由于其廣泛的生產和使用，碳納米管常存在于各種環境。空氣中的碳納米管主要通過呼吸系統進入人體，因尺寸微小，它們能夠滲透并沉積在肺部深處，不可避免地與鋪展在肺泡水-氣界面上的肺表面活性劑單層膜發生交互作用，可能破壞該單層膜的生理功能并誘發呼吸毒性。現有的毒理研究通常只考慮分散的原始碳納米管，而空氣中的碳管因其高表面積比，很容易相互吸引形成聚集，或者吸附環境有機污染物。特別值得關注的是多環芳烴，它們是在不完全燃燒過程中形成的持久性有機污染物，通常與碳納米管等共存。
胡國慶課題組和中國海洋大學岳同濤課題組等開展合作，深入研究了吸入碳納米管與肺表面活性劑之間的復雜交互作用機制。我們采用大規模粗粒化分子動力學模擬，發現與分散狀態的碳管相比，聚集態的碳管在肺表面活性劑單層膜壓縮和膨脹階段都會更顯著地引發單層膜結構擾動。這類擾動和碳管的尺寸、與單層膜的初始接觸角度、聚集形態密切相關，在高表面張力條件下甚至會在單層膜上誘導出孔洞，從而嚴重影響肺表面活性劑單層膜的正常生理功能（圖1）。此外，能量分析表明聚集態的碳納米管更難以從單層膜中去除。這些結果表明，聚集態的碳納米管可能具有更高的納米毒性風險。
我們進一步研究在有機污染物如苯并[a]芘存在情況下，碳納米管與肺表面活性劑的交互作用。使用被動劑量和熒光技術，我們在模型肺泡液中證實了吸附在碳管上的苯并[a]芘會被肺表面活性劑部分溶解。通過分子動力學模擬，闡明了苯并[a]芘、碳納米管和肺表面活性劑之間的復雜作用過程（圖2），發現肺表面活性劑對碳管毒性的雙重效應：一方面，肺表面活性劑在碳管表面所形成的分子冕能夠減少毒性；而另一面，肺表面活性劑提高了所吸附苯并[a]芘的溶解度即生物可獲取性，從而增強了碳納米管的吸入毒性。
上述研究為納米材料與肺表面活性劑之間的復雜交互作用機制提供了新認識，表明在評估吸入納米毒性時，不僅要考慮納米材料自身形態，還要考慮它們與環境中其他物質的相互作用。研究得到了國家自然科學基金重點項目等資助，相關成果發表在Nano Today (2022, 101525) 和 Journal of Hazardous Materials (2023, 131753) 上。
圖1. (a) 分散和聚集碳納米管對肺表面活性劑單層膜的不同擾動，聚集碳管能夠誘導出孔洞.
(b) 肺表面活性劑單層膜的等溫壓縮曲線，聚集態的碳納米管引起了單層膜壓縮-拉伸過程的滯后效應.
圖2. 分子動力學模擬揭示了碳納米管、肺表面活性劑、吸附苯并[a]芘之間的復雜交互作用