由于其广泛的生产和使用，碳纳米管常存在于各种环境。空气中的碳纳米管主要通过呼吸系统进入人体，因尺寸微小，它们能够渗透并沉积在肺部深处，不可避免地与铺展在肺泡水-气界面上的肺表面活性剂单层膜发生交互作用，可能破坏该单层膜的生理功能并诱发呼吸毒性。现有的毒理研究通常只考虑分散的原始碳纳米管，而空气中的碳管因其高表面积比，很容易相互吸引形成聚集，或者吸附环境有机污染物。特别值得关注的是多环芳烃，它们是在不完全燃烧过程中形成的持久性有机污染物，通常与碳纳米管等共存。
胡国庆课题组和中国海洋大学岳同涛课题组等开展合作，深入研究了吸入碳纳米管与肺表面活性剂之间的复杂交互作用机制。我们采用大规模粗粒化分子动力学模拟，发现与分散状态的碳管相比，聚集态的碳管在肺表面活性剂单层膜压缩和膨胀阶段都会更显著地引发单层膜结构扰动。这类扰动和碳管的尺寸、与单层膜的初始接触角度、聚集形态密切相关，在高表面张力条件下甚至会在单层膜上诱导出孔洞，从而严重影响肺表面活性剂单层膜的正常生理功能（图1）。此外，能量分析表明聚集态的碳纳米管更难以从单层膜中去除。这些结果表明，聚集态的碳纳米管可能具有更高的纳米毒性风险。
我们进一步研究在有机污染物如苯并[a]芘存在情况下，碳纳米管与肺表面活性剂的交互作用。使用被动剂量和荧光技术，我们在模型肺泡液中证实了吸附在碳管上的苯并[a]芘会被肺表面活性剂部分溶解。通过分子动力学模拟，阐明了苯并[a]芘、碳纳米管和肺表面活性剂之间的复杂作用过程（图2），发现肺表面活性剂对碳管毒性的双重效应：一方面，肺表面活性剂在碳管表面所形成的分子冕能够减少毒性；而另一面，肺表面活性剂提高了所吸附苯并[a]芘的溶解度即生物可获取性，从而增强了碳纳米管的吸入毒性。
上述研究为纳米材料与肺表面活性剂之间的复杂交互作用机制提供了新认识，表明在评估吸入纳米毒性时，不仅要考虑纳米材料自身形态，还要考虑它们与环境中其他物质的相互作用。研究得到了国家自然科学基金重点项目等资助，相关成果发表在Nano Today (2022, 101525) 和 Journal of Hazardous Materials (2023, 131753) 上。
图1. (a) 分散和聚集碳纳米管对肺表面活性剂单层膜的不同扰动，聚集碳管能够诱导出孔洞.
(b) 肺表面活性剂单层膜的等温压缩曲线，聚集态的碳纳米管引起了单层膜压缩-拉伸过程的滞后效应.
图2. 分子动力学模拟揭示了碳纳米管、肺表面活性剂、吸附苯并[a]芘之间的复杂交互作用