我院邓林红教授与国科温州研究院刘志伟助理研究员等在流体力学权威期刊《Physics of Fluids（流体物理）》上报道哮喘病理状态下气道黏液独特的线性和非线性流变行为

气道黏液在阻挡外来有害物质入侵并将其排出呼吸系统中发挥重要作用，从而形成对人体气道和肺的重要保护屏障，该保护功能依赖于正常生理条件下气道黏液合适的流变特性。气道黏液高分泌疾病（如哮喘）往往伴随气道黏液流变行为异常，导致黏液流动不畅而阻塞气道甚至危及生命（图1）。

图1. 病理状态下气道黏液功能障碍及恶性循环假说

尽管黏液清除在气道健康中具有重要作用，但由于其复杂性和样品来源的限制，气道黏液的流变学特性迄今尚未得到充分研究。

近日，我院邓林红教授作为共同通讯作者与国科温州研究院、温州医科大学等的研究人员在流体力学权威期刊《Physics of Fluids（流体物理）》上发表题为“Highly distinctive linear and nonlinear rheological behaviors of mucin-based protein solutions as simulated normal and asthmatic human airway mucus”的研究论文，报道人体气道黏液在正常和哮喘病理状态下呈现高度特异的线性和非线性流变行为，论文第一兼通讯作者为邓林红教授培养的硕士研究生，现在国科温州研究院的刘志伟助理研究员，论文其他作者包括国科温州研究院瀬戸亮平教授、温州医科大学育英儿童医院呼吸科张海邻教授、常州大学医学与健康工程学院博士生车波和实验员刘磊。

该研究采用基于黏蛋白的蛋白溶液模拟正常和哮喘病理气道黏液，并通过稳态剪切、阶跃剪切、大幅振幅的剪切实验（LAOS）以及多元非线性Giesekus本构模型分析，对正常和哮喘病理状态下的气道黏液进行了深入剖析。同时，利用光学和原子力显微镜相应气道黏液的微观结构进行了观测。研究发现，正常和哮喘黏液均呈现出典型的蛋白溶液非线性流变行为（图2-3）。然而，不同于正常黏液的是，哮喘黏液表现出更加类固体的特性，其稳态黏度、表观屈服应力和动态模量均显著增加(图2-3)。

图2. 气道黏液频率扫描与多元非线性Giesekus模型对比；(a), (b)为单元模式下的Giesekus模型拟合，(c)为5元模式下Giesekus模型拟合

图3. 气道黏液在不同应变幅值下的3D-Lissajous曲线（应力-应变-剪切速率）的响应; (a), (b)和(c), (d)分别为健康和哮喘病理状态下的气道黏液

哮喘与正常状态黏液在宏观流变行为上表现出的这些巨大差异归因于它们不同的微观结构以及多种黏蛋白的复杂相互作用。由此结论，在哮喘等肺部疾病病理进程中，伴随气道黏液组分和微观结构发生变化，气道黏液的流变学行为会发生显著改变。因此，通过流变学评估和建模分析，并结合微观特性表征，不仅有助于深入理解健康和病理状态下气道黏液流变行为及其对黏液清除功能的重要影响，而且可为探索相关呼吸疾病新的临床诊断和治疗方法提供思路。

原文链接: https://doi.org/10.1063/5.0202508

期刊介绍

Physics of Fluids期刊分区JCRQ1，中科院工程技术2区TOP，在流体领域仅次于《Annual Review of Fluid Mechanics》，是一家致力于发表原创理论、计算和实验贡献，以了解气体、液体和复杂或多相流体动力学的卓越期刊。