肺部颗粒运动机制模型的研究进展

来源

药学学报

作者

许都昌，赖开澄，金义光，徐远清北京理工大学生命学医院辐射医学研究所

摘要

肺吸入颗粒在肺组织内部运动和沉积对人体的呼吸生理有重要影响。其颗粒运动机制和沉积研究模型对于探究肺部疾病的致病因素及治疗方法有重要的应用价值，如评估肺部雾化给药的优化设计及空气颗粒污染物对肺部的影响等。本文根据建模依据的知识和方法不同，对近年来主要的肺部颗粒运动机制模型进行了分类、梳理和分析。将相应机制模型分为生物学模型、物理学模型和数值模拟模型。生物学模型包括体内成像法和药代动力学方法；物理学模型包括实物实体建模法和微流控芯片建模法；数值模型包括呼吸道模型、气流模拟模型及颗粒模拟模型。同时还对相应的数值求解及流固耦合等模型进行综述，其中，重点分析了格子Boltzmann方法的应用前景。

关键词

肺；机制模型；颗粒运动；数值模拟；格子Boltzmann方法_正文_空气中存在的可吸入颗粒物，会伴随呼吸过程进入肺中，一部分颗粒沉积在气管支气管，还有一部分会深入肺泡中，有可能引起诸多疾病，如支气管炎、肺气肿和哮喘等。颗粒尺寸是决定颗粒进入呼吸系统深度的重要因素[1]。一些细小的颗粒可以吸入并沉积在肺泡引起感染和炎症，甚至形成肿瘤病灶[2]；此外，有些病毒和病菌也可直接入侵肺泡引发疾病,如吸入性炭蛆病是由一定数量1~5μm的病原体侵入引发[3]。因此肺部颗粒运动机制有助于人们预防和治疗呼吸系统疾病。其中，肺吸入给药是一种治疗呼吸系统疾病的重要方法。作为一种非侵入性治疗途径，吸入给药可有效治疗肺炎、肺气肿、间质性肺疾病和囊性纤维化等疾病，其中肺泡区是吸入性药物沉积和吸收的功能靶点[4]。在某些情况下（如深部肺吸入治疗），吸入给药过程中药物液滴或颗粒主要在肺泡区沉积吸收，液滴或颗粒的大小和吸入方式需要进行特殊设计，如果在上呼吸道过度沉积则会导致严重不良反应，如戊烷脒[5]。因此，研究肺部颗粒运动机制具有重要的科学意义和临床应用价值。但目前的研究进展尚不完善，原因是肺部的复杂结构。肺是进行气体交换的复杂器官。人肺中的肺泡空间约占肺内总体积的90%，肺泡数量达2.74~7.9亿之多[6]。肺部结构复杂，目前直接进行实验研究仍存在很多技术困难。近年来，计算流体力学（


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