仿生磁驱人工纤毛平台：模拟呼吸道粘液清除机制
作者：裘岩、胡国庆
呼吸道纤毛是人体抵御外界侵害的第一道防线。它们通过协同摆动，高效清除呼吸道内的粘液、异物和病原体，维持呼吸系统的健康。纤毛的摆动模式非常精妙，其不对称的“有效冲程（effective stroke）”和“恢复冲程（recovery stroke）”能够定向推进粘液。更有趣的是，相邻纤毛之间并非同步摆动，而是呈现出微妙的相位差，形成“异时波（metachronal wave）”——一种节律性的波动协调模式，显著增强了粘液传输的效率。深入理解这些复杂的生物物理机制，对于我们更好地认识慢性阻塞性肺病（COPD）等严重呼吸系统疾病的发病机理，以及开发更有效的肺部药物递送策略至关重要。
图1：微流控芯片再现的纤毛-粘液清除系统和纤毛的摆动模型。
图2：磁性人造纤毛和永磁体驱动系统的设计原理。
近日，胡国庆和边鑫研究团队设计了一种新型微流控实验平台，成功地在体外模拟了人类呼吸道中纤毛-粘液-空气界面的复杂动力学行为。该平台以其简洁高效的磁驱动系统和微流控芯片为核心，为研究纤毛运动与流体传输机制提供了全新的视角。该成果以“Design of a magnetically responsive artificial cilia array platform for microsphere transport”为题，发表于英国皇家化学会期刊 Lab on a Chip （2025, 25, 330-342），并被选为封底图片。
图3：流体中不同大小的微球受到纤毛阵列驱动的迁移效果。
该研究的创新之处在于构建了一个三层结构的微流控芯片：底层为可磁驱动的人工纤毛阵列，中间层为模拟呼吸道粘液的流体层，顶层为空气界面，完美再现了呼吸道的微观环境。研究人员利用直径12 μm、长度60 μm的磁性人造纤毛，通过精巧的磁场控制，实现了多种动态运动模式，包括同步摆动和异时波，进而研究不同摆动模式下的流体输运效率。磁驱动系统的核心是可调节磁场的永久磁铁，通过调控磁场的强度、方向和非对称性，可以灵活地控制纤毛的摆动模式。研究团队还利用高速摄像机记录纤毛的动态轨迹，量化微球在流体中的位移和清除效果，并结合平滑粒子流体动力学（SPH）数值模拟，深入分析了纤毛运动与流体、微球之间的相互作用机制。
图4：不同流体中的微球清除效率。
研究结果显示，异时波模式下纤毛的摆动能够显著提升微球的净位移，其输运效率远高于同步摆动模式。此外，研究还发现，较小直径的微球更容易受到流体驱动，而较大直径的微球运动速度相对较慢。纤毛的摆动频率、阵列密度和流体粘度是影响输运效果的关键因素。更高的摆动频率和高密度的纤毛阵列能够加速微球的移动，从而实现更高效的输运过程。表面清洁实验表明，高粘度流体会限制纤毛的摆动幅度，从而降低清洁效率。实验结果与数值模拟结果高度吻合，充分验证了该平台在纤毛动态行为研究中的适用性和可靠性。
这项研究开发的微流控平台，为研究纤毛驱动的流体输运和颗粒清除提供了一种灵活而可靠的工具。该研究不仅拓展了对纤毛动态行为的认识，还为呼吸道疾病研究、药物递送和表面清洁等领域的应用奠定了基础。未来，研究团队计划优化纤毛的几何设计与材料性能，并结合更复杂的流体与化学环境，进一步提升模型的仿真精度与实用性。
图5：封底图片。