[논문 리뷰] Effect of Nanoparticles on the Bulk Shear Viscosity of a Lung Surfactant Fluid

L.P.A. Thai, Fanny Mousseau외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 12.

Aerosol Filtration and Electrostatic Precipitation참고 문헌 68인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 자석선 마이크로 rheology를 사용하여 공 inge된 나노입자가 생체모방 폐 표면활성제의 거시적 점성에 미치는 영향을 조사한다. 양이온성 실리카(42 nm)는 표면활성제를 유체화시키는 반면, 알루미나(40 nm)는 액체에서 부드러운 고체 상태로의 전이를 유도하며, 이는 호흡 중 표면활성제 재조직화에 심각한 영향을 미친다.

ABSTRACT

Inhaled nanoparticles (< 100 nm) reaching the deep lung region first interact with the pulmonary surfactant, a thin lipid film lining the alveolar epithelium. To date, most biophysical studies have focused on particle induced modifications of the film interfacial properties. In comparison, there is less work on the surfactant bulk properties, and on their changes upon particle exposure. Here we study the viscoelastic properties of a biomimetic pulmonary surfactant in the presence of various engineered nanoparticles. The microrheology technique used is based on the remote actuation of micron-sized wires via the application of a rotating magnetic field and on time-lapse optical micros-copy. It is found that particles strongly interacting with lipid vesicles, such as cationic silica (SiO2, 42 nm) and alumina (Al2O3, 40 nm) induce profound modifications of the surfactant flow proper-ties, even at low concentrations. In particular, we find that silica causes fluidification, while alumi-na induces a liquid-to-soft solid transition. Both phenomena are described quantitatively and ac-counted for in the context of colloidal physics models. It is finally suggested that the structure and viscosity changes could impair the fluid reorganization and recirculation occurring during breath-ing.

연구 동기 및 목표

• 공학적 나노입자가 폐 표면활성제의 거시적 점탄성 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 나노입자-표면활성제 상호작용이 폐포 하부액에서 유동성과 구조적 역학에 어떻게 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 실제 노출 수준과의 연관성을 통해 이러한 변화의 생리학적 의미를 평가하기 위해.
• 소량의 비균질 표면활성제 분산에서 점성과 탄성을 측정하기 위해 자석선 마이크로 rheology를 적용하기 위해.

제안 방법

• 회전하는 자석장에 의해 구동되는 마이크론 크기의 자석선을 사용하여 局부 rheology를 측정하기 위해 자석 회전 스펙트로스코피(MRS)를 사용하였다.
• 44 g L⁻¹ 지질 농도로 생체모방 Curosurf®를 제조하고, 나노입자 농도를 10⁻³에서 0.50 g L⁻¹로 다양화하였다.
• 선의 회전을 추적하고 점성 및 탄성율을 추출하기 위해 시간 간격을 두고 촬영한 광학 현미경을 사용하였다.
• 알려진 점성(4.95–80.0 mPa·s)을 가진 물-글리세롤 혼합물로 자석선을 校정하여 비극성 이방성 계수(Δχ = 0.054 ± 0.006)를 결정하였다.
• 냉동 전자현미경(cryo-TEM)과 동적 빛산산산측정을 통해 지질 이중층의 형태와 응집 부재를 확인하였다.
• 나노입자 농도를 폐포 노출 수준과 연관지어, 전체 폐포 영역에 약 24 µg에서 240 µg의 나노입자가 존재하는 것으로 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양이온성 실리카 및 알루미나 나노입자는 생체모방 폐 표면활성제의 거시적 전단 점성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 관찰된 유체화(실리카) 및 점성화(알루미나) 전이의 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 저농도에서의 나노입자-표면활성제 상호작용은 호흡 주기 중 표면활성제 재조직화 능력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 나노입자 유도 점성 변화는 실제 폐포 노출 수준과 얼마나 관련이 있는가?
• RQ5 자석선 마이크로 rheology는 복잡하고 소량의 표면활성제 분산에서 점성과 탄성을 정확하게 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 양이온성 실리카 나노입자(42 nm)는 폐 표면활성제의 유체화를 유도하며, 낮은 농도(10⁻³ g L⁻¹)에서도 거시적 전단 점성을 감소시킨다.
• 알루미나 나노입자(40 nm)는 액체에서 연성 고체 상태로의 전이를 유도하며, 표면활성제의 탄성과 점성을 크게 증가시키며, 임계 농도 임계점이 관찰된다.
• 실리카에 의한 유체화와 알루미나에 의한 점성화는 콜로이드 물리학 모델로 정량적으로 기술되며, 지질 이중층과의 강한 인터페이셜 상호작용을 시사한다.
• 농도 10⁻² g L⁻¹에서 나노입자 노출은 전체 폐포 영역에 약 240 µg의 나노입자를 포함하며, 이는 폐포당 약 10,000개의 입자에 해당한다.
• Krieger-Dougherty 방정식은 이중층의 체적 분율(𝜙)에 따른 점성 의존성을 정확히 기술하며, 최대 배열 분율 𝜙* = 0.65로 추정된다.
• 이 연구는 이러한 점성 및 구조적 변화가 호흡 중 표면활성제의 동적 재조직화 및 재순환을 손상시켜 폐 기능에 이상을 유발할 수 있음을 시사한다.