個人及家庭護理，食品及添加劑
挑戰
預測膠束穩定性及輸送機制
確定最佳的輸送體系
模擬工作
將所關注的體系轉化為介觀模型
進行合理的時間尺度的模擬
觀察膠束穩定性及藥物在雙層膜內的釋放
模擬結果
模擬了藥物輸送至細胞膜的過程。模擬展示了磷脂膠束如何插入雙層內及或性化合物釋放至雙層結構的內
測疏水側的過程。
分 類
工業應用
家庭及個人護理
制藥及農業化學
軟件
CIassicaI
LAMMPS DPD
Engineering
MAPS
性質
臨界膠束濃度
形態
釋藥速率
應用
緩釋
正如本研究所展示的，給藥體系的主要市場為制藥工業。類似研究還應用于家庭及個人護理工業與食品及添加劑工業，其中活性組分的緩釋具有同等重要的作用。為凸顯這些市場的重要性，據統計僅制藥工業直至2020年年增長率達4.4%，研發機構投入的支出達到1500億美元。
挑戰
對通過示例的嵌段共聚物在水相中自發形成的膠束進行了詳細研究，該膠束可被視為潛在的疏水藥物及其他活性成分的載體，但對其吸收途徑及膠束穩定性仍不夠明確。盡管占1/3的新研發藥物基本不溶于水，但是目前尚無溶解這類藥物的標準方法。聚合物膠束由于其將親脂性分子傳送至疏水核心的能力而被廣泛用于疏水性藥物的溶解及輸送中。為開發下一代給藥體系，有必要深入了解膠束的物理及化學行為。
模擬工作
通過DPD方法，將流體分子集合起來通過柔性近程作用力生成流體元素，或珠子。在水相溶液3-6%濃度范圍內磷脂自發生成雙層脂質結構，Figure 1顯示了通過耗散粒子動力學模擬得到的雙棕櫚酰磷脂酰膽堿（DPPC）類帶有對稱疏水鏈結構的脂質構成的雙層結構，模擬軟件為Scienomics MAPS 平臺的LAMMPS模塊的DPD方程。
Figure 1：自發構成的雙層脂質膜。雙層結構以綠色及紅色顯示，水以藍色顯示。
接下來我們對商業及科研相關的膠束/細胞相互作用進行了考察，通過相同的模擬方法將將膠束及脂質雙層結構相接觸。根據膠束組成可直接計算藥物的釋藥速率，因此該現象對膠束藥物的釋放極為重要。
模擬結果
對任何活性組分的活性來說，了解活性與內層膜如何發生相互作用、以及是否能夠釋放進入細胞極為重要。實驗已經表明，疏水殼層甚至是聚合物膠束并非完全惰性的。已經觀察到聚合物膠束通過內吞作用進入細胞。對該過程的DPD模擬結果如下所示。一個膠束漂移至細胞膜并接觸隨后釋放出藥物。該過程如Figure 2展示的，顯示了膠束在接觸膜之前、過程及結束后的狀態?？梢悦黠@觀察到磷脂膠束插入雙層結構后活性化合物（亮藍色）釋放至內側疏水層中。
該虛擬實驗手段是考察與膠束生成及相行為等相關現象的理想手段。不僅于此，在藥物輸送及釋放應用方面也可采用類似的研究方法。通過這種模擬方式可為產品的高效開發及降低實驗成本提供支持。
Figure 2：膠束接近并融合至雙層脂質。藥物分子以亮藍色顯示，磷脂以紅色及綠色顯示。
MAPS 材料及化工過程設計平臺是集多款優秀的第三方材料設計軟件的、多尺度、可擴展的平臺；可應用于從量子化學計算到中尺度計算。MAPS包括友好的圖形用戶界面供用戶建模、方便分析計算結果。 MAPS適合描述含能材料、離子液體、高分子材料、合金材料、復合材料、電池材料等性質。MAPS軟件擁有：（一）建模功能（二）分析功能。
LAMMPS-DPD：耗散粒子動力學計算模塊，是流體或軟物質性質研究的耗散粒子動力學模擬工具， 在介觀尺度（更大空間及時間尺度）上模擬。DPD采用粗粒子模型，能很好的描述流體力學。DPD允許發生兩個粒子的位置重疊的特點適用于流體。LAMMPS-DPD 廣泛應用于涂料、 化妝品、表面活性劑、橡膠、膠體、聚合物和高分子材料的結構、熱力學、聚集形態和滲透性等性質的預測。MAPS-LAMMPS-DPD 在藥物緩釋研究有很好的應用。
