女性呼吸道纤维颗粒传输与沉积的跨尺度研究：实验与数值模拟联合解析

研究人员针对女性呼吸道纤维颗粒沉积机制不清的问题，结合实验与数值模拟（LBM-ELER方法），建立了首个真实女性气道模型（延伸至第7级分支）。研究发现高长径比纤维更易深入肺部，并验证了旋转运动对沉积的影响，为吸入毒理学和靶向给药提供了新见解。

　　

研究背景
空气动力学与健康医学的交叉领域长期存在一个关键矛盾：尽管纤维状颗粒（如石棉、药物载体）的吸入暴露与呼吸系统疾病直接相关，但针对女性特异性气道的研究却严重匮乏。传统研究多基于男性气道模型，而女性因解剖结构差异（如较小气道直径、激素影响）可能导致颗粒沉积规律显著不同。更棘手的是，非球形颗粒的复杂运动（如旋转、取向变化）使得传统球形假设的模拟方法误差高达40%，而实验手段又难以捕捉瞬态动力学细节。

为破解这一难题，国内某研究机构团队在《Computers in Biology and Medicine》发表了一项开创性研究。他们首次构建了从口腔延伸至第7级支气管的真实女性气道模型，通过耦合实验与创新性数值方法（Lattice Boltzmann Method-ELER），揭示了纤维颗粒在性别特异性气道中的传输规律。

关键技术方法
研究采用三大核心技术：1）基于CT数据的0.88线性缩放女性气道模型重建；2）结合LBM（格子玻尔兹曼方法）与ELER（欧拉-拉格朗日欧拉旋转）算法的多尺度模拟，实现纤维旋转运动的精确追踪；3）玻璃纤维体外沉积实验验证，使用硅油涂层模拟黏液层捕获效应。实验覆盖1-10 μm直径、5-100 μm长度的多分散玻璃纤维，通过相衬显微镜定量分析沉积分布。

研究结果

3.1 模拟与实验验证
在26个气道分段中，ELER方法的预测准确率显著优于传统等效直径模型（绝对误差降低30%）。上呼吸道（如口腔、喉部）和分叉嵴（carina）是主要沉积热点，但模拟在左肺G2-G3分支呈现轻微高估（差异约15%），可能与湍流条件下旋转力学的线性假设局限性有关。

3.2 纤维特性影响
长径比（β）>10的纤维在深层气道（G4-G7）沉积量比球形颗粒低50%，证实"纤维越细长，穿透越深"的假设。但这一规律存在尺寸依赖性：当等效直径（d_eq
）>5 μm时，β的影响尤为显著；而d_eq
<2 μm的颗粒则几乎不受β影响。

3.3 呼吸周期效应
早期吸气阶段（0-0.2 s）释放的颗粒在喉部的沉积率是后期（0.5-1.5 s）的1.8倍，但深层沉积呈现相反趋势。这为吸入制剂的时间-剂量调控提供了直接依据。

结论与意义
该研究首次系统揭示了女性气道中纤维颗粒的沉积规律：1）性别差异导致女性上气道截留效率比男性高10-15%；2）纤维取向动力学在分叉区域起主导作用，传统球形模型会低估G1-G3沉积量达20%；3）提出"临界长径比阈值"概念（β≈10），为设计深肺靶向载体提供量化标准。

这项研究不仅填补了性别特异性吸入毒理学数据的空白，其创新的LBM-ELER耦合框架更为复杂形态颗粒的呼吸道行为研究建立了新范式。未来可扩展至纳米纤维药物载体优化或职业暴露风险评估，具有重要的临床与工程应用价值。