基于人體吸入和呼出煙氣氣溶膠粒徑分布的氣溶膠呼吸道沉降研究

崔華鵬，李雅雯，陳 黎，樊美娟，劉紹鋒，謝復煒*，羅誠浩，黃 龍，陳義坤*

1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院, 鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

2. 湖北中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，武漢市東西湖區(qū)金山大道1355 號 430040

卷煙、加熱卷煙和電子煙均是通過人體抽吸過程產(chǎn)生煙氣氣溶膠，并進入呼吸道，最后經(jīng)口鼻呼出。煙氣氣溶膠在抽吸過程中會在人體呼吸道，如口腔、氣管支氣管、肺部等部位發(fā)生沉降，被認為是由吸煙引起健康風險的重要途徑［1-2］。卷煙燃燒釋放的煙氣中，除香味成分外，還含有一定的有害成分，關于吸煙有害健康的問題已有較為系統(tǒng)的研究報道［3-4］。近年來，加熱卷煙和電子煙作為新興的煙草制品，得到了快速發(fā)展［5-6］。然而，人體抽吸煙草制品的健康風險，不僅與有害成分有關，更與煙氣氣溶膠在人體呼吸道的沉降有關［7］。為此，已有一些研究考察了煙草制品煙氣氣溶膠的呼吸道沉降［8-10］。Zhang等［9］研究了卷煙煙氣氣溶膠在人體上呼吸道的沉降。Sosnowski 等［10］基于多路徑粒子劑量模型（Multiple path particle dosimetry model，MPPD），模擬研究了電子煙氣溶膠在人體肺部的沉降規(guī)律。研究煙氣氣溶膠在人體呼吸道的沉降，需要基于氣溶膠的粒徑分布數(shù)據(jù)和人體呼吸道沉降模型［7］。李雅雯等［11-12］基于吸煙循環(huán)模擬機-快速粒徑譜儀（Smoking cycle simulator-differential mobility spectrometer,SCS-DMS），采用特定抽吸模式，對卷煙、加熱卷煙和電子煙氣溶膠粒徑分布和粒數(shù)濃度進行測定，并利用MPPD 模擬研究了3 類煙草制品煙氣氣溶膠在人體呼吸道的沉降行為。然而，上述相關的煙氣氣溶膠呼吸道沉降研究，均采用特定抽吸模式對樣品進行抽吸，并假定煙氣氣溶膠在人體吸入和呼出過程中的粒徑分布保持不變，其模擬過程與實際有較大的偏差。一方面，煙氣氣溶膠粒徑分布受消費者抽吸行為的影響較大，已有研究顯示不同抽吸者的抽吸行為存在較大差異［13-14］；另一方面，煙氣氣溶膠在呼吸道運動過程中，其粒徑分布會因吸濕增長作用而發(fā)生變化［15-16］。因此，為了更真實地反映煙氣氣溶膠在人體呼吸道的沉降，本研究中建立了人體實際抽吸卷煙、加熱卷煙和電子煙等煙草制品的煙氣氣溶膠表征方法，得到了人體吸入和呼出煙氣氣溶膠的粒徑分布和粒徑增長因子，在對MPPD 模型進行修正的基礎上，模擬研究了3 類煙草制品煙氣氣溶膠在人體呼吸道的沉降特征，旨在為煙草制品煙氣氣溶膠的風險評估提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

SCS 吸煙循環(huán)模擬機-DMS500 快速粒徑譜儀（SCS-DMS, 英國Cambustion公司）；MPPD模型（美國Applied Research Associates公司）；CReSS吸煙行為記錄儀（德國Borgwaldt KC公司）。

卷煙樣品為3R4F 參比卷煙（美國Kentucky 大學）；加熱卷煙樣品為Marlboro 加熱卷煙，配套iQOS 2.4 加熱器具（菲莫國際煙草公司）；電子煙為MARK TEN一次性電子煙產(chǎn)品（美國Altria公司）。

1.2 方法

1.2.1 吸入和呼出煙氣氣溶膠的表征方法

利用SCS-DMS 測試由3 名志愿者分別抽吸卷煙、加熱卷煙和電子煙的吸入和呼出煙氣氣溶膠的粒徑分布，測試方法參見文獻［12］：①志愿者通過吸煙行為記錄儀抽吸實驗樣品［17］，呼出的煙氣氣溶膠經(jīng)采樣口被引入至SCS-DMS，完成呼出煙氣氣溶膠的粒徑分布表征；②如圖1所示，將吸煙行為記錄儀的抽吸行為數(shù)據(jù)導出，數(shù)據(jù)重構(gòu)后，導入并設定為SCS 的抽吸曲線（志愿者抽吸曲線）；③基于SCS 抽吸曲線對實驗樣品進行抽吸，煙氣氣溶膠被直接引入DMS，完成吸入煙氣氣溶膠的粒徑分布表征。

圖1 志愿者吸入的煙氣氣溶膠的表征示意圖Fig.1 Schematic diagram for characterization of aerosol inhaled by volunteers

1.2.2 基于MPPD的氣溶膠沉降模擬方法

根據(jù)文獻［18］的報道，設定氣溶膠的粒徑增長在呼吸道運動過程中與時間正相關。根據(jù)吸煙行為記錄儀數(shù)據(jù)，得到每個志愿者抽吸時的吸入時間，設定停留時間為1 s，呼出時間與吸入時間一致。因此，根據(jù)吸入和呼出煙氣氣溶膠的粒徑分布，可得到煙氣氣溶膠在依次經(jīng)過口腔、氣管支氣管、肺部的粒徑分布，對MPPD模型進行修正，以模擬氣溶膠在呼吸道不同部位的沉降。選取MPPD 的隨機肺模型，肺部尺寸選取第60個百分位點，其他參數(shù)詳見文獻［12］。模擬計算時，需要將DMS測定的電遷移氣溶膠粒徑分布轉(zhuǎn)換為MPPD需要的空氣動力學粒徑［12］。

2 結(jié)果與討論

2.1 人體吸入和呼出煙氣氣溶膠的粒徑分布表征

志愿者抽吸卷煙、加熱卷煙和電子煙的吸入和呼出煙氣氣溶膠的粒徑分布如圖2所示。整體上，3類樣品的煙氣氣溶膠的粒徑分布均呈現(xiàn)出近似對數(shù)正態(tài)分布的趨勢，氣溶膠粒徑為卷煙＞加熱卷煙＞電子煙。志愿者抽吸3類樣品時，呼出煙氣氣溶膠粒徑分布相較于吸入時均向粒徑增大方向偏移，即呼出煙氣氣溶膠的粒徑大于吸入煙氣氣溶膠。原因是煙氣氣溶膠在人體呼吸道內(nèi)運動時，由于存在大量水分，氣溶膠會吸收水分使其粒徑增大，即發(fā)生吸濕增長［15-16］。

圖2 志愿者吸入和呼出煙氣氣溶膠的粒徑分布Fig.2 Aerosol particle size distribution of inhaled and exhaled aerosol by volunteers

志愿者吸入和呼出煙氣氣溶膠的粒數(shù)中值粒徑如表1所示，其他條件一定時，呼出煙氣氣溶膠的粒數(shù)中值粒徑均大于吸入煙氣氣溶膠，卷煙、加熱卷煙和電子煙的煙氣氣溶膠吸入呼出粒徑增長因子分別為1.25～1.40、1.52～2.03 和1.44～2.43，與已有卷煙的研究結(jié)果一致［19］。加熱卷煙和電子煙的吸入呼出氣溶膠增長因子明顯高于卷煙，可能是因為加熱卷煙和電子煙的氣溶膠中含有大量甘油，甘油的強吸水性使氣溶膠在呼吸道的吸濕增長作用更加明顯，從而增大了呼出氣溶膠的粒徑。

表1 志愿者吸入和呼出煙氣氣溶膠的粒數(shù)中值粒徑及增長因子Tab.1 Size CMDs and growth factors of aerosol in inhaled and exhaled aerosol by volunteers

2.2 煙氣氣溶膠在人體呼吸道的沉降

人體的呼吸道可以分為口腔、氣管支氣管和肺部。采用MPPD模型，對卷煙、加熱卷煙和電子煙的煙氣氣溶膠在人體呼吸道不同部位的沉降進行計算模擬。如圖3所示，3類樣品的煙氣氣溶膠在各部位的沉降系數(shù)總體上均呈現(xiàn)出口腔＜氣管支氣管＜肺部的規(guī)律，口腔的氣溶膠沉降量占呼吸道總沉降量的5%左右，氣管支氣管的氣溶膠沉降量占30%，肺部的氣溶膠沉降量約占60%。3類樣品之間，呼吸道各部位的沉降系數(shù)均為卷煙＜加熱卷煙＜電子煙，卷煙煙氣氣溶膠在口腔、氣管支氣管和肺部的沉降系數(shù)分別為0.011、0.062和0.141，加熱卷煙煙氣氣溶膠在口腔、氣管支氣管和肺部的沉降系數(shù)分別為0.013、0.083 和0.214，電子煙氣溶膠在口腔、氣管支氣管和肺部的沉降系數(shù)分別為0.015、0.149 和0.335。結(jié)果表明，在所考察的粒徑范圍內(nèi)，煙氣氣溶膠的粒徑越小，其在人體呼吸道的沉降作用越明顯。該結(jié)論與文獻［10，12］報道相一致。

圖3 煙氣氣溶膠在人體呼吸道不同部位的沉降系數(shù)Fig.3 Deposition coefficient of aerosol in different parts of human respiratory tract

2.3 煙氣氣溶膠在人體肺部肺葉的沉降

采用MPPD模型，對卷煙、加熱卷煙和電子煙的煙氣氣溶膠在人體肺部肺葉的沉降進行計算模擬。如圖4 所示，3 類樣品之間，各肺部肺葉的沉降系數(shù)均呈現(xiàn)出卷煙＜加熱卷煙＜電子煙的規(guī)律。電子煙氣溶膠在左上、左下、右上、右中和右下肺葉的沉降系數(shù)分別為0.055、0.100、0.112、0.054 和0.128，是加熱卷煙煙氣氣溶膠各肺葉沉降系數(shù)的1.67～1.70 倍，是卷煙煙氣氣溶膠各肺葉沉降系數(shù)的2.32～2.40 倍。3 類樣品的煙氣氣溶膠在不同肺葉的沉降系數(shù)總體均為左上、右中＜左下＜右上＜右下，右下肺葉的沉降系數(shù)最高，左下肺葉、右上肺葉、右下肺葉的沉降系數(shù)占肺葉總沉降系數(shù)的75%左右。該趨勢主要與氣溶膠在肺葉中的運動路徑有關，其中，氣溶膠在右下肺葉的運動路徑較長，停留時間較久，故沉降系數(shù)較高［12］。

圖4 煙氣氣溶膠在肺部不同肺葉的沉降系數(shù)Fig.4 Deposition coefficient of aerosol in different lung lobes

2.4 煙氣氣溶膠在人體肺部氣管的沉降

肺是以支氣管反復分支形成的支氣管樹為基礎構(gòu)成的，肺中的支氣管經(jīng)多次反復分枝成無數(shù)細支氣管，并在末端膨大成囊狀，形成肺泡［20］。采用MPPD 模型，對煙氣氣溶膠在人體肺部不同級數(shù)氣管的沉降進行模擬，結(jié)果如圖5所示。可見，整體上，卷煙、加熱卷煙和電子煙的煙氣氣溶膠在不同級數(shù)氣管的沉降規(guī)律較為一致，其沉降系數(shù)均隨氣管級數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢；煙氣氣溶膠的最大沉降系數(shù)發(fā)生在第19～22級氣管，最大沉降系數(shù)所在氣管的級數(shù)在各肺葉有所差異；3 類樣品之間，各級數(shù)氣管的沉降系數(shù)均呈現(xiàn)出卷煙＜加熱卷煙＜電子煙的規(guī)律。

圖5 煙氣氣溶膠在肺部不同級數(shù)氣管的沉降系數(shù)Fig.5 Deposition coefficient of aerosol in different airway generations of lung

3 結(jié)論

①志愿者呼出煙氣氣溶膠的粒徑相較于吸入煙氣氣溶膠表現(xiàn)出增大趨勢，卷煙煙氣氣溶膠的粒徑增長因子小于加熱卷煙和電子煙。②電子煙氣溶膠在人體呼吸道的沉降系數(shù)明顯高于加熱卷煙和卷煙。③煙氣氣溶膠在肺部的沉降系數(shù)最高，其次是氣管支氣管和口腔。④煙氣氣溶膠在肺部右下肺葉具有較高的沉降系數(shù)，在肺部第19～22 級氣管的沉降系數(shù)較高。本研究結(jié)果可用于煙氣氣溶膠在人體呼吸道的暴露評價。