肺是人体呼吸的主要功能区域。可吸入颗粒物的沉积与多种肺部疾病的形成密切有关，而可吸入式药物递送由于其非侵入性给药和高效性也获得了广泛关注。因此，研究颗粒在人类呼吸支气管中的传输和沉积过程对于疾病治疗和药物传递至关重要。目前大多数实验模型相对简单，无法充分再现肺深处呼吸区域的复杂结构，其流动相似性与实际情况相去甚远。故有必要改进实验方法，以便更好地在真实尺度上研究颗粒在肺中的输运行为。
胡国庆课题组和中国计量大学包福兵课题组等开展合作，深入研究了人体的被动呼吸过程和颗粒沉积机制。研究人员基于微流控技术，开发了一种新型多层肺器官芯片，以更准确地模拟人类呼吸支气管的结构（图1），并能够直观显示颗粒及气溶胶在仿真气管及肺泡中的动态输运过程与最终沉积部位。他们提出了一种实验方法，通过控制PDMS弹性膜的变形来定量控制通道内流体速度，从而模拟人体的被动呼吸过程；通过对水/甘油溶液中的荧光微球的延时拍摄来观察通道内的流体形态，并采用芯片-气溶胶暴露装置与显微成像结合来实现气溶胶沉积的可视化观测。结合数值模拟，该研究得出一致结论：颗粒的沉积密度在肺部的深处显著降低。这与现有研究结果吻合，证实了此芯片功能的科学性。
图1. (a)多层微流控肺芯片的结构图。(b)通过芯片模拟人体的被动呼吸过程。
研究人员进一步研究了不同的呼吸模式对可吸入颗粒物的沉积影响，发现通过增加屏息时间、延长呼气时间、延长呼吸周期和增大呼吸潮气量等方式，可增加颗粒在芯片通道中的停留时间，从而促进颗粒向肺部更深处的沉积（图2）。这些发现对于理解颗粒在肺部的沉积过程以及药物传递的优化具有重要意义。
相比于传统体内实验，本研究在呼吸疾病治疗和吸入式药物领域具有巨大的潜力，为可吸入颗粒物相关研究提供了一种可替代的高效、经济的创新平台。本研究得到了国家自然科学基金重点项目资助，相关成果发表在Lab on a Chip (2023, 23, 4302 ) 上，并获得国家发明专利（ZL202210006089.7）。
图2. 不同的呼吸模式对可吸入颗粒物的沉积影响