考虑皮肤微结构下空气-皮肤系统中挥发性有机化合物的皮肤暴露建模

《Building and Environment》：Modeling of dermal exposure of SVOCs in air-to-skin systems by considering skin microstructure

　　

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  多尺度模型整合了微观结构、宏观传输和代谢过程。
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  脂质基质厚度主导了角质层的多方向扩散系数。
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  角质层、对流质量传输和衣物限制了半挥发性有机物的暴露速率。
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  脏衣物作为持续来源加速皮肤暴露。
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  真皮代谢和清除假设关键性地调节皮肤吸收。

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引言

半挥发性有机化合物（SVOCs），如增塑剂、邻苯二甲酸酯和阻燃剂，是主要的室内污染物[1]。由于低蒸气压和对有机相的高亲和力，SVOCs从室内来源释放后容易在空气、气溶胶颗粒、沉降灰尘和室内表面之间分配[2]。人类可通过多种途径接触SVOCs，包括吸入、灰尘摄入和皮肤吸收[3]。现实暴露场景评估表明SVOCs具有独特的暴露途径[4]，且有机膜对整体暴露贡献很大[5]。与吸入相比，越来越多的证据表明皮肤吸收成为总暴露的主导途径[[6]、[7]、[8]]。Bu等人[9]发现，皮肤拭子测定的皮肤吸收中位数比吸入剂量高2.0-6.8倍。Weschler和Nazaroff[10]提出皮肤暴露是低分子量SVOCs的主导途径，比吸入高10-20倍。因此，研究人类对SVOCs的皮肤暴露对室内环境健康风险评估和污染物暴露控制具有重要意义。

如图1所示，皮肤暴露是指渗透物从空气直接迁移到皮肤或通过衣物和表面膜等中间介质迁移的过程[11]。化合物的物理化学性质主导皮肤吸收的相对重要性[12]，因为这些物质的吸收能力不同[13]。因此，衣物和皮肤表面脂质（SSL）在调节这些化合物的皮肤吸收中起着根本性的作用[14]。通常，角质层（SC）由几层角质细胞和脂质基质组成，被认为是经皮渗透的主要屏障。基于SC的方法通过克服传统皮脂采样方法在稳定性和准确性方面的局限性，提供了更优越、更稳健的量化长期皮肤暴露和风险的框架[15]。渗透物必须沿着角质细胞周围的迂回路径穿过所谓的"砖-灰浆"结构，其中角质细胞嵌入多层脂质基质中[16,17]。对于疏水性SVOCs，传输主要通过迂回的脂质路径发生，而角质细胞作为相对不透的区域[18]。SC的微观结构异质性导致各向异性传输，使得均质皮肤模型不足以捕捉渗透物的结构依赖性渗透性[[19]、[20]、[21]、[22]]。

衣物作为人类皮肤与周围环境之间的中间层，可显著影响SVOCs的传输[11,12,23,24]。一方面，衣物可以作为屏障减少污染空气与皮肤的直接接触。另一方面，它可以作为储库随时间吸附并重新释放SVOCs，从而延长皮肤暴露。衣物与皮肤之间的空气间隙引入额外的阻力层，是控制质量传输的关键因素[25]。此外，SVOCs通过空气-皮肤系统的渗透涉及跨越多个界面的复杂传输，包括空气-衣物、空气-SSL、SSL-角质细胞和角质细胞-表皮边界。界面处的内在热力学分配导致浓度不连续，这带来了相当大的计算挑战。

当前皮肤暴露的量化很大程度上依赖于基于Fick定律和平衡模型的一维扩散模型[26,27]。Gong等人[19]引入了气态化学物质吸收进入真皮毛细血管的瞬态模型，而Morrison等人[23]通过纳入SSL和衣物层扩展了这一框架。为了进一步考虑复杂动态，Cao等人[20]提出了衣物与皮肤之间的SVOCs双路径传输模型。Barbero等人[28]强调了SC异质性对渗透通量和滞后时间的作用，同时考虑了横向和跨细胞过程。Wang等人[29]将经皮过程与两层建筑材料的解析化学物质排放模型耦合，Park等人[30]利用3D模拟与一维生理模型整合来研究微气候形成对污染物传输和皮肤暴露的影响。然而，这些模型存在关键局限性，特别是忽略了SC内的微观结构异质性和对真皮生理清除的过度简化。这种简化可能会损害瞬态渗透通量的准确性。

为了应对这些挑战，本研究开发了一个多尺度建模框架来研究SVOCs的皮肤传输。建立了空气-皮肤系统来表征通过衣物、空气间隙、SSL、SC、活性表皮（VE）和真皮的经皮过程，明确纳入了界面分配以考虑浓度不连续性和真皮清除。SC的异质性"砖-灰浆"结构进一步均质化以获得SVOCs的有效传输参数，桥接微观结构特征和宏观行为。瞬态传输动力学得到了解析并针对解析稳态解和实验数据进行验证。最后，探索了衣物、空气间隙厚度和真皮生理清除对皮肤暴露行为的影响。本研究为SVOCs皮肤暴露提供了新见解，并有助于更准确地评估人类暴露风险。

章节片段

物理构型

SVOCs从室内空气迁移到真皮的皮肤暴露过程中的质量传输机制分为五类，即1) SVOCs从室内空气到衣物的对流质量传输，2) 跨衣物、空气间隙、SSL、SC、VE和真皮的传输，3) 不同层之间界面的分配，4) SC内由于其"砖-灰浆"结构产生的各向异性扩散，以及5) 真皮中的代谢。

图2展示了物理模型

角质层微观结构对传输特性的影响

为了研究SC微观结构对SVOCs沿面内和横向方向有效扩散系数的影响，选择了三个无量纲结构参数，通过拉丁超立方采样生成了128种不同的SC结构。结构参数定义如下：$$\alpha =\frac{L_{\mathrm{s}}}{L_{\mathrm{n}}+L_{\mathrm{m}}},\beta =\frac{1}{1+w},\gamma =\frac{H_{\mathrm{m}}}{H_{\mathrm{m}}+H_{\mathrm{c}}}$$其中参数$\alpha ,\beta ,\gamma$分别表示脂质基质的相对宽度、左侧角质细胞的相对宽度和

讨论与局限性

尽管本研究为跨多层皮肤的迁移机制提供了全面见解，并阐明了SC内"砖-灰浆"结构的质量传输特性，但从人类生理复杂性的角度来看，仍存在一些局限性。

仅探讨了最初干净和脏衣物对DnBP和DEP传输行为的影响。特别是，织物类型、厚度、孔隙率、合身性、衣物-皮肤空气间隙厚度，

结论

本研究开发了一个多层皮肤质量传输模型来表征SVOCs（DnBP和DEP）在各种暴露场景下的经皮传输行为。通过使用格子玻尔兹曼方法，该模型明确纳入了SC的"砖-灰浆"微观结构，并考虑了真皮中的代谢消耗以及衣物的屏障/储库效应。所提模型的可靠性通过解析和现有实验数据进行了验证。

CRediT作者贡献声明

Ziai Li：撰写初稿、可视化、方法论、研究。Yutong Mu：撰写审阅与编辑、概念化。

Ziai Li|Yutong Mu