A Combined Computational and Experimental Study on Nanoparticle Transport and Partitioning in the Human Trachea and Upper Bronchial Airways

Abstract

In the past few decades, the transport and deposition of aerosol in the human respiratory tract has been a crucial area of research, resulting in the identification of the toxicity pathways of inhaled pollutants and facilitating the design of efficient drug delivery systems for targeted treatment. Owing to the complexity of the tracheobronchial tree, experimental studies in vivo/in vitro have been extremely limited; hence, detailed data on the airflow and particle dynamics have been obtained predominantly through computational investigations. With rapid advances in medical imaging and computational capacities, sophisticated human tracheobronchial trees that include the 6 th , 7 th or 15 th generation have been increasingly described in the literature. However, continued progress in anatomical reconstruction and mathematical idealized modeling, the two most frequently employed approaches to airway modeling, requires a detailed fundamental analysis on the morphology-induced sensitivity of particle-flow partitioning, and particle deposition in the airways. This study combined numerical and experimental investigations on the transport, deposition and partitioning of nanoparticles in the upper tracheobronchial airways. An anatomically realistic airway was reconstructed via CT scans, and a simplified numerical model was developed that incorporated physical irregularities in the trachea and assessed new boundary conditions to simulate air partitioning in the lobar bronchi, and flow and particle dynamics. An experiment measuring the penetration and deposition of sodium chloride (NaCl) nanoparticles in the anatomical and idealized airway models was conducted in parallel, and the results were compared with the computational predictions.

Numerical simulation on deposition effects of ultrafine particles in the asymmetrical lower respiratory tract

“…[7~8] ，对于细颗粒物，其粒径与沉积率存在 U 型关系。对于下呼吸道的数值研究，可分为肺腺区 和支气管区。目前研究 [9~11] 主要集中在颗粒物在肺腺区的运动轨迹和沉积效应。对于支气管区的 数值模拟研究，需建立支气管模型。经典 Weibel A 对称肺模型 [12] 是学者进行三维支气管模型建 模的主要依据。然而人体支气管是非对称性结构，会造成肺部各部位的颗粒物沉积情况不同。因 此， 有必要研究颗粒物在非对称性下呼吸道的沉积情况。 Yeh 模型 [13] 是一个具有左上叶、 左下叶、 右上叶、右中叶、右下叶全肺数学模型，相比于经典 Weibel A 模型，其将全肺分为 5 个部分， 提高了三维全肺模型的真实性和非对称性，使颗粒物沉积情况更贴近实际。然而，由于各级支气 管形状各异、空间分布复杂和数量庞大，难以进行网格划分。RANS 对于复杂几何体边界层模拟 运算效果一般。大涡模拟法 [14] (large eddy simulation，LES)虽可精确描述边界层的流体运动， 但计算量较大。随着计算机技术的发展，现在的高性能计算机完全具备对非对称性下呼吸道流场 的模拟计算能力，这为本文研究超细颗粒物在非对称性下呼吸道的沉积提供了良好的客观条件。 大气颗粒物直径范围在 0.001~100 μm [15] ，包括超细颗粒物和细颗粒物。目前已有大量关于 细颗粒物在人体呼吸系统沉积效应的研究 [16~19] ，而超细颗粒物在人体呼吸系统中沉积效应的相 关研究则相对较少。这些研究大部分仅涉及 4~5 级的二维或三维呼吸道模型，部分研究 [20,21] 只针 对第 2 和第 3 级对称性下呼吸道模型进行模拟计算， 且研究多局限于支气管分叉角和直径的变化， 没有考虑支气管分叉径向的旋转变化，10 级以上的三维呼吸道模型的模拟研究尚缺乏。呼吸道 随着级数的增加，支气管数量会以指数的形式剧烈增加，导致模拟计算难度大大增加，所以大部 分关于高级数支气管模型研究都对模型进行了简化，如通过剪枝的方法，仅模拟一条或者几条从 第 1 级到 10 级以上的支气管。Islam 等学者 [22,23] 分别进行了细颗粒物与超细颗粒物在第 1~17 级 的非对称下呼吸道的沉积效应研究，但其对三维呼吸道模拟进行了一定的修剪，仅有部分气管是 从第 1 到 17 级的，不能完全代表第 1~17 级整个呼吸道的流场以及颗粒物的沉积情况。此外， 超细颗粒物与细颗粒物相比， 在人体呼吸系统中的运动轨迹和沉积方式具有统计学意义上的差异 [24] ，它们的沉积效应并不完全相同，超细颗粒物对流动空间的几何变化较敏感 [25] ，且以往大部 分研究 [22,23,26] 假设模拟过程中颗粒物与管壁发生接触即代表发生沉积，忽视了颗粒物与管壁的真 实物理化学性质对颗粒物沉积效应的影响。 本研究基于 Yeh 模型 [13] 在没有使用剪枝等模型简化方法前提下，使用多级非对称下呼吸道 生理结构数据(包括不同肺叶不同级别的支气管直径、长度以及支气管分叉角)对每一个支气管 进行建模，同时考虑径向旋转，建立第 1~10 级的三维非对称支气管模型，利用 EI-Basth 模型 [27] A c c e p t e d [28] ： 进气口进入模型。进气速度近似于符合正弦曲线 [31] 。本研究中进气模型采用下式 [32] 来进行修正 [28] 。研究表明 [35] ，该种误差与网格质量、L s 、SLF 以及流场分布都有关系。结合网格 具体情况，通过修改 L s 以及 SLF 可减少该种误差，对比实验数据，可认为修改后较好地表达了 超细颗粒物在管道内的沉积情况。研究表明 [26] 射防护委员会(international commission of radiological protection，ICRP) [36] 所提供的超细颗粒物 在支气管区域的沉积率曲线(图 2(2))、 Hinds 等学者 [37] 提供的多径颗粒沉积模型(multiple-path particle dosimetry model，MPPD)模拟的第 1~9 级与第 1~15 级的颗粒物沉积率曲线(图 2(3) 与(4) ) 、Su 等学者 [38] 的第 1~9 级与第 1~15 级的颗粒物沉积率曲线(图 2(5)与( 6) )以及…”