性别特异性气道动态特性对pMDI药物递送效率的影响：基于患者特异性模型的CFD-DPM研究

本研究通过构建COPD患者特异性气道模型，结合CFD-DPM-EWF多物理场耦合技术，首次系统分析了性别差异、气道壁运动、呼吸模式和黏液层对pMDI药物递送的影响。研究发现女性气道几何特征导致上呼吸道沉积增加43%，而COPD呼吸模式使男性/女性肺部沉积分别提升16.35%和67.35%，为个性化吸入治疗提供了重要理论依据。

吸入治疗是呼吸系统疾病管理的核心手段，但药物在复杂气道中的沉积效率始终是困扰临床的难题。尤其令人困惑的是，为什么相同剂量的药物在不同性别患者体内呈现显著差异的疗效？这背后是否隐藏着气道解剖结构和生理特性的奥秘？加拿大莱克黑德大学（Lakehead University）化学工程系的Mahsa Jahed团队在《Journal of Drug Delivery Science and Technology》发表的研究，通过创新性地结合医学影像与工程仿真技术，揭开了这一"性别之谜"的面纱。

研究采用CT扫描重建COPD患者的性别特异性气道模型（男性60岁/女性67岁），集成Virginia Commonwealth University(VCU)口咽模型，构建了包含气管至第4级支气管(G0-G4)的完整几何。关键技术包括：1）基于大涡模拟(LES)的湍流分析；2）拉格朗日离散相模型(DPM)追踪5μm平均直径的颗粒；3）欧拉壁膜(EWF)模拟10μm厚黏液层；4）用户自定义函数(UDF)实现气道壁正弦动态变形；5）HPLC定量验证沉积效率。

性别差异主导沉积格局

通过对比患者特异性模型发现，女性较小的气道截面积（男性255.58±27.3 mm² vs 女性126.25±16.3 mm²）导致气流速度提升约150%，使上气道沉积增加43%。粒径分析显示>15μm颗粒完全滞留在女性口咽部，而男性气道允许更大颗粒进入支气管。

呼吸模式改写药物命运

COPD特有的渐进式吸气曲线（峰值60 L/min）显著降低湍流强度，使男性/女性肺部沉积分别提升16.35%和67.35%。流场可视化显示，恒定流量下0.1s注射期内87.25%颗粒聚集在口咽部，而COPD模式使颗粒"搭乘"后期加速气流深入肺部。

动态壁面的微妙调控

尽管气道壁正弦运动（峰值位移0.05mm）使总沉积降低3-4.15%，但pMDI的短时喷射特性（0.1s）导致多数颗粒在显著壁面运动前已完成传输。Cine-MRI衍生的运动模型显示，壁面扩张使喉部涡流强度增加728 s^-1，但仅影响约0.01%的滞留颗粒。

黏液层的隐形守护

10μm厚黏液层虽仅使肺部沉积微增0.5-1.5%，但通过蒸发冷却使管壁相对湿度(RH)从50%升至90-100%，显著平滑壁面剪切应力(WSS)分布。在气管分叉处，黏液层使WSS峰值降低约32.45 Pa，可能缓解上皮机械损伤。

这项研究首次在单框架内整合了性别解剖差异、病理呼吸动力学和黏膜热力学效应，揭示了pMDI疗效个体化差异的流体力学本质。特别值得注意的是，女性患者较小的气道尺寸构成"双刃剑"——既增加药物损失风险，又在COPD呼吸模式下展现更高的肺部递送可塑性。这些发现为开发性别适配型吸入装置提供了定量设计准则，也为临床指导患者呼吸模式优化奠定了理论基础。未来研究可进一步纳入黏液流变学特性和更广泛的疾病表型，以完善个性化给药预测模型。