由于其廣泛的生產(chǎn)和使用，碳納米管常存在于各種環(huán)境。空氣中的碳納米管主要通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)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(fā)生交互作用，可能破壞該單層膜的生理功能并誘發(fā)呼吸毒性?，F(xiàn)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(huán)境有機(jī)污染物。特別值得關(guān)注的是多環(huán)芳烴，它們是在不完全燃燒過程中形成的持久性有機(jī)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(xué)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(fù)雜交互作用機(jī)制。我們采用大規(guī)模粗粒化分子動力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)與分散狀態(tài)的碳管相比，聚集態(tài)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(fā)單層膜結(jié)構(gòu)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(tài)密切相關(guān)，在高表面張力條件下甚至?xí)趩螌幽ど险T導(dǎo)出孔洞，從而嚴(yán)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(tài)的碳納米管更難以從單層膜中去除。這些結(jié)果表明，聚集態(tài)的碳納米管可能具有更高的納米毒性風(fēng)險。
我們進(jìn)一步研究在有機(jī)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(shù)，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(xué)模擬，闡明了苯并[a]芘、碳納米管和肺表面活性劑之間的復(fù)雜作用過程（圖2），發(fā)現(xiàn)肺表面活性劑對碳管毒性的雙重效應(yīng)：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(qiáng)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(fù)雜交互作用機(jī)制提供了新認(rèn)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(tài)，還要考慮它們與環(huán)境中其他物質(zhì)的相互作用。研究得到了國家自然科學(xué)基金重點項目等資助，相關(guān)成果發(fā)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(dǎo)出孔洞.
(b) 肺表面活性劑單層膜的等溫壓縮曲線，聚集態(tài)的碳納米管引起了單層膜壓縮-拉伸過程的滯后效應(yīng).
圖2. 分子動力學(xué)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(fù)雜交互作用