肺是人體呼吸的主要功能區(qū)域?？晌腩w粒物的沉積與多種肺部疾病的形成密切有關(guān)，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(guān)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(guān)重要。目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄬唵?，無法充分再現(xiàn)肺深處呼吸區(qū)域的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其流動相似性與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)。故有必要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，以便更好地在真實(shí)尺度上研究顆粒在肺中的輸運(yùn)行為。
胡國慶課題組和中國計(jì)量大學(xué)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(jī)制。研究人員基于微流控技術(shù)，開發(fā)了一種新型多層肺器官芯片，以更準(zhǔn)確地模擬人類呼吸支氣管的結(jié)構(gòu)（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(tài)輸運(yùn)過程與最終沉積部位。他們提出了一種實(shí)驗(yàn)方法，通過控制PDMS彈性膜的變形來定量控制通道內(nèi)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(shí)拍攝來觀察通道內(nèi)的流體形態(tài)，并采用芯片-氣溶膠暴露裝置與顯微成像結(jié)合來實(shí)現(xiàn)氣溶膠沉積的可視化觀測。結(jié)合數(shù)值模擬，該研究得出一致結(jié)論：顆粒的沉積密度在肺部的深處顯著降低。這與現(xiàn)有研究結(jié)果吻合，證實(shí)了此芯片功能的科學(xué)性。
圖1. (a)多層微流控肺芯片的結(jié)構(gòu)圖。(b)通過芯片模擬人體的被動呼吸過程。
研究人員進(jìn)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(fā)現(xiàn)通過增加屏息時(shí)間、延長呼氣時(shí)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(shí)間，從而促進(jìn)顆粒向肺部更深處的沉積（圖2）。這些發(fā)現(xiàn)對于理解顆粒在肺部的沉積過程以及藥物傳遞的優(yōu)化具有重要意義。
相比于傳統(tǒng)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，本研究在呼吸疾病治療和吸入式藥物領(lǐng)域具有巨大的潛力，為可吸入顆粒物相關(guān)研究提供了一種可替代的高效、經(jīng)濟(jì)的創(chuàng)新平臺。本研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助，相關(guān)成果發(fā)表在Lab on a Chip (2023, 23, 4302 ) 上，并獲得國家發(fā)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