Modelo computacional del calentamiento de nanopartículas de polipirrol por irradiación láser y su aplicación potencial en terapia fototérmica

Abstract

En el presente trabajo, se desarrolló un modelo computacional para estudiar el calentamiento fototérmico de una dispersión coloidal de nanopartículas de polipirrol, que fue irradiada con un láser en el infrarrojo cercano. El modelo incorpora la ecuación de energía térmica en estado no estacionario en tres dimensiones, en conjunto con la ecuación de transporte radiactivo. Una vez validado, el modelo se utilizó para simular un caso de estudio relacionado con el calentamiento de un tejido biológico con nanopartículas de polipirrol embebidas. El modelo se resolvió numéricamente mediante el programa ANSYS Fluent. La solución del modelo requirió los valores de los coeficientes de absorción y dispersión de las nanopartículas de polipirrol estudiadas en este trabajo. Estos coeficientes fueron calculados a partir de sus factores de eficiencia de absorción 𝑄𝑄𝑎𝑎 y dispersión 𝑄𝑄𝑠𝑠. Para obtener tales factores de eficiencia, se estableció un procedimiento iterativo que incorpora los espectros de absorción experimentales, reportados en la literatura, y la comparación de la solución del modelo con datos de calentamiento. Se determinó que los valores de 𝑄𝑄𝑎𝑎 y 𝑄𝑄𝑠𝑠 fueron 0.2731 y 0.001365, respectivamente. Los resultados del modelo para todas las concentraciones cumplieron con el criterio de error absoluto establecido en este trabajo. Se obtuvieron las distribuciones de temperatura de la dispersión coloidal a diferentes concentraciones como función del tiempo. Se observó que la atenuación del láser no es significativa debido las bajas concentraciones de las nanopartículas en la dispersión. No obstante, es esencial considerar este fenómeno al realizar el análisis del calentamiento fototérmico de un medio con nanopartículas embebidas que interactúa fuertemente con la radiación incidente. Se demostró la versatilidad y el potencial del modelo para estudiar el calentamiento fototérmico en sistemas más complejos. Esto se logró mediante la simulación de la irradiación láser de un tejido biológico de cinco capas con nanopartículas de polipirrol. Se observó una considerable atenuación del láser a lo largo de su trayectoria debido a que los tejidos son altamente dispersantes. Estos resultados son congruentes con los reportados en la literatura.