气溶胶药物经气管造口术给药的数值模拟研究：粒径分布与呼吸流条件对递送效率的影响

　　本文采用计算流体动力学（CFD）方法系统研究了经气管造口管路（模拟为90°弯管）的气溶胶药物递送机制，重点分析了粒径多分散性（polydispersity）和呼吸流速对药物传输效率（η）与可吸入颗粒比例的影响，为优化儿科患者呼吸道感染的靶向给药策略提供了关键理论依据。

　　

Highlight

方法

本研究考察的气管造口管几何结构为内径5 mm的光滑管道，带有一个90°弯曲段（曲率半径比 R_c/a = 8）。在恒定吸气条件下，入口采用抛物线型速度边界条件，以此模拟真实呼吸过程中的流场特征。

单分散液滴

通过分析图表4a–c及表1可看出粒径与入口流速的影响。所选粒径范围基于常用于儿童给药的雾化装置（PARI BOY压缩机配合PARI LC SPRINT雾化器及红色接口）所产生的气溶胶的质量中值直径（MMD）与几何标准差（GSD）。正如预期，较小粒径（如2.2 μm）的颗粒表现出更高的传输效率（即更低的沉积率），而较大颗粒（如5 μm）则因惯性增强更易撞击并沉积在管道外壁。提高入口流速（即提高雷诺数 Re 和斯托克斯数 Stk）也会加剧颗粒沉积，尤其在弯管段外侧区域。

讨论

本研究旨在识别在典型临床条件下（如经气管造口途径雾化给予妥布霉素），气溶胶液滴在理想化气管造口管中的传输行为。通过采用双向耦合模型及颗粒间碰撞模型，本研究成功在高颗粒负载条件下模拟了液滴动力学。结果显示，与带有延长进出口段的传统弯管研究相比，本模型中的涡旋更早形成，导致更多液滴在靠近入口的外壁处沉积，因此总体传输效率 η 低于以往报道的90°弯管研究。此外，颗粒多分散性越高，η 值越低。出口气流中可吸入液滴的比例受入口粒径分布的强烈影响：当MMD为3.5 μm时，可吸入颗粒的净传输效率 η_resp 稳定在50.3%，且受流速影响较小；而当MMD为2.2 μm时，η_resp 升高至64.9–87.7%，但对流速及多分散性变化更为敏感。

结论

本研究通过数值模拟手段系统探讨了可吸入药物经气管造口管的传输特性。模型采用带90°弯头的短管结构，并基于正常呼吸周期中的典型吸入流速设定流场。由于未设置延长进出口段，弯管处涡旋提前形成，从而提高了液滴沉积率，并显著降低了总体传输效率 η——该效率随入口流速提高而进一步下降。入口颗粒的多分散性越高，η 值越低。研究还发现，出口气流中可吸入液滴的比例强烈依赖于入口颗粒的MMD。这些发现为优化气管造口管的设计与临床气溶胶给药策略提供了重要理论依据。

CRediT authorship contribution statement

Benjamin J. Mullins: 写作-审阅与编辑，方法论，概念化；

Britta S. von Ungern-Sternberg: 写作-审阅与编辑，概念化；

Ryan Mead-Hunter: 写作-审阅与编辑，方法论，调研，形式分析；

Natalie V. E. Anderson: 写作-审阅与编辑，原稿写作，方法论，形式分析；

Monica Gumulya: 原稿写作，可视化，验证，方法论，调研，形式分析，数据管理，概念化。

Data Availability

支持本研究结果的数据可向通讯作者M.G.索取。

Author Declarations

作者声明无利益冲突。

Declaration of Competing Interest

作者声明不存在任何竞争利益。

Acknowledgements

本研究获得了由澳大利亚政府与西澳大利亚政府共同资助的Pawsey超级计算中心的资源支持。BSvUS部分获得Stan Perron慈善基金会资助，并获NHMRC Investigator Grant（2009322）资助。我们也衷心感谢Julien Cissoni博士对本文稿提出的宝贵意见。