CN111489624B

CN111489624B - 肺泡呼吸模拟装置

Info

Publication number: CN111489624B
Application number: CN202010364028.9A
Authority: CN
Inventors: 朱永刚; 邓园博; 董军; 吕慧敏; 杨月; 裘岩
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2040-04-30
Also published as: CN111489624A

Abstract

本发明公开了一种单肺泡三维放大模型和肺泡呼吸模拟装置，该单肺泡三维放大模型包括透明密闭容器、模拟肺泡管道和模拟肺泡；透明密闭容器上具有腔室和连通腔室内外的气体出入口；模拟肺泡管道的一端具有进液口，另一端具有出液口；模拟肺泡设于透明密闭容器的腔室内；模拟肺泡具有内腔和透明弹性侧壁，内腔与模拟肺泡管道连通。本发明单肺泡三维放大模型结构简单，可用于研究肺泡内复杂的三维流场，准确地模拟出不同级肺泡内各个截面的流场。

Description

肺泡呼吸模拟装置

技术领域

本发明涉及生物医药设备，尤其是涉及一种单肺泡三维放大模型和肺泡呼吸模拟装置。

背景技术

人体肺部通过呼吸***与外界进行气体交换时，不可避免地会吸入空气中的污染物和颗粒物，进而危害人体健康。因此，研究肺部内流体传输及颗粒运输沉积规律对于明确肺部疾病等常见呼吸***疾病的诱因和恶化，及改善临床治疗和预防措施具有重要意义。

肺部物质传输主要包括流体的运动和颗粒的沉积，为了对肺泡内的流动模式和颗粒沉积进行研究，有研究人员设计出了多级肺泡树杈结构，利用光软刻技术得到肺泡树阳模，再用柔性材料浇筑出芯片，这是肺泡实验在真实尺寸上取得的较大进展。但由于肺泡尺寸微小，结构复杂，现有的微纳米制造技术无法建立完全符合肺泡实际大小和结构的物理模型，所制造的肺泡芯片中肺泡形状为圆柱形，与人体真实肺泡形状（球形）不符；且现有研究内容也仅局限于二维流动，无法获得真实模型的三维流动数据。另外，目前也有研究人员通过建立肺泡放大模型来互补真实模型的缺陷，但是，当前大多数放大模型的试验只是进行了几何相似，尚未对流体流动力学相似进行匹配，而且在呼吸过程中也无法准确的同步控制肺泡膨胀收缩过程与流量输入的一致性，所以无法揭示肺泡内的流动细节。目前所有放大模型的实验仅仅测量了单一平面的数据，尚未发现肺泡内三维定量的流动数据。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种单肺泡三维放大模型和肺泡呼吸模拟装置，该单肺泡三维放大模型可用于研究肺泡内复杂的三维流场，准确地模拟出不同级肺泡内各个截面的流场。

本发明所采取的技术方案是：

本发明的第一方面，提供一种单肺泡三维放大模型，包括：

透明密闭容器，所述透明密闭容器上具有腔室和连通所述腔室内外的气体出入口；

模拟肺泡管道，所述模拟肺泡管道的一端具有进液口，另一端具有出液口；

模拟肺泡，所述模拟肺泡设于所述透明密闭容器的腔室内；所述模拟肺泡具有内腔和透明弹性侧壁，所述内腔与所述模拟肺泡管道连通。

本发明实施例的单肺泡三维放大模型至少具有如下有益效果：该单肺泡三维放大模型结构简单，其基于真实肺泡尺寸进行放大，可用于研究由呼吸引起边壁膨胀收缩变形时肺泡内复杂的三维流场，能够准确地模拟出不同级肺泡内各个截面的流场；且可利用该三维放大模型研究微纳米颗粒物（PM2.5）和药物颗粒（包括营养物质）在肺泡管和肺泡内的运输与沉积特征；基于该三维放大模型，研究肺泡内的流动模式还可为发展人工肺和芯片肺器官提供有用的数据，为研发肺部的药物筛选平台做贡献。

根据本发明的一些实施例，所述透明弹性侧壁的材质为透明弹性聚合物；优选地，所述透明弹性侧壁的材质为聚二甲基硅氧烷。

根据本发明的一些实施例，所述模拟肺泡为球形模拟肺泡。

根据本发明的一些实施例，所述模拟肺泡管道为透明模拟肺泡管道；优选地，所述模拟肺泡管道的材质与所述模拟肺泡的材质相同。

根据本发明的一些实施例，所述模拟肺泡管道穿过所述透明密闭容器的腔室架设于所述透明密闭容器上，且所述模拟肺泡设于所述透明密闭容器的腔室内。

根据本发明的一些实施例，所述模拟肺泡管道为球形模拟肺泡管道。

根据本发明的一些实施例，所述球形模拟肺泡管道的直径为20~25mm，所述模拟肺泡的直径为20~25mm，所述模拟肺泡的透明弹性侧壁的厚度为70~100μm。

本发明的第二方面，提供一种肺泡呼吸模拟装置，包括本发明第一方面所提供的任一种单肺泡三维放大模型。

根据本发明的一些实施例，肺泡呼吸模拟装置还包括进料压力控制装置，所述用于向所述模拟肺泡管道输送和抽吸工作流体，以及控制所述透明密闭容器的腔室内的气压。通过进料压力控制装置的设置，可通过进料压力控制装置周期性地同步协同调控模拟肺泡管道内的流体往返运动和模拟肺泡膨胀收缩运动，模拟肺泡呼吸过程，能够达到与真实人体肺泡管内的流动具有动力学相似，获得不同呼吸条件下肺泡内流体的混沌流态。

根据本发明的一些实施例，所述进料压力控制装置为双通道可编程注射泵；所述双通道可编程注射泵包括第一通道和第二通道；所述第一通道与所述单肺泡三维放大模型上模拟肺泡管道的进液口连通，用于向所述模拟肺泡管道输送和抽吸工作流体；所述第二通道与所述透明密闭容器上的气体出入口连通，用于控制所述透明密闭容器的腔室内的气压；

或者，所述进料压力控制装置包括进料装置和压力控制装置，所述进料装置与所述单肺泡三维放大模型上模拟肺泡管道的进液口连通，用于向所述模拟肺泡管道输送和抽吸工作流体；所述压力控制装置与所述透明密闭容器上的气体出入口连通，用于控制所述透明密闭容器的腔室内的气压。

根据本发明的一些实施例，还包括控制***，所述控制***用于控制所述进料压力控制装置的工作运行。

附图说明

图1是本发明单肺泡三维放大模型一实施例的主视图；

图2是图1所示单肺泡三维放大模型的右视图；

图3是图1所示单肺泡三维放大模型的俯视图；

图4是图1所示单肺泡三维放大结构的结构示意图；

图5是本发明肺泡呼吸模拟装置一实施例的结构示意图；

图6是图5所示肺泡呼吸模拟装置模拟肺泡呼吸运动的原理图；

图7是图5所示肺泡呼吸模拟装置模拟第6级肺泡呼吸在一个呼吸周期不同时间点的流场变化图；

图8是图5所示肺泡呼吸模拟装置模拟第8级肺泡呼吸在一个呼吸周期不同时间点的流场变化图；

图9是模拟第6级肺泡一个呼吸周期内不同时刻模拟肺泡内不同横截面工作流体的流速分布图；

图10是模拟第6级肺泡在t=0.125T时刻不同截面的流线图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图4，图1是本发明单肺泡三维放大模型一实施例的主视图，图2是图1所示单肺泡三维放大模型所对应的右视图，图3是图1所示单肺泡三维放大模型所对应的俯视图，图4是是图1所示单肺泡三维放大结构的结构示意图。如图1至图4所示，该单肺泡三维放大模型包括透明密闭容器110、模拟肺泡管道120和模拟肺泡130。透明密闭容器110上具有腔室111和连通腔室111内外的气体出入口112；模拟肺泡管道120的一端具有进液口121，另一端具有出液口122；模拟肺泡130具有内腔131和透明弹性侧壁132，内腔131与模拟肺泡管道120连通；模拟肺泡130设于透明密闭容器110的腔室111内，以使模拟肺泡130的内腔131与透明密闭容器110的腔室111通过透明弹性侧壁132隔开。

模拟肺泡130具体为球形。由于真实肺泡的尺寸微小（直径为200μm左右）及其内部流动的复杂性和现有流动测量技术的局限性，肺泡内瞬态三维微流图形和粒子运动轨迹的细节很难定量分析，因此，一般将模拟肺泡130放大至实际肺泡尺寸的100倍左右，具体可将模拟肺泡130的直径设计为20~25mm，以便于通过收集流场数据以量化肺泡内工作流体的流动模式和颗粒的运动沉积轨迹。

透明弹性侧壁132的材质可采用透明弹性聚合物。由于聚二甲基硅氧烷的透明度和弹性好，且折射率与常规工作流体的折射率匹配，可避免模拟肺泡130的材料折射率对粒子追踪产生影响，因此，本实施例中，模拟肺泡130的透明弹性侧壁132材质采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）。当然，在其他实施例中，模拟肺泡130的透明弹性侧壁132的材质也可采用其他透明弹性聚合物。

模拟肺泡130一般采用旋转离心法加工制成。具体可按以下方法进行加工制备：首先加工出与肺泡几何相似的模具，该模具是一个开口的球形壳。其次将PDMS和固化剂组份按15:1的比例进行混合，通过搅拌使混合液混合均匀，并抽真空去除混合液中的气泡。用三氯硅烷对模具的内壁面进行处理，抽取适量的混合液注入经过表面处理后的模具中，迅速将模型固定在离心机上，先以380 r/min的速度低速旋转3分钟使其成型，之后在60℃的条件下以1300 r/min的速度进行高速离心并进行预固化处理0.5小时，待混合液初步固化之后，将模具从离心机上取下，放入真空干燥箱中100℃熟化2小时；从模具内壁剥离下成型的模拟肺泡，加工制备出球壳状的模拟肺泡130；再将加工好的模拟肺泡130与模拟肺泡管道120结合。以聚二甲基硅氧烷为原料，采用旋转离心法制备模拟肺泡，所制得的模拟肺泡130侧壁薄（可薄至70~100μm），且透明度高，弹性强，不仅可满足实现肺泡周期性膨胀和收缩的要求，还可满足模型内流场可视化的要求，以进行三维流场和三维粒子追踪。

透明密闭容器110具体可采用透明玻璃密闭容器或其他材质的透明密闭容器。在本实施例中，透明密闭容器110为方形，当然，在其他实施例中，也可将透明密闭容器110设计为其他形状。为了便于肺泡内流体的观察研究，一般将模拟肺泡管道120设计为透明模拟肺泡管道。而为了便于加工，模拟肺泡管道120可采用与模拟肺泡130相同的材质。模拟肺泡管道120的形状可为圆形管道或方形管道；在本实施例中，模拟肺泡管道120为圆形管道。为了便于整体结构的加工和研究操作，圆形模拟肺泡管道的直径一般为20~25mm。

另外，在本实施例中，模拟肺泡管道120穿过透明密闭容器110的腔室111架设于透明密闭容器110上，且模拟肺泡130设于透明密闭容器110的腔室111内。通过以上结构，透明密闭容器110可作为模拟肺泡管道120的支撑，简化整体结构。

在一些实施例中，单肺泡三维放大模型还可包括储液容器，储液容器与模拟肺泡管道120的出液口122连通，用于收集模拟肺泡管道120流出的工作流体。在一些实施例中，单肺泡三维放大模型本身也可不包含储液容器，而在使用时再结合储液容器使用。

以上单肺泡三维放大模型结构简单，其通过几何相似模拟肺泡的三维形状，具体基于真实肺泡的尺寸进行放大，可用于研究由呼吸引起边壁膨胀收缩变形时肺泡内复杂的三维流场，易于进行流动形态细节的测量和颗粒运动轨迹的精确跟踪；其化繁为简，采用单肺泡三维放大模型，可通过改变运动参数与实际各级肺泡内的雷诺数Re（动力学）进行匹配，来分别满足各级肺泡内的运动条件，以单独完成各级肺泡内复杂流场中混沌现象的研究和粒子轨迹的研究，从而可排除各级流场之间相互干扰和相互制约，能够准确地模拟出不同级肺泡内各个界面的流场；且可利用该三维放大模型研究微纳米颗粒物（PM2.5）和药物颗粒（包括营养物质）在肺泡管和肺泡内的运输与沉积特征；基于该三维放大模型，研究肺泡内的流动模式还可为发展人工肺和芯片肺器官提供有用的数据，为研发肺部的药物筛选平台做贡献。

请参阅图5，图5是本发明肺泡呼吸模拟装置一实施例的结构示意图。如图5所示，该肺泡呼吸模拟装置包括进料压力控制装置和单肺泡三维放大模型。

其中，单肺泡三维放大模型的结构与图1至图4所示单肺泡三维放大模型的结构相似，不再赘述。

进料压力控制装置用于向单肺泡三维放大模型中的模拟肺泡管道120输送和抽吸工作流体，以及控制单肺泡三维放大模型上透明密闭容器110的腔室111内的气压。在本实施例中，进料压力控制装置具体为双通道可编程注射泵210，该双通道可编程注射泵210包括第一通道211和第二通道212；第一通道211与单肺泡三维放大模型上模拟肺泡管道120的进液口121连通，用于向模拟肺泡管道120输送和抽吸工作流体；第二通道212与透明密闭容器110上的气体出入口112连通，用于控制透明密闭容器110的腔室111内的气压。

在本实施例中，肺泡呼吸模拟装置还包括储液容器220，储液容器220与模拟肺泡管道120的出液口122连通，用于收集模拟肺泡管道120流出的工作流体。在一些实施例中，肺泡呼吸模拟装置也可不包括储液容器220，而在使用时再结合外部储液容器使用。

可采用以上肺泡呼吸模拟装置模拟肺泡呼吸过程。具体地，请参照图5和图6；图6示出了图5所示肺泡呼吸模拟装置模拟肺泡呼吸运动的原理图。图6中（a）表示肺泡呼吸运动原理图；图6中（b）表示呼吸过程（周期为T）模拟肺泡管道120中工作流体的流量控制；图6中（c）表示呼吸过程（周期为T）透明密闭容器110的腔室111内的压力控制。在吸气阶段（t=0~T/2）, 利用双通道可编程注射泵210的第一通道211将工作流体（模拟吸入肺内的空气）通过模拟肺泡管道120的进液口121进入模拟肺泡管道120，流量为Qd（是时间t的正弦函数），同时，通过双通道可编程注射泵210的第二通道212通过透明密闭容器110上的气体出入口112从腔室111内抽取气体，模拟肺泡130的透明弹性侧壁132受力（P）膨胀，工作流体经过模拟肺泡管道120的出液口122流入储液容器220；在呼气阶段（t=T/2~T），利用双通道可编程注射泵210的第一通道211将工作流体从储液容器220经模拟肺泡管道120的出液口122抽吸进入模拟肺泡管道120，同时，通过利用双通道可编程注射泵210的第二通道212往透明密闭容器110的腔室111内注入气体，模拟肺泡130的透明弹性侧壁132受力收缩。工作流体在模拟肺泡管道120内的流动和透明密闭容器110的腔室111内压强的变化利用双通道可编程注射泵210同步控制，流量按照时间的正弦函数运行。另外，为了便于观察肺泡呼吸运动，可在工作流体中添加荧光粒子，采用包括高速摄像机、图像处理计算机和激光发生器的PIV***来对流场进行观察，具体通过激光发生器激发出激光，照射工作流体中的荧光粒子，荧光粒子受激发发出荧光；而后采用高速相机拍照记录工作流体的呼吸运动，再通过图像处理计算机对高速相机所拍摄的工作流体的运动图像进行处理。

以上过程中，利用双通道可编程注射泵210精密控制单肺泡三维放大模型中模拟肺泡管道120内的非稳态流动，通过匹配模型中与真实人体肺泡管中的无量纲数（如Reynolds number和Womersely number），来实现模型中工作流体与真实肺泡管中流体的运动相似、动力相似；通过改变流动参数（如模拟肺泡管道内流量、模拟肺泡膨胀大小和呼吸周期），可以***地模拟呼吸过程中肺泡内的不同流态和混沌流动迹象。

在其他实施例中，进料压力控制装置也可设置为包括进料装置和压力控制装置，进料装置与单肺泡三维放大模型上模拟肺泡管道120的进液口121连通，用于向模拟肺泡管道120输送和抽吸工作流体；压力控制装置与透明密闭容器110上的气体出入口112连通，用于控制透明密闭容器110的腔室111内的压力。

另外，为了进一步便于肺泡呼吸模拟装置对工作流体在模拟肺泡管道120中的流动控制和透明密闭容器110的腔室中的气压控制，肺泡呼吸模拟装置还包括控制***，控制***用于控制进料压力控制装置的工作运动。

可采用图5所示的肺泡呼吸模拟装置模拟肺泡呼吸过程以进行肺泡内流场研究。具体可以36wt%水和64wt%甘油混合而成的混合液作为工作流体，并在工作流体中添加10μm的红色荧光微球作为示踪粒子，具体按照示踪粒子与工作液体的质量比为1：300的比例添加；而后通过PIV***观察模拟肺泡呼吸过程肺泡内的流场。

首先，采用图5所示肺泡呼吸模拟装置模拟第6级和第8级肺泡呼吸过程，以对肺泡内流场进行研究，所得结果如图7和图8所示。图7和图8分别示出了一个呼吸周期内不同时间点模拟第6级和第8级肺泡内流场变化，这两种结果分别代表了肺泡中两种典型的流场。如图7所示，模拟第6级肺泡内的流场存在旋涡，但随着时间变化，漩涡在某些时刻会消失。模拟肺泡内的流态对模拟肺泡的半开口角（指肺泡的开口大小，即肺泡开口与球心夹角的一半）和模拟肺泡与模拟肺泡管道的流量比都很敏感，模拟肺泡与模拟肺泡管道的流量之比在理论上是恒定的。但是半开口角会随时间而改变。随着模拟肺泡的扩张，模拟肺泡的大小变大，中心逐渐远离模拟肺泡管道的管轴。此外，模拟肺泡的开口是恒定的，因此，在该肺泡呼吸模拟装置的单肺泡三维放大模型中，几何膨胀或收缩不是自相似的。此外，图7还显示，随着模拟肺泡的扩张和收缩，漩涡的位置从肺泡壁向肺泡开口中心变化。如图8所示，第8级肺泡内的流场不存在漩涡，在一个周期中的不同时刻均是径向流，这与第6级肺泡流场完全不同。

为了更详细地了解肺泡内的速度分布，具体对以上模拟第6级肺泡一个呼吸周期内不同时刻模拟肺泡内不同横截面工作流体的流速分布，所得结果如图9所示，图9中（a1）、（b1）和（c1）分别表示t=0.125T、吸入峰（t=0.25T）和t=0.375T时模拟第6级肺泡内的流线图，（a2）、（b2）和（c2）分别为对应（a1）、（b1）和（c1）中不同横截面的速度分布图。（a1）图中剖面线2穿过（a1）图中鞍点附近的区域，（b1）和（c1）中剖面线1穿过（b1）和（c1）中的漩涡中心。由图9可知，当剖面线远离模拟肺泡开口时，工作流体的流速变小。因此，从入口到模拟肺泡底部，模拟肺泡内工作流体的流速逐渐降低。入口到中部位置的流速有显著差异，而从中部到底部的流速略有下降。在穿过漩涡中心的线上有一个速度拐点。由上表明，漩涡中心的位置随着肺泡的呼吸而改变，涡位和涡度的变化对颗粒运动轨迹有一定的影响。

另外，在模拟肺泡呼吸过程观察到肺泡流场中的鞍点，具体如图10所示，图10是以上模拟第6级肺泡在t=0.125T时刻不同截面上的流线图，所有的截面相互平行，其中，（a）表示完整流线图，（b）表示（a）中鞍点附近的局部放大图。如图10所示，模拟肺泡不同平面上的流场均有鞍点的存在，鞍点的存在是复杂混沌流动产生的前提，近端角附近的流动模式与鞍点高度复杂，这是混沌流动的明显迹象。进而，以上实验研究可为初步证明三维肺泡流场中存在混沌流提供实验数据。

由上，本发明提出了一种单肺泡三维放大模型和肺泡呼吸模拟装置，该单肺泡三维放大模型能够准确地模拟出不同级肺泡内各个界面的流场，探究肺泡内复杂流动。其中，通过该肺泡末端三维放大模型的建立，可将其用于研究由呼吸膨胀收缩引起边壁变形时的肺泡流动***；并且通过几何、流体力学相似和光学系数匹配利用流动测量技术获得三维放大肺泡模型内的流场数据。

Claims

1.一种肺泡呼吸模拟装置，其特征在于，包括单肺泡三维放大模型和进料压力控制装置，所述单肺泡三维放大模型包括：

模拟肺泡，所述模拟肺泡设于所述透明密闭容器的腔室内；所述模拟肺泡具有内腔和透明弹性侧壁，所述内腔与所述模拟肺泡管道连通，所述内腔与所述腔室通过所述透明弹性侧壁隔开；

所述模拟肺泡管道穿过所述透明密闭容器的腔室架设于所述透明密闭容器上；

所述进料压力控制装置为双通道可编程注射泵；所述双通道可编程注射泵包括第一通道和第二通道；所述第一通道与所述单肺泡三维放大模型上模拟肺泡管道的进液口连通，用于向所述模拟肺泡管道输送和抽吸工作流体；所述第二通道与所述透明密闭容器上的气体出入口连通，用于控制所述透明密闭容器的腔室内的气压。

2.根据权利要求1所述的肺泡呼吸模拟装置，其特征在于，所述透明弹性侧壁的材质为透明弹性聚合物。

3.根据权利要求1所述的肺泡呼吸模拟装置，其特征在于，所述模拟肺泡为球形模拟肺泡。

4.根据权利要求1所述的肺泡呼吸模拟装置，其特征在于，所述模拟肺泡管道为透明模拟肺泡管道。

5.根据权利要求1所述的肺泡呼吸模拟装置，其特征在于，所述模拟肺泡管道为球形模拟肺泡管道。

6.根据权利要求5所述的肺泡呼吸模拟装置，其特征在于，所述球形模拟肺泡管道的直径为20~25mm，所述模拟肺泡的直径为20~25mm，所述模拟肺泡的透明弹性侧壁的厚度为70~100μm。