肺泡微流体的混沌混合及其对PM2.5微颗粒运输与沉积的影响

The main objective of the proposed research is to investigate the dynamics of chaotic flows in alveoli of the lung and to understand the mechanisms that control PM2.5 particle transport and deposition deep in the lung under respiratory flow conditions. Transport and deposition of micro- and nano-scale particulates in the human lung under respiration has significant implications for human health. Current research on transport and deposition PM2.5 particles mainly rely on numerical modellings. These are based on over-simplified models which can represent neither the true geometry and variations of alveoli nor the chaotic flows. Due to the complexity of the acini, the experimental studies are even behind the numerical work. .The proposed project would build a range of 3D models of alveolar sacs (one or more or the last 2-5 levels of the alveolar microflow systems) with real and enlarged sizes to investigate the 3D chaotic mixing and the effect on the transport and deposition PM2.5 particles. We will realize the variations and interactions of alveolar sacs and use advanced 3D flow measurement techniques (3D imaging, particle imaging velocimetry, particle tracking velocimetry) to study the flow field and flow chaos due to Lagrangian coherent structures. We will further investigate the effect of such a chaotic flow on the transport of PM2.5 particles and subsequently understand the deposition of such particles in alveoli. The proposed project will last for 4 years.

该项目主要研究肺泡混沌流动的动力学和呼吸条件下肺深处微粒体(PM2.5)运输和沉积的机制。呼吸作用下PM2.5在肺中的运输和沉积对人体健康有重要的影响。目前这方面的研究主要依靠数值模拟来进行，这些模拟多基于过于简化的物理模型，不能反映肺泡壁的真实几何形状和伸缩情况，也不能反映肺泡微流混沌现象。目前的实验研究由于肺结构的复杂性远远落后于数值模拟。本项目拟通过实际尺寸和放大的三维模型模拟单个、多个肺泡及肺泡末端2至5级分叉的复杂微流系统来研究肺泡流的三维混沌现象及其对PM2.5颗粒的运输和沉淀的影响。我们将模拟肺泡在呼吸作用下的变形和多肺泡相互影响，并采用先进3D流体测量技术(三维成像,微粒子成像测速和粒子跟踪)研究肺泡内的流场和拉格朗日有序结构引起的混沌机理，以及不同PM2.5颗粒进入肺泡后的运动情况，进而深入理解PM2.5微颗粒在肺泡的沉积情况。该项目拟计划4年完成。

空气中的微纳米颗粒物被吸入肺部后会导致包括哮喘、支气管炎、肺气肿等肺部疾病，研究呼吸作用下肺泡微流及其对微纳米颗粒在肺部深处的运输过程对理解颗粒物的致病机理有重要意义。另外，在药物测试方面，目前采用的动物试验和临床实验成本高且周期长，开发能够模拟人体肺泡微环境的微流控芯片对药物筛选技术的发展具有重要意义。该项目主要研究肺泡混沌流动的动力学和呼吸条件下肺深处微粒体(PM2.5)运输和沉积的机制。本项目通过实际尺寸和放大的三维模型模拟单个、多个肺泡及肺泡末端2至5级分叉的复杂微流系统来研究肺泡流的混沌现象及其对PM2.5颗粒的运输和沉淀的影响。我们模拟了肺泡在呼吸作用下的变形和多肺泡相互影响，并采用先进流体测量技术(微粒子成像测速和粒子跟踪)研究肺泡内的流场和混沌机理，以及不同PM2.5颗粒进入肺泡后的运动情况，进而深入理解PM2.5微颗粒在肺泡的沉积情况。.本项目开创性地提出了一种计算各级肺泡膨胀率和肺泡气流分布的新方法，考虑了各级肺泡受力的膨胀和收缩情况，并且考虑了肺泡数量的影响。不同于之前研究中各级肺泡线性膨胀的假设，本项目提出的各级肺泡非线性膨胀更加接近真实情况，校正了之前对肺泡膨胀行为和肺内气流分布的误解，为深入研究肺泡内的流动和颗粒输运特性奠定了基础。.本项目设计了真实尺度的肺泡芯片（单肺泡芯片、多肺泡芯片及多级肺泡芯片）和三维放大肺泡模型，基于这些物理模型搭建了呼吸运动系统和流场可视化系统，通过控制肺泡的膨胀收缩和流量参数实现了模型内流体与人体各级肺泡管内流体的动力学相似。本项目基于上述实验系统，研究了人体各级肺泡流场，实验结论如下：（1）本项目首次通过实验的方法验证了肺泡内流动鞍点的存在，揭示了肺泡内的混沌现象。（2）虽然肺泡流是低雷诺数的流动，肺泡内的流场却很复杂，漩涡流和径向流（流向肺泡壁面）同时存在；（3）不同级肺泡之间的流场不同是因流量比（肺泡与肺泡管内流体流量之比）的不同；（4）同级肺泡在不同时刻的流场不同是由于肺泡半开角随肺泡在呼吸过程发生变化。本项目还基于上述实验系统搭建了颗粒示踪实验平台，该平台克服了显微镜只能观察水平面的局限，能够研究重力对粒子运动规律的影响，通过实验得到结论：（1）微纳米颗粒的运动主要由流体曳力决定，并且受自身重力影响；（2）多个呼吸周期下重力的会促进微纳米颗粒向呼吸系统更深处沉积；（3）重力是颗粒沉积的决定性因素。