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Simulation einer Iontophorese
Die Braun GmbH hat ein elektrisches Gerät zur Wirkstoffübertragung über die Haut entwickelt. CADFEM untersuchte die Effizienz mittels Simulation in Ansys.

Analyse der Iontophorese in Ansys

Branche: MedizintechnikFachgebiet: Elektromagnetik

Die Einlagerung von pharmazeutischen Wirkstoffen auf Haut- oder Schleimhautoberflächen bzw. deren Migration in biologisches Gewebe kann durch das Anlegen eines treibenden elektrischen Feldes verbessert werden. Dieser Vorgang wird als "Iontophorese" bezeichnet.

Zusammenfassung

Aufgabe

Für die Braun GmbH, einem bekannten Anbieter von Konsumgütern und Kleingeräten, sollte die Effizienz einer iontophoretischen Anwendung in Bezug auf verschiedene Bereiche der biologischen Oberfläche untersucht werden.

Lösung

Im Ansys FEM-Modell werden beide Eigenschaften, d.h. Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante, für jedes Material in ein und derselben Simulation definiert. Die transiente Simulation liefert das zeitabhängige Stromdichtevektorfeld, einschließlich der für die Rand(ent)ladung erforderlichen Komponenten. Der effektive Ionenfluss, der auf die 3D-Hautoberfläche einwirkt, wird schließlich durch zeitliche Mittelung der Stromdichte an jedem Punkt der Grenzfläche ermittelt.

Kundennutzen

Die Simulationsergebnisse zeigen die optimalen Betriebsparameter, um den Wirkstoff an die gewünschte Stelle im Gewebe zu bringen.

Projekt Details

Aufgabenstellung

Für die Braun GmbH, einem bekannten Anbieter von Konsumgütern und Kleingeräten, sollte die Effizienz einer iontophoretischen Anwendung in Bezug auf verschiedene Bereiche der biologischen Oberfläche untersucht werden. Die Analyse des transienten elektrischen Feldes erfolgt unter Einbeziehung von Materialien mit sowohl leitenden als auch nichtleitenden Eigenschaften. Die Simulation dient der Auslegung und Optimierung eines von der Braun GmbH entwickelten Gerätes zur Anregung des Ionenflusses.


Nutzen für den Kunden

Die Simulationsergebnisse zeigen die optimalen Betriebsparameter, um den Wirkstoff an die gewünschte Stelle im Gewebe zu bringen:

  • Evaluierung der Migrationsrate, insbesondere in Poren unterschiedlicher Größe
  • Verständnis der Auswirkungen verschiedener dynamischer Signalparameter wie Signalform und Frequenz auf die Migrationsrate, dies dient der Optimierung des Antriebssignals.
  • Optimierung der Form und Größe der aktiven Elektrode

Lösung

Die Wanderung der Ionen des Wirkstoffs durch die Trägersubstanz und das Gewebe folgt dem elektrischen Stromdichtevektorfeld. Biologisches Gewebe ist jedoch nicht nur ein elektrischer Ionenleiter. Es weist auch eine hohe dielektrische Permittivität auf. Daher baut sich an der Grenze zwischen Gewebe und Trägersubstanz eine Oberflächenladung auf. Im Falle einer gepulsten Ansteuerspannung enthält die elektrische Stromdichte Komponenten, die für die Auf- und Entladung erforderlich sind. Im Ansys FEM-Modell werden beide Eigenschaften, d.h. Leitfähigkeits- und Dielektrizitätskonstante, für jedes Material in ein und derselben Simulation definiert. Die transiente Simulation liefert das zeitabhängige Stromdichtevektorfeld, einschließlich der für die Rand(ent)ladung erforderlichen Komponenten. Der effektive Ionenfluss, der auf die 3D-Hautoberfläche einwirkt, wird schließlich durch zeitliche Mittelung der Stromdichte an jedem Punkt der Grenzfläche ermittelt.

Bilder: © BRAUN


Berechnungsingenieur
Dr.-Ing. Jürgen Wibbeler

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