肺是人體呼吸的主要功能區(qū)域。可吸入顆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(duì)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?duì)簡單，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)呼吸過程；通過對(duì)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(cè)。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(dòng)呼吸過程。
研究人員進(jìn)一步研究了不同的呼吸模式對(duì)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(duì)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(tái)。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(duì)可吸入顆粒物的沉積影響