Orientarea în câmp magnetic a medicației [626256]

Student: [anonimizat], anul II

Orientarea în câmp magnetic a medicației

Studierea orientării în câmp magnetic a medicației este o tehnică în dezvoltare, în plin
studiu, prezintă numeroase avantaje și perspective de tratament noi, promițătoare.
Din acest motiv există un număr limitat de studii realizate în acest domeniu. Din
cercetarea realizată în vederea întocmirii lucrării de licență au fost găsite doar studii realizate la
nivel teoretic, cu ajutorul simulatoarelor, cazuri în care au fost construi te modele idealiste sau
simpliste, care nu îndeplineau absolut toate criteriile pe care organismul uman le îndeplinește, iar
cel mai avansat studiu a fost realizat pe animale.
A fost aleasă studierea în câmp magnetic a medicației la nivelul cotului datorit ă faptului
că este o regiune accesibilă pentru reprezentarea în simulare, nu a mai fost studiată această
posibilitate de tratament, ar mări considerabil confortul pacientului și ar diminua efectele
secundare care se resimt asupra organismului în urma unui tratament pe cale bucală.
În urma acestui studiu se dorește găsirea unei modalități prin care medicația sa fie
introdusă în organism într -un mod minim invaziv, cum ar fi injectarea locală, iar injectarea să
se realizeze de cât mai puține ori. Dorim să e ficientizăm tratamentul și să sporim confortul
pacientului, de aceea soluția ar putea fi să se injecteze tot medicamentul necesar o dată și să fie
eliberat treptat.
S-au găsit materiale potrivite pe suprafața cărora se pot plasa substanțele medicamentoase
și care pot depăși barierele interne ale organismului pentru a rămâne acolo unde sunt introduse,
acestea sunt nanoparticule superparamagnetice. Faptul că aceste nanoparticule prezintă
proprietatea de magnetism poate fi utilizat pentru a controla poziționa rea și eliberarea medicației
depusă pe acestea cu ajutorul utilizării unui magnet extern.
Această tehnică nu a fost studiată la nivelul cotului, iar în această lucrare se va urmări
posibilitatea aplicării acestui tip de tratament, se va urmări obținerea un ei forțe de atracție
suficient de mare pentru localizarea nanoparticulelor la nivelul cotului, orientarea acestora în
direcția lichidului sinovial, acolo unde se dorește acțiunea medicației, dar și diferențele dintre
utilizarea unui magnet și utilizarea un ei bobine.

1. Anatomia cotului si afectiuni

Articulația cotului este o articulație complexă, formată din trei articulații: articulația
humero -ulnară, articulația humero -radială și articulația radio -ulnară.
Articulația propriu -zisă este formată de partea inferioară a humerusului și partea superioară a
radiusului și ulnei. Articulația radio -ulnară proximală se va descrie separat.
Componentele osoase sunt: trohlea humerală (are forma unui ceas de nisip, așezat
orizontal și puțin oblic), ca pitulul humeral (de formă sferoidală), fosa oleocraniană, incizura
trohleară a ulnei pentru trohlea humerală și foseta capului radial. [1]

Figura 1.1 – Anatomia cotului

Capsula articulară este subțire și flască. Urmărește conturul fosetelor anterioare și
posterioare, trecând pe sub baza e picondililor, care rămân extracapsulari. La fel rămân și vârful
olecranului și procesului coracoid. Fasciculele musculare aparținand tricepsului brahial și
brahialului, care se inseră pe suprafata externă a capsulei, au rolul de a pune în tensiune capsula,
împiedicand antrenarea ei între suprafetele articulare în timpul mișcărilor.
Stratul sinovial al capsulei tapetează fața profun dă a capsulei, respectiv fața anterioară a
fosei coronoidiene și a celei radiale, formând fundul de sac anterior bilobat. Pe fața posterioară
tapetează fosa olecraniană și formează fundul de sac posterior (subtricipital). Prelungirile lui se
găsesc între t riceps și cei doi epicondili. Între membrana fibroasă și sinovială a capsulei, în

dreptul celor trei fose articulare, există trei pachete de țesut adipos, considerate sisteme tampon
de frânare în mișcările extreme.[2]

Artrita reumatoidă și limitările tratamentelor actuale

În această afecțiune se inflamează membrana sinovială ce delimitează articulațiile (în
articulații există niște formațiuni de țesut moale cu rol în stabilitatea și mobilitatea articulară).
În timp, consecutiv acestei inflamații (sinovita) se produce distrugerea articulației, producând
disfuncție articulară (articulația nu mai funcționează normal). Boala afectează de regula femeile
care au o vârsta cuprinsă între 40 -60 de ani.
Cauza bolii nu este inca bine cunoscuta . La unii dintre pacienti poate fi vorba despre o
anomalie genetică ( ereditara ) care crește probabilitatea de a dezvolta aceasta boala. Ereditatea
poate face posibil ca sistemul imunitar al bolnavului să atace articulațiile corpului. O alta teorie
consta in faptul ca pot fi implicate unele bacterii sau substante straine, care sa declanseze aceasta
patologie. Acest mecanism imun declanșeaza producerea unei inflamații cronice a sinovialei, o
distrugere a cartilajului articular și o slăbire a ligamentelor și tendoanelor ce susțin articulația.
Inflamația cronică mai determină și dezvoltarea și îngroșarea anormală a sinovialei, ceea ce
poartă denumirea de panus. Acest proces are drept consecințe distrugerea cartilajului, a osului
situat sub cartilaj (subcondral), a ligamentelor și tendoanelor, iar rezultatul final este constituit de
deformarea articulară. [ 3]
Un simptom precoce este cel de durere articulară, dar nu este caracteristic ace stei
afecțiuni, căci el poate apărea în multe alte afecțiuni. În artrita reumatoidă simptomele se
dezvoltă, în mod frecvent, pe o perioadă de câteva săptămâni sau luni. Oboseala și anchiloza sunt
de asemenea simptome ce apar precoce în artrita reumatoidă. Frecvent pacientul scade în
greutate și are stări de subfebrilitate (tem peraturi cuprinse între 37˚C și 37,9˚C).
Simptomatologia articulară din artrita reumatoidă constă în articulații dureroase, umflate,
sensibile, înțepenite (se remarcă o afectare simetrică a articulațiilor (adică ambele articulații din
partea dreaptă și ce a stangă a corpului), mai ales la nivelul mâinilor, încheieturilor mâinii,
coatelor, a picioarelor (laba piciorului), genunchilor și a gâtului ); redoare articulară matinală (nu
poate mișca articulația – redoarea poate să apară după perioade mai îndelungate de somn sau
imobilitate și dureaza cel putin 60 de minute, uneori chiar cateva ore ); noduli (pot să fie de
diferite dimensiuni, cât o boabă de mazăre sau mai mari, uneori cât o minge de tenis; acești

noduli apar la aproape 1/3 din bolnavi, în regiunile periarticulare, supuse presiunii, ca de
exemplu: coate, genunchi, coloana vertebrală, picioare).
Artrita reumatoidă poate afecta atat mâinile, cat si picioarele, gleznele, coloana
verteb rală sau gâtul. De obicei afectează simetric articulațiile corpului și mai mult de trei seturi
de articulații deodată.
Adițional simptomatologiei articulare descrise mai sus, boala mai poate avea și efecte sistem ice
(în restul corpului), precum: oboseală, lipsa poftei de mâncare, scăderea în greutate,
subfebrilități, parestezii la nivelul mâinilor (amorțeală și furnicături). [3]
Simptomatologia întâlnită în artrita reumatoidă nu este specifică bolii, ea regăsindu -se și
în alte afecțiuni.
Modalitățile cele mai des utilizate în tratamentul artritei reumatoide sunt cele realizate
prin combinarea unui plan terapeutic medicamentos cu exercițiile fizice în artrita reumatoidă.
Este necesară modificarea stilului de viața. Cu toate că tratamentul poate ajuta în ameliorarea
simptomatologiei, totuși nu există un efect de vindecare al bolii. Tratamentul artritei reumatoide
este în general toată viața, dar variază după următoarele criterii: stadiul (boala activă sau în
remisiun e), severitatea bolii, modalitățile de tratament utilizate anterior, evaluarea riscurilor și
beneficiilor anumitor modalități de tratament , preferința pacientului în ceea ce privește costurile,
efectele secundare și administrarea zilnica a unui anumit tip de terapie.
Scopul tratamentului este de a oferi o viața aproximativ normală pacientului, de a reduce
durerile articulare, inflamațiile și distrugerea acestora și de a preveni instalarea handicapului
permanent.
Alte forme de tratament care pot fi utile în controlul simptomatologiei în artrita
reumatoidă sunt reprezentate de: fizioterapie pentru îmbunătățirea funcționalității articulare;
aceasta include efecturea de exerciții fizice, terapie prin căldură și frig, masaje; durerile pot fi
ameliorate pentru o scurtă perioadă de timp prin terapie, prin sauna și împachetări în ceară
călduță; pot fi reprezentate și de ergoterapia care î i învață pe pacienți cum să își mențină o
mobilitate articulară bună în timpul efectuării activităților zilnice; se pot învăța teh nici de evitare
a eforturilor excesive, atât la nivelul articulațiilor de susținere, cât și a celorlalte; modificări de
natură comportamentală ce reduc durerile și stresul ; consilierea pacienților pentru a ajuta în
managementul durerii și handicapului pe t ermen lung. [3]
Tratamentul artritei reumatoide simptomatice are ca scop reducerea nivelului de gravitate
a procesului inflamatoriu în articulații: glucocorticosteroizi, preparate antiinflamatorii nesteroide,
analgezice și terapie antiinflamatorie locală, fizioterapie.

A fost testata utilizarea celulelor stem pentru tratamentul de artrita reumatoidă în cel
puțin 15 cazuri clinice. Procedeele de tratament se deosebesc. Una din direcții este extragerea
celulelor stem mezenchimale din măduva osoasă a paciențil or, transformarea lor în celule de
cartilagiu, (condrocite) și întroducerea nemijlocită în articulația afectată. Altă direcție consta in
introducerea sistemică a celulelor hematopoietice și/sau mezenchimale în circulația sângelui, in
scopul scăderii proces ului de agresiune autoimună.
În Institutul de terapie celulară este elaborată o metodă complexă de tratare a artritei
reumatoide, care se bazează pe implantarea instantanee a celulelor hematopoietice și
mezenchimale. In principiu, se urmăresc trei scopuri: regenerarea țesuturilor lezate, (se bazează
pe stimularea resurselor proprii regenerative ale pacientului, sub influiența factorilor de creștere,
produși de celule; reconstituirea rezervelor stem necesare altor reacții de regenerare a țesutului
sinovial, cartilajului și oaselor pe baza celulelor mezenchemale, înlăturarea componentei
autoimune, și blocarea evoluției bolii, pe baza efectelor imunosupresoare și tolerogene ale
celulelor stem mezenchimale și hematopoietice. Metoda are limitări importante: trans plantarea se
aplică doar în cazul artritei reumatoide de nivel I și II sau a insufiecienței funcționale ale
articulațiilor 0 -I. [4]
Tratamentul artritei reumatoide inițiat la debutul bolii ameliorează simptomele și
reduce probabilitatea unui handicap permanent cu pana la 5 -10%.
Tratamentul simptomatic constă în administrarea antiinflamatoarelor ce diminueaza durerea și
scad rigiditatea articulară, dar evoluția bolii nu poate fi oprită și nici deformările ulterioare.
Antiinflamatoarele utilizate sunt: i buprofen, cortizon, prednisone, naproxen, aspirina, celecoxib.
Medicamentele antireumatice sunt: metotrexat, hidroxiclorochina.
În cazurile severe, medicul poate recomanda injecții cu corticosteroizi, care pot avea
rezultate variate de la o simplă alinare a durerii până la suprimarea simptomelor pe durate
îndelungate.
În asociere cu tratamentul medicamentos mai sunt recomandate: aplicații de căldură, repaus,
exerciții fizice, fizioterapie, ajutare pentru mers: bastoane și cadre speciale, ultrasunetele.
În c azurile în care leziunile articulare deteriorează calitatea vieții, intervențiile
chirurgicale sunt ultima soluție: sinovectomia – constă în îndepărtarea chirurgicală a membranei
sinoviale, înlocuirea articulației cu o proteză din metal sau plastic.
Ca măs uri generale de prevenire, evitarea excesului ponderal care agravează simptomele
și aportul de antioxidanți din fructe și legume, cât și o dietă săracă în grăsimi și proteine, ajută la
diminuarea simptomelor și la îmbunătățirea calității vieții.

Tratamentu l pacientului cu artrită reumatoidă necesită experiență multă precum și o
colaborare interdisciplinară între medici reumatologi , interniști, ortopezi, gimnaști medicali și
ergoterapeuți. Sunt la dispoziție următoarele forme de terapie: prin tratament medi camentos,
injecții cu preparate din cortizon în articulații, gimnastică medical, ergoterapie, fizioterapie și
recuperare, tratament operatoriu (sinovectomie și chirurgie de reconstrucție).
Chiar dacă pot apărea și evoluții pozitive, de obicei, artrita reum atoidă evoluează
progresiv. Afectarea articulațiilor se vizualizeaza pe radiografii întotdeauna, după câțiva ani. La
majoritatea pacienților, evoluția bolii poate fi frânată cu medicamentele din prezent, și deseori se
poate controla bine inflamația și dure rea, dar totuși riscul de invaliditate permanenta nu este mic.
Țelul medicamentelor și a metodelor fizioterapeutice de prevenire ar trebui să fie ghidarea
pacienților, menținerea articulațiilor – dacă este posibil – fără probleme și amânarea pe cât
posibil a afectării acestora pentru a nu se ajunge la o intervenție chirurgicală. [5]

2. Principiile fizice ale MDT
1. Câmpul magnetic
Încă din Antichitate s -a descoperit existența unor materiale cu proprietăți magnetice,
termenul de magnet fiind chiar numele regiunii din Asia Mică, “Magnesia”, de unde proveneau
aceste tipuri de roci având proprietăți magnetice. Magneții sunt corpuri car e au propietatea de a
interacționa cu alte corpuri cu proprietăți asemănătoare, de a exercita forțe de atracție sau de
respingere.
Un magnet natural prezintă doi poli magnetici, polul nord , respectiv polul sud,
specificând faptul ca polii de același fel se atrag, iar cei diferiți se resping.
“Câmpul magnetic este o formă de existență a materiei care se manifestă prin acțiunea
unor forțe asupra obiectelor introduse în câmp atunci când acestea prezintă proprietăți magnetice
și reprezintă cadrul fizic prin care aceste interacțiuni se manifestă.” [ 6]
Pentru a caracteriza acest câmp se folosesc liniile de câmp, descrise de mărimea fizică
numită intensitate a câmpului magnetic, H. Intensitatea câmpului magnetic este o mărime
vetorială, care are ca unitate de mă sură amper/metru( A/m) .

Fig 2.1. Câmpul magnetic prezent în jurul unui magnet natural [ 6].
Se introduce o mărime vectorială pentru analiza câmpului magnetic, numită inducție
magnetică, notată cu B, care are ca și unitate de măsură Tesla, T.
Cele două mărimi vectoriale menționate mai sus, inducția magnetică și intensitatea
câmpului magnetic, sunt puse în comun printr -o constantă de material, μ [H/m], numită
permeabilitate magnetică absolută, prin legea de material,

BH . (2.1)
Permeabilitatea magnetică pentru vid este μ 0
-7 H/m, iar pentru un material
oarecare are următoarea expresie:

0r , (2.2)
unde este permeabilitatea relativă, care pentru vid are valoarea 1. Materialele cu
permeabilitate ridica tă permit trecerea mai ușoară a câmpului magnetic [ 7].

Materialele magnetice se împart în două categorii:
a) materiale neferomagnetice caracterizate de faptul că relația
H B este liniară și
valoarea permeabilității relative
r ≈1, adică o permeabilitate absolută
0 . Exemple
de materiale neferomagnetice : Cu, Al, Ag, aerul.
b) materiale feromagnetice pentru care relația
H B este neliniară, fapt datorat
dependenței permeabilității magnetice de intensitatea câmpului magnetic, H.
Caracteristica inductiei magnetice în funcție de intensitate este numită curba de histerezis
magnetic și este ilustrată in Fig 2.2.

Fig 2.2. Curba de histerezis magnetic [ 7].
Pentru un material, efectul de magnetizare se produce o dată cu orientarea dipolilor
magnetici pe o direcție particulară, una dintre metode fiind plasarea materialului într -un câmp
extern. Acest efect de magnetizare poat e fi temporar (dispare o dată cu înlăturarea câmpului
extern) sau permanent (magnetizația se menține și după dispariția câmpului extern).
Starea rezultată din magnetizație se poate ilustra cu ajutorul lui vector, M, numit
magnetizație, definit de următoar ea formulă:

Mlim
V0m
Vdm
dV . (2.3)
Vectorul magnetizației se exprimă ca sumă compusă din vectorul magnetizației
temporare și vectorul magnetizației permanente.

p tM MM . (2.4)
În cazul materialelor liniare și izotrope se poate defini legea magnetizației
temporare ca fiind:

MtmH , (2.5)
unde
m reprezintă constanta de material adimensională numită susceptivitate magnetică.
Legătura între magnetizație, inducție magnetică și intensitatea câmpului magnetic este dată
de legea:

BHM . (2.6)

2. Modelul fizic și conditiile la limită
2.1 Problema de câmp magnetic
În această lucrare, câmpul magnetic este produs de un magnet permanent, situat la nivelul
antebrațului. Ecuațiile Maxwell care descriu acest câmp sunt:
 Legea circuitului magnetic

.0H (2.7)
 Legea fluxului magnetic

.0B (2.8)
 Legea constitutivă
 magneți

rem magr BH B  , 0 . (2.9)
 sânge (inclusive medicația pe suport superparamagnetic)

HMH Bff0 . (2.10)
 pereții arteriali și a țesut
H B0
. (2.11)
unde,
0 este permeabilitatea magnetică a aerului,
r este permeabilitatea relativă a magnetului,
H este intensitatea câmpului magnetic, B densitatea fluxului magnetic(T),
remB densitatea
fluxului magnetic remanentă (T), iar
ffM este magnetizația superparamagnetică a agrega tului
(A/m), care este în funcție de H.
Condiția la limită este “izolație magnetică”, respectiv n·A= 0.

3. Medicația folosită în MDT
1. Nanoparticule magnetice folosite în MDT
Cele mai utilizate materiale magnetice sunt oxizii de fier cu miez, deoarece au mai multe
cristale polimorfe, cele mai cunoscute fiind (maghemita) și Fe 3O4 (magnetita). Acestea au
prezentat cel mai mare interes în bioaplicațiile medicale. Recent, fier carbonil, o forma unică de
fier elementar a fost folosit ca miez magnetic, datorită particulelor sale de dimensiuni reduse.
În unele rapoarte, metalele pure cum ar fi fierul și cobaltul sunt alese ca materiale

magnetice, deoarece prezintă mai multe avantaje comparativ cu oxizii de fier, și anume
proprietăți magnetice mai bune, magnetizație de saturație ridicată. În schimb, fierul și cobaltul au
o stabilitate mică la oxidare și o compatibilitate scăzută în sistemele nanoporoase în comparație
cu oxizii de fier.
Funcționarea nanoparticulelor metalice cu grupările amino, silicați, polimeri și alte
componente organice este, de obicei, furnizată în scopul de a realiza proprietăți fizice și chimice
mai bune. Mai mult decât atât, miezul/coajă structurii nano particulelor are avantajul de a da o
bună dispersie, o stabilitate mare împotriva oxidării și de a purta o cantitate mare de medicament.
Învelișul polimeric este folosit pentru a obține diverse proprietăți benefice terapiei.
Nanoparticulele păstrează hid rofilicitatea necesară și nu depășesc 100nm în mărime chiar și
acoperite cu polimeri, astfel evitându -se eliminarea rapidă a acestora de către sistemul
reticuloentodelial (RES). Învelișul polimeric joacă un rol important și în biocompatib ilitate,
scăzând toxicitatea. [8 ]
În comparație cu alte materiale, nanomaterialele au proprietăți fizice și chimice
superioare, Fe 3O4 fiind intens studiat datorită proprietăților superparamagnetice, coercivitate
ridicată și temperatură Curie scăzută. Mai mult decât atât, F e3O4 este netoxic și biocompatibil și a
adus noi tipuri de aplicații biomedicale, cum ar fi etanșarea dinamicӑ, biosenzori, agent de
contrast în imagistică prin rezonanță magnetică, în hipertermia terapeutică sau ca sistem de
livrare a medicației în câmpul magnetic.
Este bine de știut faptul că este important să se asigure o distribuție îngustă, o bună
dispersie și un răspuns magnetic puternic în fluidul țesutului pentru aplicații.
Cu toate acestea, forțele magnetice combinate cu energii de suprafață inere nt mari (mai
mari de 100 dyne/cm) facilitează agregarea Fe 3O4 în fluide. Prin urmare, o mulțime de polimeri
sintetizați (de exemplu alcool polivinilic, chitosan, polietilen glicol, o -carbozimetilchitosan) au
fost folosiți ca agenți de acoperire pentru modi ficarea suprafeței particulelor de oxid de fier.
Chiar dacă acoperirile polimerice pot reduce agregarea nanoparticulelor, acestea cresc
dimensiunea sferei și astfel limitează distribuția proprietăților magnetice, distribuția tisulară și
capacitatea de pene trare în spațiile interstițiale [9].

Model 3D – Slicer

Model 3D – Comsol

BIBLIOGRAFIE

[1] Articol științific Dr. Andrei Ioan Bogdan, medic specialist ortopedie – traumatologie,
‘Articula ția cotului ’, 2014
[2] http://www.esanatos.com/anatomie/membrul -superior/Articulatia -cotului91352.php
[3]Targeted treatment of the rheumatic diseases by Michael H. Weisman, Michael E. We inblatt, James S.
Louie, Ronald F. Van Vollenhoven 2010
[4] http://www.stemcellclinic.com/revmatoidnyj -artrit/?lang=ro
[5] http://www.orinro.ro/choroby -a-liecby/choroby -pohyboveho -aparatu/reumatoidna -artritida
[6] Curs " Bazele Electrotehnicii ". 2005.
[7]Chomoucka, Jana et al. " Magnetic Nanoparticles And Targeted Drug
Delivering ".Pharmacological Research 62.2 (2010)
[8] Wei, Yan et al. " Synthesis Of Fe3o4 Nanoparticles And Their Magnetic Properties ".Procedia
Engineering 27 (2012): 632 -637. Web.
[9] Brannon -Peppas, Lisa and James O. Blanchette. " Nanoparticle And Targeted Systems For
Cancer Therapy ". Advanced Drug Delivery Reviews 56.11 (2004): 1649 -1659. Web.