La simulación muestra cómo limitar la propagación del coronavirus y ayuda en la investigación de enfermedades respiratorias
En la carrera por combatir la pandemia mundial de COVID-19, la medicina ha utilizado la tecnología de simulación para acelerar el desarrollo de las investigaciones y ayudar en la producción de equipo hospitalario esencial para el tratamiento de la enfermedad. Esta herramienta ha ayudado a los profesionales de la salud, a los encargados de crear políticas y a la comunidad mundial a hacer frente a la crisis sanitaria.
Gracias a este software, ha sido posible modelar inhaladores, escalar la producción de mascarillas de protección e incluso calcular medidas de coexistencia social que limitan la propagación del coronavirus.
Simulación para calcular la distancia social
En este escenario de pandemia, es importante limitar la propagación del virus y la principal medida adoptada por las naciones es el aislamiento social. El software Ansys es capaz de simular situaciones cotidianas para mostrar con precisión las distancias que una persona debe tomar de otra durante una conversación, una fila de supermercado o al practicar ejercicio físico.
Simulación para el uso correcto de las mascarillas de protección
Las mascarillas pueden reducir el riesgo de contaminar a otras personas hasta seis veces. Otra característica del software es hacer los ajustes necesarios para asegurar que las mascarillas se sellen adecuadamente y puedan reducir el riesgo de una posible exposición.
Simulación para la desinfección de ambientes
En el ambiente altamente contagioso de hoy en día, es sumamente importante reducir al mínimo los riesgos para los médicos y los profesionales de la salud que tratan a pacientes que dan positivo en la prueba de COVID-19. Las habitaciones de presión negativa pueden ayudar a reducir la exposición del personal sanitario al virus, mientras se trata a los pacientes. La simulación demuestra diferentes diseños de este tipo de habitaciones y permite a los equipos optimizar el diseño de la sala, de la organización de la entrada de ventilación y de la capacidad de los sopladores para evitar que las partículas orales y nasales circulen en el ambiente.
Rocky ayuda a modelar inhaladores para el tratamiento de enfermedades respiratorias
Incluso antes de la aparición del SARS-CoV-2, las enfermedades respiratorias eran una de las principales causas de mortalidad mundial y una pesada carga financiera para los sistemas de salud. Los estudios experimentales en este campo están llenos de dificultades y gastos, lo que hace que la simulación sea una herramienta efectiva, ya que proporciona resultados rápidos y precisos, tanto en las pruebas como en el modelado de equipos.
La escuela de ingeniería de la Universidad de Oklahoma en los Estados Unidos ha estado realizando investigaciones desde el año pasado utilizando el software de Ansys y Rocky para entender el transporte de partículas finas en las vías respiratorias humanas y para modelar inhaladores. El artículo de Jianan Zhao y Yu Feng de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Oklahoma presenta cómo se ha utilizado Rocky en el estudio del transporte de partículas de fármacos a través de inhaladores de polvo seco.
Los dispositivos de administración de medicamentos pulmonares, como los inhaladores de polvo seco (DPIs), se han utilizado ampliamente para proporcionar una dosis efectiva de ingredientes farmacéuticos activos (APIs) en el sistema respiratorio elegido. La simulación multifísica de Rocky DEM proporciona un valor significativo para optimizar el diseño de los DPIs, así como para demostrar la bioequivalencia (BE) de productos genéricos de los DPIs, ya que el software tiene la capacidad de describir los mecanismos físicos y químicos que subyacen al transporte y a las interacciones de los medicamentos de forma no invasiva. En comparación con las pruebas in vitro, la simulación numérica es menos costosa y consume más tiempo, a la vez que proporciona resultados precisos para reducir la duración del ciclo de investigación y desarrollo de las innovaciones de productos de DPI.
Durante la liberación y emisión dentro de los DPIs, las fuerzas de interacción entre partículas, es decir, las fuerzas de Van der Waals y la electrostática, desempeñan un papel vital en el transporte de las partículas de medicamentos y determinan la distribución aerodinámica del tamaño de la entrada en la boca humana. Estas fuerzas tienen un impacto significativo en la evaluación de la dosis efectiva administrada para los objetivos pulmonares designados en el tratamiento de las enfermedades pulmonares. Con este fin, Rocky DEM trae varios modelos de fuerza adhesiva, de modo que los ingenieros solo necesitan definir el parámetro de energía superficial para captar el comportamiento adhesivo y/o comportamiento cohesivo del material.
Figura 1
Figura 2
La Figura 1 muestra la geometría del dispositivo de inhalación de polvo seco y su malla de poliedro con seis prismas hexaédricos cerca de la pared. La prueba de independencia de la malla se realizó para determinar la malla final con el equilibrio optimizado entre la precisión y la eficiencia computacional. Los detalles de la prueba de independencia de la malla y las especificaciones finales de la malla se muestran en la Figura 2.
Entre los recursos que ofrece la simulación para ayudar al estudio están: el método de acoplamiento unidireccional (utilizado para las interacciones entre las partículas y el flujo de aire), la definición de partículas de diversos tamaños y formas, la modelización de fuerzas y pares transitorios que actúan sobre las partículas individuales, y finalmente, la exportación y el análisis de las propiedades de las partículas.
La siguiente imagen muestra la distribución de la magnitud de la velocidad del flujo de aire en el plano sagital del DPI y la comparación de la dinámica del transporte de partículas en el tiempo t = 0,001 s entre las partículas esféricas y esfero-cilíndricas. La comparación entre los dos casos que se muestran en la imagen indica que al equiparar las partículas cilíndricas esféricas, estas son mejores para seguir más rápido el transporte del flujo de aire que las partículas alargadas con diferentes frecuencias de colisión entre ellas. Por lo tanto, puede observarse que los efectos de la forma de las partículas pueden influir significativamente en las dispersiones de las partículas y determinar los APSDs emitidos.
Figura 3
Simulación en la producción de vacunas para combatir el COVID-19
Una vez que se determine una vacuna, uno de los mayores retos a los que se enfrenta la industria biofarmacéutica es aumentar la producción de vacunas desde la escala de laboratorio a la escala industrial. Utilizando la simulación en un entorno virtual, las empresas farmacéuticas pueden aumentar sus posibilidades de acertar en el proceso de expansión desde el primer intento.
Después de que los investigadores descubran los tratamientos que los fabricantes pueden producir, el siguiente reto es diseñar sistemas de entrega. La simulación puede garantizar que un sistema de entrega virtual, encargado de enviar suficiente medicación a un pulmón virtual, funciona como se espera desde el momento de su fabricación e implantación en seres humanos. Una vez creado el sistema de entrega, estos modelos pueden ser usados para ayudar a entrenar a médicos y enfermeras.
Conoce más en los insights de simulación proporcionados por Ansys
