通过集成柔性体声波及场效应传感器的模拟人造肺芯片研究雾霾超细颗粒物与肺表面活性物质的相互作用

We proposed an on chip micro total analysis system mimicking the human lung breathing environment to analyze the ultra-fine particles interactions with the surface of the lung. The system is based on PDMS structures and can simulate the micro-environment of lung under the breath conditions with different ages. By integrating MEMS fabricated Bulk Acoustic Wave Resonator (BAW) and Field Effect Transistor (FET), such miniature system is designed for real-time detecting of nanopartilces interactions with Pulmonary Surfactant. By further integrating of microfabricated particle cutter, ultra-fine respirable particulate matters can be separated by their size. The penetration and deposition behaviors of different sized particles with the Pulmonary Surfactant can be analyzed under the situation of lung breathing environment. The system is new and has not been reported before. These results will establish a new method for studying the penetration, distribution and tracing of ultra-fine particles to biological barriers. Besides, the damages of particles on the cell membrane, pulmonary surfactant, the toxicity and biological effects of ultra-fine particles and their influences associated with the disease will have important scientific and application value.

本项目提出了一种用于检测雾霾超细颗粒物与肺表面活性物质相互作用的模拟人体肺器官呼吸环境的微全分析系统。该系统基于空腔结构的PDMS芯片，可以在真空条件下，模拟不同人群的呼吸微环境。通过集成MEM工艺制造的柔性体声波及场效应电学传感器，可实时在位地检测纳米粒子与肺表面活性物质的相互作用。通过进一步集成微型粒子切割器，该系统可以实现有效地分离大气中可吸入的超细颗粒物，并在模拟人体肺部呼吸动作的微环境下，分析不同颗粒物成分在肺部的沉积和穿透行为。该系统填补了国内外在这一类检测设备上的空白。这些研究成果将建立一套新的研究大气超细颗粒物对生物屏障穿透性、分布、示踪的检测方法。同时可以分析出颗粒物对细胞膜、肺表面活性物质的损伤程度，对分析大气细颗粒物的毒理与生物效应和与疾病危害相关的影响机制具有重要科学及应用价值。

围绕大气细颗粒物健康毒理危害的大科学问题，针对颗粒物的在线筛分、检测以及其与肺表面活性物质的瞬时相互作用、生物微环境模拟等科学问题，本项目创新性的设计并制造颗粒物在线筛分微系统及模拟肺环境的集成微传感器的柔性肺芯片，在芯片上重现现实场景中雾霾颗粒物与肺表面活性物质瞬时相互作用的微环境。课题系统研究了：1）虚拟撞击器的设计、制造及粒子分离；2）构建了集成柔性体声波及场效应传感器的人造肺芯片；3）在模拟人体肺的呼吸运动过程中，研究了不同尺寸及化学修饰的模型颗粒物穿透肺表面活性物质的动态过程及沉积率。课题通过MEMS工艺，开发了两套小型化的颗粒物处理及颗粒物与生物屏障相互作用的检测装置。其中，在线颗粒物分离装置集成小型化虚拟撞击器(mVI)和场效应管(FET)电学传感器，实现了细颗粒物的自动分离及在位检测，提高了颗粒物的分离准确度。这种便携式颗粒物检测器成本低廉，能够在线、实时地进行大气颗粒物检测，其在环保，医疗，药理等各个领域都有重要的应用价值。集成微传感器的肺芯片可在模拟呼吸条件下，实时检测超细雾霾颗粒物与肺表面活性物质的瞬时相互作用。使用该系统分别检测了不同尺寸、不同电荷及不同形状的模型纳米颗粒物在肺表面沉积和穿透的行为，这些信息对分析大气细颗粒物的毒理与生物效应和与疾病危害相关的影响机制具有科学及应用价值。.课题完成了两套集成微传感器的颗粒物检测装置的原型样机制造。所发现的颗粒物在弯曲及拉伸状态下的透膜规律拓展了对颗粒物透膜行为的理解，揭示了颗粒物的动态透膜规律。

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