仿生磁驅人工纖毛平臺：模擬呼吸道粘液清除機制
作者：裘巖、胡國慶
呼吸道纖毛是人體抵御外界侵害的第一道防線。它們通過協同擺動，高效清除呼吸道內的粘液、異物和病原體，維持呼吸系統的健康。纖毛的擺動模式非常精妙，其不對稱的“有效沖程（effective stroke）”和“恢復沖程（recovery stroke）”能夠定向推進粘液。更有趣的是，相鄰纖毛之間并非同步擺動，而是呈現出微妙的相位差，形成“異時波（metachronal wave）”——一種節律性的波動協調模式，顯著增強了粘液傳輸的效率。深入理解這些復雜的生物物理機制，對于我們更好地認識慢性阻塞性肺病（COPD）等嚴重呼吸系統疾病的發病機理，以及開發更有效的肺部藥物遞送策略至關重要。
圖1：微流控芯片再現的纖毛-粘液清除系統和纖毛的擺動模型。
圖2：磁性人造纖毛和永磁體驅動系統的設計原理。
近日，胡國慶和邊鑫研究團隊設計了一種新型微流控實驗平臺，成功地在體外模擬了人類呼吸道中纖毛-粘液-空氣界面的復雜動力學行為。該平臺以其簡潔高效的磁驅動系統和微流控芯片為核心，為研究纖毛運動與流體傳輸機制提供了全新的視角。該成果以“Design of a magnetically responsive artificial cilia array platform for microsphere transport”為題，發表于英國皇家化學會期刊 Lab on a Chip （2025, 25, 330-342），并被選為封底圖片。
圖3：流體中不同大小的微球受到纖毛陣列驅動的遷移效果。
該研究的創新之處在于構建了一個三層結構的微流控芯片：底層為可磁驅動的人工纖毛陣列，中間層為模擬呼吸道粘液的流體層，頂層為空氣界面，完美再現了呼吸道的微觀環境。研究人員利用直徑12 μm、長度60 μm的磁性人造纖毛，通過精巧的磁場控制，實現了多種動態運動模式，包括同步擺動和異時波，進而研究不同擺動模式下的流體輸運效率。磁驅動系統的核心是可調節磁場的永久磁鐵，通過調控磁場的強度、方向和非對稱性，可以靈活地控制纖毛的擺動模式。研究團隊還利用高速攝像機記錄纖毛的動態軌跡，量化微球在流體中的位移和清除效果，并結合平滑粒子流體動力學（SPH）數值模擬，深入分析了纖毛運動與流體、微球之間的相互作用機制。
圖4：不同流體中的微球清除效率。
研究結果顯示，異時波模式下纖毛的擺動能夠顯著提升微球的凈位移，其輸運效率遠高于同步擺動模式。此外，研究還發現，較小直徑的微球更容易受到流體驅動，而較大直徑的微球運動速度相對較慢。纖毛的擺動頻率、陣列密度和流體粘度是影響輸運效果的關鍵因素。更高的擺動頻率和高密度的纖毛陣列能夠加速微球的移動，從而實現更高效的輸運過程。表面清潔實驗表明，高粘度流體會限制纖毛的擺動幅度，從而降低清潔效率。實驗結果與數值模擬結果高度吻合，充分驗證了該平臺在纖毛動態行為研究中的適用性和可靠性。
這項研究開發的微流控平臺，為研究纖毛驅動的流體輸運和顆粒清除提供了一種靈活而可靠的工具。該研究不僅拓展了對纖毛動態行為的認識，還為呼吸道疾病研究、藥物遞送和表面清潔等領域的應用奠定了基礎。未來，研究團隊計劃優化纖毛的幾何設計與材料性能，并結合更復雜的流體與化學環境，進一步提升模型的仿真精度與實用性。
圖5：封底圖片。