第一作者:吕立鹏 博士生
https://doi.org/10.1016/j.envint.2024.108978
• 捕捉不同形状病原体和气溶胶颗粒物在真实人体呼吸道内的沉积模式。
• 发展计算任意形状气溶胶颗粒物传输和沉积的模拟方法。• 发现病原体形状差异将会导致超过180%的支气管沉积差异。• 病原体和气溶胶颗粒物的形状将会引起其在呼吸道内沉积所导致的致病性的不同。环境中悬浮的可致病病原体和气溶胶颗粒物吸入人体会导致一系列的健康风险,尤其当这些气溶胶颗粒物到达支气管和肺泡等肺部深处时会带来更加直接、更加严重的健康后果。因此,评估吸入病原体和颗粒物在人体呼吸道内的沉积有助于量化人体呼吸暴露带来的健康风险。目前,采用空气动力学直径的概念,研究者将颗粒物视为球形,发现球形颗粒物在人体呼吸道内的沉积与粒径有关,且呈现马鞍形的沉积曲线,颗粒物粒径在大约0.3 μm时沉积率最低。不过,相比于球形颗粒物,非球形颗粒物在大气环境中占比更多,特别是一些可气溶胶传播的病毒和细菌呈现杆状、丝状等形状,一些有害颗粒物如石棉等也呈现纤维状。但是,由于非球形颗粒物动力学特性的复杂性,之前的研究没有探究形状对于这些病原体和颗粒物在人体呼吸道的传播和沉积。为此,本研究发展了考虑非球形颗粒物扩散系数和曳力系数的计算模型,基于Fluent离散相模型框架,纳入颗粒物形状的修正,并基于真实人体呼吸道扫描模型,定量评估了包括流感病毒等七种可经空气传播的病原体在人体呼吸道内的沉积情况。图一展示了不同呼吸速率下的呼吸道流速情况。图1 不同呼吸速率下的呼吸道流场
沉积模拟结果如图2所示,可以发现,通过研究球形颗粒物沉积建立的基本规律仍然有效,例如,大多数颗粒物在上呼吸道沉积,喉部以下区域的沉积曲线呈现相似的正弦曲线趋势。然而,颗粒物形状对于颗粒物在呼吸道不同区域的沉积起到非常显著的作用。有趣的是,这种作用导致球形颗粒物下的固定的沉积曲线变成了与颗粒物形状有关的沉积曲线带。与相同空气动力学直径的球形颗粒相比较,由于形状导致的非球形的病原体和颗粒物的沉积差异可以达到超过180%。同时,这种形状引起的沉积差异有很强的区域依赖性。例如,当呼吸速率增大,形状引起的颗粒物沉积差异在第一到第二级支气管呈现增大的趋势,但在第三到第六级支气管呈现下降的趋势。这预示着在复杂的人体呼吸道内,只有考虑颗粒物的真实形状,才能获得准确的颗粒物沉积情况。此外,相比于球形颗粒物,非球形颗粒物的沉积率偏小,这也意味着非球形颗粒物更有可能到达呼吸道深处甚至肺泡区域,产生更加直接的健康后果。 图2 轻微活动呼吸率下病原体和气溶胶颗粒物在呼吸道不同区域的沉积
为了突出由于病原体形状导致的沉积差异引起的潜在致病性的不同,我们选择了7种常见且形状各异的可气溶胶传播病原体,以此说明病原体形状对于其在呼吸道沉积的影响,结果如图3所示。我们发现,7种病原体间的沉积在不同部位差异很大,在鼻腔、喉部、气管、1-2级支气管、3-6级支气管的差异分别达到37%、180%、85%、132.63%、187.13%。 图3 轻微活动呼吸率下七种病原体在呼吸道不同部位的沉积
本研究揭示了病原体和气溶胶形状对其在人体呼吸道中沉积的重要作用,显示非球形的病原体和颗粒物有更大的可能到达气道深处。已有研究表明,病原体和颗粒物沉积在支气管末端和肺泡区域会导致更加直接的炎症反应,从而可能对于慢阻肺等疾病的发展起到催化作用。因此,本研究发展的考虑颗粒物形状的计算模型对于精准评估呼吸暴露具有十分重要的意义,有望助力相关疾病的临床治疗。此外,本研究的结果显示,空气动力学直径在描述颗粒物呼吸暴露方面具有局限性,原因是其基于重力沉降过程,不适用于呼吸道沉积这种复杂流道、复杂机制的沉积过程。吕立鹏,清华大学建筑学院建筑技术科学系博士生。研究方向为建筑室内空气品质、建筑通风、室内颗粒物动力学。以第一作者在Environment International,Aerosol Science and Technology,Building and Environment,Building Simulation等期刊发表论文6篇。
通讯邮箱:lvlp21@mails.tsinghua.edu.cn赵彬,清华大学建筑学院长聘教授,Fellow of ISIAQ Academy。研究方向为室内空气污染动力学、人员暴露、健康效应评估以及建筑通风和空气洁净技术。以第一作者或通讯作者在Lancet Planetary Health,Lancet Regional Health-Western Pacific,One Earth,Environmental Science & Technology,Journal of Hazardous Materials,Environment International等期刊发表论文110余篇,在Google Scholar被引用1万余次,H-index为54。入选教育部新世纪优秀人才支持计划,连续多年入选Elsevier中国高被引学者、斯坦福大学全球顶尖科学家生涯和年度榜单。获首届“Scopus寻找未来科学之星”活动之“青年科学之星”奖、4个国际期刊最佳论文奖、清华大学学术新人奖、良师益友奖、教育部自然科学二等奖(排名第1)等奖励。
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