肺是人體呼吸的主要功能區域。可吸入顆粒物的沉積與多種肺部疾病的形成密切有關，而可吸入式藥物遞送由于其非侵入性給藥和高效性也獲得了廣泛關注。因此，研究顆粒在人類呼吸支氣管中的傳輸和沉積過程對于疾病治療和藥物傳遞至關重要。目前大多數實驗模型相對簡單，無法充分再現肺深處呼吸區域的復雜結構，其流動相似性與實際情況相去甚遠。故有必要改進實驗方法，以便更好地在真實尺度上研究顆粒在肺中的輸運行為。
胡國慶課題組和中國計量大學包福兵課題組等開展合作，深入研究了人體的被動呼吸過程和顆粒沉積機制。研究人員基于微流控技術，開發了一種新型多層肺器官芯片，以更準確地模擬人類呼吸支氣管的結構（圖1），并能夠直觀顯示顆粒及氣溶膠在仿真氣管及肺泡中的動態輸運過程與最終沉積部位。他們提出了一種實驗方法，通過控制PDMS彈性膜的變形來定量控制通道內流體速度，從而模擬人體的被動呼吸過程；通過對水/甘油溶液中的熒光微球的延時拍攝來觀察通道內的流體形態，并采用芯片-氣溶膠暴露裝置與顯微成像結合來實現氣溶膠沉積的可視化觀測。結合數值模擬，該研究得出一致結論：顆粒的沉積密度在肺部的深處顯著降低。這與現有研究結果吻合，證實了此芯片功能的科學性。
圖1. (a)多層微流控肺芯片的結構圖。(b)通過芯片模擬人體的被動呼吸過程。
研究人員進一步研究了不同的呼吸模式對可吸入顆粒物的沉積影響，發現通過增加屏息時間、延長呼氣時間、延長呼吸周期和增大呼吸潮氣量等方式，可增加顆粒在芯片通道中的停留時間，從而促進顆粒向肺部更深處的沉積（圖2）。這些發現對于理解顆粒在肺部的沉積過程以及藥物傳遞的優化具有重要意義。
相比于傳統體內實驗，本研究在呼吸疾病治療和吸入式藥物領域具有巨大的潛力，為可吸入顆粒物相關研究提供了一種可替代的高效、經濟的創新平臺。本研究得到了國家自然科學基金重點項目資助，相關成果發表在Lab on a Chip (2023, 23, 4302 ) 上，并獲得國家發明專利（ZL202210006089.7）。
圖2. 不同的呼吸模式對可吸入顆粒物的沉積影響