[论文解读] Effect of Nanoparticles on the Bulk Shear Viscosity of a Lung Surfactant Fluid

L.P.A. Thai, Fanny Mousseau+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2019

Aerosol Filtration and Electrostatic Precipitation参考文献 68被引用 31

一句话总结

本研究利用磁性线微流变学技术，探究了工程化纳米颗粒对仿生肺表面活性物质整体剪切黏度的影响。研究发现，带正电荷的二氧化硅（42 nm）使表面活性物质液化，而氧化铝（40 nm）则引发液态到软固体的转变，对呼吸过程中表面活性物质的重排具有深远影响。

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.

研究动机与目标

• 探究工程化纳米颗粒对肺表面活性物质整体黏弹性能的影响。
• 确定纳米颗粒-表面活性物质相互作用如何改变肺泡低液相中的流体流动与结构动力学。
• 通过将纳米颗粒浓度与真实世界暴露水平相关联，评估这些变化的生理相关性。
• 应用磁性线微流变学技术，测量小体积、非均质表面活性物质分散体系中的黏度与弹性。

提出的方法

• 采用磁性旋转光谱法（MRS），利用旋转磁场驱动的微米级磁性线探测局部流变性能。
• 制备脂质浓度为44 g L⁻¹的仿生Curosurf®，并调节纳米颗粒浓度在10⁻³至0.50 g L⁻¹之间。
• 通过延时光学显微镜追踪线的旋转，提取剪切黏度与弹性模量。
• 使用已知黏度（4.95–80.0 mPa·s）的水-甘油混合液校准磁性线，确定磁化率各向异性系数（Δχ = 0.054 ± 0.006）。
• 通过冷冻透射电镜（cryo-TEM）与动态光散射技术，确认囊泡形态并排除聚集现象。
• 将纳米颗粒浓度与肺泡暴露水平相关联，估算每个肺泡区域的纳米颗粒量为24 µg至240 µg。

实验结果

研究问题

• RQ1 带正电荷的二氧化硅与氧化铝纳米颗粒如何改变仿生肺表面活性物质的整体剪切黏度？
• RQ2 观察到的表面活性物质液化（二氧化硅）与凝胶化（氧化铝）转变背后的机制是什么？
• RQ3 在低浓度下，纳米颗粒-表面活性物质相互作用如何影响表面活性物质在呼吸周期中重排的能力？
• RQ4 纳米颗粒诱导的黏度变化在多大程度上与真实世界中的肺泡暴露水平相关？
• RQ5 磁性线微流变学能否准确量化复杂、低体积表面活性物质分散体系中的黏度与弹性？

主要发现

• 带正电荷的二氧化硅纳米颗粒（42 nm）诱导肺表面活性物质液化，即使在低浓度（10⁻³ g L⁻¹）下也显著降低其整体剪切黏度。
• 氧化铝纳米颗粒（40 nm）引发液态到软固体的转变，显著提高表面活性物质的弹性与黏度，并观察到临界浓度阈值。
• 二氧化硅引起的液化与氧化铝引发的凝胶化可通过胶体物理模型定量描述，表明其与脂质囊泡界面间存在强烈相互作用。
• 在10⁻² g L⁻¹浓度下，纳米颗粒暴露量相当于整个肺泡区域约240 µg的纳米颗粒，即每个肺泡约10,000个颗粒。
• Krieger-Dougherty方程能准确描述黏度随囊泡体积分数（𝜙）的变化关系，其最大堆积分数𝜙* = 0.65。
• 本研究提示，此类黏度与结构变化可能损害表面活性物质在呼吸过程中动态重排与循环再分布，从而潜在干扰肺功能。