Relargage contrôlé de médicament à partir de fibres cœur-coque soumises à un écoulement

Article par C. Bielinski, lauréat du Prix de thèse de la Société de Biomécanique en 2022.

Le transfert de masse à partir de particules présente un grand nombre d’applications biomédicales telles que le relargage contrôlé de médicaments. Les méthodes d’administration conventionnelles ne permettent pas de contrôler le taux de relargage du médicament. Sa concentration dans le sang augmente très rapidement et peut même dépasser le seuil de toxicité. Peu de temps après, le médicament est absorbé par l’organisme et la concentration diminue jusqu’à passer sous le seuil thérapeutique. Les méthodes conventionnelles ne produisent donc qu’un effet thérapeutique à court terme et contraignent le patient à répéter les prises de manière régulière, ce qui peut être inconfortable.

L’objectif du relargage contrôlé est de maintenir la concentration du médicament dans l’intervalle thérapeutique sur une longue durée. Cependant, la conception de dispositifs de relargage contrôlé est complexe et nécessite de nombreuses études expérimentales qui sont souvent longues et coûteuses. Le nombre d’expériences et le coût de ces études peuvent être considérablement réduits par la modélisation mathématique et les simulations numériques. Dans cette étude, nous modélisons le transfert de masse à partir de fibres cœur-coque, qui sont d’excellentes candidates pour des applications de relargage contrôlé.

L’écoulement du sang et la concentration du médicament sont calculés par la méthode de Boltzmann sur réseau en deux dimensions. Trois régimes d’écoulement sont considérés : laminaire, laminaire avec recirculations et instationnaire avec présence d’une allée tourbillonnaire de von Kármán, afin de couvrir les écoulements dans les différentes échelles du système vasculaire. Les lignes de courant et les champs de concentration du médicament correspondant à ces trois régimes sont représentés sur la figure 1a, où l’intensité de l’écoulement est caractérisée par le nombre de Reynolds Re.

Figure 1 : Transfert de masse à partir d'une fibre cœur-coque soumise à un écoulement. (a) Lignes de courant et champs de concentration du médicament pour trois régimes d'écoulement différents (Re = 1 : laminaire ; Re = 80 : laminaire avec recirculations ; Re = 180 : instationnaire avec présence d’une allée de von Kármán). (b) Corrélation pour le nombre de Sherwood montrant l'effet non négligeable de la perméabilité P sur l’efficacité du transfert de masse.

Lorsque l’intensité de l’écoulement est faible (Re = 1), le transfert de masse est dominé par la diffusion et le médicament est libre d’atteindre les parois du vaisseau. Pour des intensités d’écoulement plus élevées, l’advection prend le dessus et le soluté est transporté efficacement le long du vaisseau. Il n’en atteint d’ailleurs plus les parois. Le nombre de Sherwood (flux massique adimensionné à la surface de la fibre) est un bon indicateur de l’efficacité du transfert de masse. Il est donné sur la figure 1b en fonction de la perméabilité P des fibres et pour une large plage du nombre de Reynolds Re et du nombre de Schmidt Sc (rapport entre la diffusivité de quantité de mouvement et la diffusivité massique). À partir de ce graphique, nous pouvons déduire la corrélation suivante pour le nombre de Sherwood :

Sh = 1,99P^-0,40Re^0,43Sc^0,40

incluant pour la première fois la contribution non négligeable de la perméabilité sur le transfert de masse.

Cette étude montre les effets combinés de l’écoulement et de la perméabilité sur l’efficacité du relargage à partir de fibres cœur-coque. Les résultats rapportés pourront aider à la conception et à l’optimisation de futures fibres destinées à des applications biomédicales.

Publication

Bielinski, C., Le, N. & Kaoui B. (2021). Unsteady mass transfer from a core-shell cylinder in crossflow. Physical Review Fluids, 6(2) 023501. https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevFluids.6.023501

L'auteur

Clément Bielinski, Laboratoire d'Hydrodynamique (LadHyX), CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris.

Clément Bielinski est postdoctorant au LadHyX. Il a réalisé sa thèse de doctorat au sein du laboratoire Biomécanique et Bioingénierie (BMBI) de l’Université de technologie de Compiègne. Ses travaux de recherche portent sur le transfert de masse et le transport de particules dans des milieux complexes en présence d’écoulements.

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