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(fù)煒*，羅誠(chéng)浩，黃 龍，陳義坤*

1. 中國(guó)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(hào) 450001

2. 湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，武漢市東西湖區(qū)金山大道1355 號(hào) 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(jìn)入呼吸道，最后經(jīng)口鼻呼出。煙氣氣溶膠在抽吸過程中會(huì)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(rèn)為是由吸煙引起健康風(fēng)險(xiǎn)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(guān)于吸煙有害健康的問題已有較為系統(tǒng)的研究報(bào)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(fēng)險(xiǎn)，不僅與有害成分有關(guān)，更與煙氣氣溶膠在人體呼吸道的沉降有關(guān)［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(jī)-快速粒徑譜儀（Smoking cycle simulator-differential mobility spectrometer,SCS-DMS），采用特定抽吸模式，對(duì)卷煙、加熱卷煙和電子煙氣溶膠粒徑分布和粒數(shù)濃度進(jìn)行測(cè)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(guān)的煙氣氣溶膠呼吸道沉降研究，均采用特定抽吸模式對(duì)樣品進(jìn)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(shí)際有較大的偏差。一方面，煙氣氣溶膠粒徑分布受消費(fèi)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(yùn)動(dòng)過程中，其粒徑分布會(huì)因吸濕增長(zhǎng)作用而發(fā)生變化［15-16］。因此，為了更真實(shí)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(shí)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(zhǎng)因子，在對(duì)MPPD 模型進(jìn)行修正的基礎(chǔ)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jī)-DMS500 快速粒徑譜儀（SCS-DMS, 英國(guó)Cambustion公司）；MPPD模型（美國(guó)Applied Research Associates公司）；CReSS吸煙行為記錄儀（德國(guó)Borgwaldt KC公司）。

卷煙樣品為3R4F 參比卷煙（美國(guó)Kentucky 大學(xué)）；加熱卷煙樣品為Marlboro 加熱卷煙，配套iQOS 2.4 加熱器具（菲莫國(guó)際煙草公司）；電子煙為MARK TEN一次性電子煙產(chǎn)品（美國(guó)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(cè)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(cè)試方法參見文獻(xiàn)［12］：①志愿者通過吸煙行為記錄儀抽吸實(shí)驗(yàn)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(dǎo)出，數(shù)據(jù)重構(gòu)后，導(dǎo)入并設(shè)定為SCS 的抽吸曲線（志愿者抽吸曲線）；③基于SCS 抽吸曲線對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)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(xiàn)［18］的報(bào)道，設(shè)定氣溶膠的粒徑增長(zhǎng)在呼吸道運(yùn)動(dòng)過程中與時(shí)間正相關(guān)。根據(jù)吸煙行為記錄儀數(shù)據(jù)，得到每個(gè)志愿者抽吸時(shí)的吸入時(shí)間，設(shè)定停留時(shí)間為1 s，呼出時(shí)間與吸入時(shí)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(duì)MPPD模型進(jìn)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(jī)肺模型，肺部尺寸選取第60個(gè)百分位點(diǎn)，其他參數(shù)詳見文獻(xiàn)［12］。模擬計(jì)算時(shí)，需要將DMS測(cè)定的電遷移氣溶膠粒徑分布轉(zhuǎn)換為MPPD需要的空氣動(dòng)力學(xué)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(duì)數(shù)正態(tài)分布的趨勢(shì)，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(shí)，呼出煙氣氣溶膠粒徑分布相較于吸入時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)，由于存在大量水分，氣溶膠會(huì)吸收水分使其粒徑增大，即發(fā)生吸濕增長(zhǎng)［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(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)因子明顯高于卷煙，可能是因?yàn)榧訜峋頍熀碗娮訜煹臍馊苣z中含有大量甘油，甘油的強(qiáng)吸水性使氣溶膠在呼吸道的吸濕增長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(jìn)行計(jì)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＜?xì)夤苤夤埽挤尾康囊?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(xiàn)［10，12］報(bào)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(duì)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(jìn)行計(jì)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(shì)主要與氣溶膠在肺葉中的運(yùn)動(dòng)路徑有關(guān)，其中，氣溶膠在右下肺葉的運(yùn)動(dòng)路徑較長(zhǎng)，停留時(shí)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(fù)分支形成的支氣管樹為基礎(chǔ)構(gòu)成的，肺中的支氣管經(jīng)多次反復(fù)分枝成無數(shù)細(xì)支氣管，并在末端膨大成囊狀，形成肺泡［20］。采用MPPD 模型，對(duì)煙氣氣溶膠在人體肺部不同級(jí)數(shù)氣管的沉降進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖5所示?？梢姡w上，卷煙、加熱卷煙和電子煙的煙氣氣溶膠在不同級(jí)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(jí)數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)；煙氣氣溶膠的最大沉降系數(shù)發(fā)生在第19～22級(jí)氣管，最大沉降系數(shù)所在氣管的級(jí)數(shù)在各肺葉有所差異；3 類樣品之間，各級(jí)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(jí)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(shì)，卷煙煙氣氣溶膠的粒徑增長(zhǎng)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(jí)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(píng)價(jià)。