一种模拟生物气溶胶沉积的肺实验模型系统

技术领域

本发明涉及病原微生物呼吸道侵入研究技术领域，特别是涉及一种模拟生物气溶胶沉积的肺实验模型系统。

背景技术

病原微生物以生物气溶胶的形式在呼吸作用下进入人体气管、支气管乃至肺部是造成流感等多种传染性疾病暴发的主要途经，因此研究病原微生物进入人体呼吸系统的特征是多种呼吸疾病预防与控制的重要手段。传统的动物模型无法完全符合人体特征，研究结果存在较大偏差。人体真实实验则存在重大安全隐患，且成本较高。因此构建能够模拟真实人体特征的体外实验模型模拟生物气溶胶进入人体呼吸系统受到了重视，已有多种体外模型被提出和应用。但已有模型均为模拟大气尘等物理气溶胶，且多为支气管局部模型，无法真实体现携带病原微生物的生物气溶胶在人体呼吸系统沉积的规律。现有实验模型均未涉及全肺模型，要么是气管和粗支气管的局部模型，要么是一组肺泡的放大模型，在应用时具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟生物气溶胶沉积的肺实验模型系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够模拟多种呼吸模式下生物气溶胶在人体呼吸系统的气管、支气管及肺部沉积规律。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种模拟生物气溶胶沉积的肺实验模型系统，包括生物气溶胶暴露实验舱、生物气溶胶发生器、肺模型、肺模型密封舱、模拟呼吸泵、生物气溶胶采样器，所述生物气溶胶暴露实验舱呈圆柱形，由透明塑料材料制成，所述生物气溶胶暴露实验舱上端开设有开口，所述开口处通过管道连接有生物气溶胶发生器，该管道另一端连接有扩散器；所述扩散器下侧通过管道连接有吸入口生物气溶胶采样器；所述生物气溶胶暴露实验舱内部下部安装有肺模型密封舱，所述肺模型密封舱通过管道和模拟呼吸泵连接，所述肺模型密封舱和压差表连接，所述肺模型密封舱内部放置有肺模型，所述肺模型包括由左肺腔和右肺腔构成，所述左肺腔和右肺腔通过气管连接在一起，所述气管上侧通过咽喉接头和肺模型咽喉连接，所述气管通过支气管接头和支气管连接，所述支气管分别设置在左肺腔和右肺腔内部；所述左肺腔通过管道和左肺生物气溶胶采样器连接，所述右肺腔通过管道和右肺生物气溶胶采样器连接；

所述支气管为2ˉ4级支气管，包括左右两部分，采用透明硬质PC材质；所述肺模型采用透明弹性硅胶材质，所述气管采用透明硬质PC材质；所述2ˉ4级支气管。

所述肺模型放置于肺模型密封舱中，咽喉部分露在肺模型密封舱外部；所述肺模型密封舱为透明PVC材质的密闭圆筒；所述生物气溶胶采样器分别连接生物气溶胶暴露实验舱、左肺腔和右肺腔；所述模拟呼吸泵连接肺模型密封舱。

所述扩散器为生物气溶胶圆筒形均布圆孔的均匀扩散器。

所述生物气溶胶暴露实验舱侧面安装高效空气过滤器、温度传感器和湿度传感器。

所述肺模型咽喉、气管和支气管之间采用可拆卸接头连接。

所述肺模型为柔性可收缩结构。

本发明的有益效果为：

本发明采用人体真实生理尺寸构建全透明呼吸道和肺实验模型，能够模拟多种呼吸模式下吸入的生物气溶胶在人体呼吸道和肺内部的沉积，与现有实验动物模型相比，更加符合人体真实生理尺寸。现有体外实验模型通常对物理气溶胶进行模拟，不具备模拟颗粒物吸入加湿，本发明系统解决了生物气溶胶在人体呼吸道内沉积的体外模拟与研究的难题，通过温度、湿度和呼吸模式的控制，实现了生物气溶胶在人体呼吸系统沉积与扩散的真实再现。

本发明设计了一种能够模拟生物气溶胶沉积的肺实验模型系统，采用生物气溶胶发生器和混匀暴露舱，并采用多级生物采样器实现呼吸系统总体沉积率的实验，从而解决了现有模型无法对生物气溶胶沉积进行实验的问题。

本发明通过将液态培养基在呼吸系统均匀涂布再凝固的方式，实现生物气溶胶在系统内沉积后培养成肉眼可见的菌斑，通过观察菌斑，可直观了解生物气溶胶在呼吸系统沉积的分布规律和数量，首次解决了现有模型只能测出整体或某个局部总体沉积数量而不能得出沉积分布的难题，技术具有较大的新颖性。

本发明采用基于成人呼吸系统CT扫描的可拆卸实验模型，将气管、2ˉ4级支气管设计为可拆卸，将原有的细支气管和肺泡简化为肺模型，肺模型设计为柔性可收缩结构，能够模拟人体呼吸的真实情况，从而实现了全肺模型的生物气溶胶沉积模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明模拟生物气溶胶沉积的肺实验模型系统结构示意图；

图2为本发明模拟生物气溶胶沉积的肺实验模型系统肺模型示意图；

其中，1为生物气溶胶暴露实验舱、2为高效空气过滤器、3为吸入口生物气溶胶采样器、4为肺模型密封舱、5为肺模型、6为右肺生物气溶胶采样器、7为左肺生物气溶胶采样器、8为模拟呼吸泵、9为压差表、10为湿度计、11为温度计、12为生物气溶胶发生器、13为生物气溶胶均匀扩散器。5-1为肺模型咽喉、5-2为咽喉接头、5-3为右肺模型、5-4为支气管、5-5为左肺模型，5-6为支气管接头、5-7为气管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种模拟生物气溶胶沉积的肺实验模型系统，以解决上述现有技术存在的问题，实现不同呼吸模式下生物气溶胶在人体呼吸系统沉积与分布模拟。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本发明提供一种模拟生物气溶胶沉积的肺实验模型系统，包括生物气溶胶暴露实验舱、生物气溶胶发生器、肺模型、肺模型密封舱、模拟呼吸泵、生物气溶胶采样器，所述生物气溶胶暴露实验舱呈圆柱形，由透明塑料材料制成，所述生物气溶胶暴露实验舱上端开设有开口，所述开口处通过管道连接有生物气溶胶发生器，该管道另一端连接有扩散器；所述生物气溶胶暴露实验舱内部下部安装有肺模型密封舱，所述肺模型密封舱通过管道和模拟呼吸泵连接，所述肺模型密封舱和压差表连接，所述肺模型密封舱内部放置有肺模型，所述肺模型包括由左肺腔和右肺腔构成，所述左肺腔和右肺腔通过气管连接在一起，所述气管上侧通过咽喉接头和肺模型咽喉连接，所述气管通过支气管接头和支气管连接，所述支气管分别设置在左肺腔和右肺腔内部；所述左肺腔通过管道和左肺生物气溶胶采样器连接，所述右肺腔通过管道和右肺生物气溶胶采样器连接；所述支气管为2ˉ4级支气管，包括左右两部分，采用透明硬质PC材质；所述肺模型采用透明弹性硅胶材质，所述气管采用透明硬质PC材质；所述2ˉ4级支气管。所述肺模型放置于肺模型密封舱中，咽喉部分露在肺模型密封舱外部；所述肺模型密封舱为透明PVC材质的密闭圆筒；所述生物气溶胶采样器分别连接生物气溶胶暴露实验舱、左肺腔和右肺腔；所述模拟呼吸泵连接肺模型密封舱。所述扩散器为生物气溶胶圆筒形均布圆孔的均匀扩散器。所述生物气溶胶暴露实验舱侧面安装高效空气过滤器、温度传感器和湿度传感器。所述肺模型咽喉、气管和支气管之间采用可拆卸接头连接。所述肺模型为柔性可收缩结构。所述扩散器下侧通过管道连接有吸入口生物气溶胶采样器。

实施例2

本发明由肺模型包括咽喉、气管、2ˉ4级支气管和肺部，肺部采用透明弹性硅胶材质，咽喉、气管、支气管采用透明硬质PC材质，肺部、气管、2ˉ4级支气管尺寸和结构数据采用成年健康男性(34岁，身高170cm，体重65kg)肺部CT扫描获得，扫描层厚0.3mm。

本发明可实现生物气溶胶整体沉积率模拟及各部位沉积分布显示，具体使用方法包括：

(1)生物气溶胶整体沉积率模拟

模型连接完毕后，设置呼吸泵呼吸模式，包括呼吸频率、潮气量等参数，开启生物气溶胶发生器，向生物气溶胶暴露实验舱内发生生物气溶胶，经生物气溶胶均匀扩散器均匀扩散至生物气溶胶暴露实验舱内，开启吸入口生物气溶胶采样器进行采样，然后开启模拟呼吸泵，肺模型在模拟呼吸泵往复压差变动下发生变形，模拟人体呼吸过程，将生物气溶胶暴露实验舱内的生物气溶胶吸入肺模型内并发生沉积，再呼出模型，同时开启左肺生物气溶胶采样器、右肺生物气溶胶采样器，采集经沉积后在肺腔内的生物气溶胶，生物气溶胶采集后培养皿放置于生物培养箱中培养、计数，通过吸入口生物气溶胶采样器、左肺生物气溶胶采样器、右肺生物气溶胶采样器采集数量的变化计算生物气溶胶在肺模型内的生物气溶胶沉积率。

(2)生物气溶胶各部位沉积分布

模型连接前，将肺模型内左肺腔、右肺腔、咽喉、气管、2ˉ4级支气管拆解，将融化后的琼脂培养基倒入上述部位中，并使培养基均匀涂覆在上述部位的内壁上，冷却固化后进行模型连接，然后连接整个系统，设置模拟呼吸泵呼吸模式，包括呼吸频率、潮气量等参数，开启生物气溶胶发生器，向生物气溶胶暴露实验舱内发生生物气溶胶，经生物气溶胶均匀扩散器均匀扩散至生物气溶胶暴露实验舱内，开启吸入口生物气溶胶采样器进行采样，然后开启模拟呼吸泵，肺模型在模拟呼吸泵往复压差变动下发生变形，模拟人体呼吸过程，将生物气溶胶暴露实验舱内的生物气溶胶吸入肺模型内并发生沉积，再呼出模型，生物气溶胶沉积后将附着在内壁上的琼脂培养基上，实验结束后，取下肺部模型，拆解或整体放入生物培养箱内培养一段时间后，取出肺模型，沉积的生物气溶胶将在培养基上生长成为菌斑，通过模型透明外壁观察、计数，绘制沉积分布图。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。