DOI: https://doi.org/10.1063/5.0313508
تاريخ النشر: 2026-02-01
المؤلف: Sameer Kumar Verma وآخرون
الموضوع الرئيسي: توصيل الأدوية عن طريق الاستنشاق والتنفس
نظرة عامة
تستقصي هذه الدراسة ترسيب الجسيمات السائلة المضادة للفيروسات في مجاري التنفس لدى مرضى مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) مقارنة بالأفراد الأصحاء. باستخدام نموذج قائم على التصوير المقطعي المحوسب يمتد إلى الجيل السابع من شجرة القصبات الهوائية، تستخدم البحث نموذج المرحلة المنفصلة المرتبط بين أويلر ولاغرانج (DPM) ونموذج فيلم الجدار أويلر (EWF) لتقييم كيفية تصرف أحجام الجسيمات المختلفة (1-10 ميكرومتر) تحت ظروف التنفس المتنوعة. تشير النتائج الرئيسية إلى أن الجسيمات الأكبر تترسب بشكل أساسي في المجاري الهوائية العليا بسبب التأثير القوي، بينما تخترق الجسيمات الأصغر بشكل أعمق. ومن الجدير بالذكر أن مرضى COPD يظهرون تدفق هواء مضطرب يتميز بزيادة الدوران، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة الترسيب في المجاري الهوائية العليا (حوالي 5.28%) مقارنة بالمناطق السفلية (2.52%).
تظهر الدراسة أيضًا أن كفاءة الترسيب تزداد مع حجم الجسيمات عبر جميع أنماط التنفس، حيث يظهر مرضى COPD كفاءات أعلى بكثير (22.69% – 63.89%) من الأفراد الأصحاء (16.76% – 57.17%) والظروف المثالية (12.45% – 26.96%). تؤدي الديناميات الهوائية الفريدة في COPD إلى أنماط ترسيب مميزة، مع أعلى تغطية منطقة وأقصى سمك فيلم يتم ملاحظته في منطقة الكارينا، مما يتناقض مع الفص السفلي الأيسر في الأفراد الأصحاء. تؤكد هذه النتائج على ضرورة وجود أجهزة استنشاق وتقنيات مصممة خصيصًا، مثل التنفس عبر الشفاه المضمومة، لتعزيز فعالية توصيل الأدوية لدى المرضى الذين يعانون من ضعف في وظيفة الجهاز التنفسي. تبرز الدراسة الدور الحاسم لجيومترية مجاري الهواء الخاصة بالمرضى وديناميات التنفس في تحسين العلاجات التنفسية.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الدور الحاسم للتنفس في الحفاظ على صحة الإنسان وأهمية فهم العمليات المعنية في الاستنشاق، وخاصة ترسيب الجسيمات المستنشقة. تبرز الطبيعة المزدوجة للجهاز التنفسي، الذي يمكن أن يقدم ملوثات ضارة تؤدي إلى أمراض تنفسية وقلبية وعائية، ويعمل كآلية توصيل للمواد الطبية من خلال العلاج بالاستنشاق. تستعرض الورقة دراسات متنوعة تستخدم ديناميات السوائل الحاسوبية (CFD) وجيومترية رئة ويبل لتحليل أنماط ترسيب الجسيمات في الجهاز التنفسي، مشيرة إلى أن الشيخوخة وحجم الجسيمات تؤثر بشكل كبير على كفاءة الترسيب.
علاوة على ذلك، تناقش المقدمة قيود نماذج المرحلة المنفصلة التقليدية (DPM) في التقاط سلوك الجسيمات بعد التأثير والحاجة إلى محاكاة أكثر دقة تأخذ في الاعتبار أنماط التنفس الواقعية. يقترح المؤلفون منهجية جديدة تجمع بين تقريب الفيلم الرقيق وDPM لتعزيز فهم ترسيب جزيئات الأدوية في جيومترية مجاري الهواء الخاصة بالمرضى. تهدف هذه الدراسة إلى توضيح كيف تؤثر أنماط التنفس المتغيرة، وخاصة في المرضى الذين يعانون من حالات مثل مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD)، على ديناميات تدفق الهواء وفعالية توصيل الأدوية، مما يحسن في النهاية التنبؤات لأنظمة توصيل الأدوية الرئوية.
طرق البحث
تحدد قسم المنهجية الآليات المسؤولة عن ترسيب الجسيمات في الجهاز التنفسي، مع تسليط الضوء بشكل خاص على التأثير، الانتشار، الاعتراض، والترسيب. تعتمد فعالية هذه الآليات على عوامل متنوعة، بما في ذلك جيومترية المجاري الهوائية، وخصائص الجسيمات (مثل الحجم، الشكل، والكثافة)، ومعدل التنفس. من الجدير بالذكر أن التأثير والترسيب يتم تحديدهما كآليتين رئيسيتين تحكمان ترسيب الجسيمات الدقيقة داخل الرئتين.
يتكون النهج العددي المستخدم في هذه الدراسة من مكونين رئيسيين: نموذج تدفق الهواء الذي يحاكي ديناميات تدفق الهواء داخل مجاري الهواء البشرية ونموذج نقل الجسيمات الذي يتنبأ بحركة الجسيمات بناءً على سرعة تدفق الهواء. يتم إجراء التحليل باستخدام برنامج ANSYS FLUENT (2023 R2)، الذي يسهل النمذجة التفصيلية لهذه العمليات.
النتائج
تستقصي نتائج هذه الدراسة كفاءة ترسيب جزيئات الأدوية التي تتراوح أحجامها بين 1-10 ميكرومتر تحت ثلاث ظروف تنفس متميزة: مثالية، صحية، ومرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD). يركز التحليل على ديناميات تدفق الهواء وسلوك الجسيمات داخل مجاري الهواء التنفسية البشرية، مع افتراض شكل كروي مثالي للجسيمات. تكشف الدراسة أن سرعات المدخل القصوى للظروف المثالية، الصحية، وCOPD هي تقريبًا 2.1 م/ث، 4.9 م/ث، و10.1 م/ث، على التوالي.
تشمل النتائج المهمة ملاحظة أن حتى الانحرافات الهندسية الطفيفة في مجرى الهواء يمكن أن تعطل انتظام خطوط تدفق الهواء، مما يؤدي إلى تشكيل دوامات ثانوية، خاصة في حالة COPD. تنشأ هذه الدوامات من انتفاخ غير متماثل لمقاطع القصبة الهوائية وتزداد سوءًا بسبب التغيرات المفاجئة في مسارات التدفق والتفرعات غير المنتظمة. تتأثر ديناميات التدفق بشكل ملحوظ عند التفرع الأول، حيث يتسبب القصبة الهوائية الرئيسية اليسرى الأضيق في تسريع التدفق. على الرغم من أن جيومترية مجاري الهواء تظل متسقة عبر الظروف الثلاثة، إلا أن مرضى COPD يميلون إلى إظهار معدل تدفق استنشاقي ذروة أعلى (PIFR) بسبب زيادة مقاومة مجرى الهواء، مما يبرز تأثير حالات التنفس على كفاءة ترسيب الأدوية.
المناقشة
تحدد قسم المناقشة في الورقة البحثية الإطار المفاهيمي والمنهجيات المستخدمة للتحقيق في ترسيب الجسيمات في مجاري الهواء التنفسية تحت ظروف تنفس متغيرة. تستخدم الدراسة نموذج المرحلة المنفصلة (DPM) لمحاكاة حركة الجسيمات داخل نموذج رئة تشريحي ثلاثي الأبعاد مستمد من بيانات التصوير المقطعي المحوسب. يلتقط هذا النموذج التفاعلات بين الجسيمات وتدفق الهواء، مع التركيز على تأثيرات سرعة تدفق الهواء والدوران على ترسيب الجسيمات عبر فصوص الرئة المختلفة خلال أنماط التنفس المثالية، الصحية، وCOPD. من الجدير بالذكر أن الدراسة تجد أن الجسيمات الأكبر (10 ميكرومتر) تظهر معدلات ترسيب أعلى بسبب التأثير القوي، بينما يتم توزيع الجسيمات الأصغر (1-3 ميكرومتر) بشكل أكثر انتظامًا بسبب الانتشار.
تسلط الأبحاث الضوء على الفروق الكبيرة في كفاءة الترسيب بين الرئتين اليسرى واليمنى، حيث تظهر الرئة اليسرى باستمرار معدلات ترسيب أعلى عبر جميع ظروف التنفس. يُعزى هذا التباين إلى اختلافات في توزيع تدفق الهواء، خاصة بسبب الهيكل التشريحي لشجرة القصبات الهوائية، الذي يؤثر على سرعة تدفق الهواء وسلوك الجسيمات. تشير النتائج إلى أن أنماط التنفس المتغيرة، خاصة في مرضى COPD، يمكن أن تؤدي إلى زيادة الترسيب في مناطق مجاري الهواء العليا، مما يحد من اختراق الجسيمات العلاجية إلى مناطق أعمق في الرئة. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية فهم ديناميات تدفق الهواء وتفاعلات الجسيمات في تحسين العلاجات بالاستنشاق لحالات التنفس.
القيود
تعترف الدراسة بعدة قيود قد تؤثر على تفسير نتائجها المتعلقة بالعلاج بالاستنشاق. تركز التحقيقات بشكل أساسي على مرحلة الاستنشاق من التنفس، متجاهلة مرحلة الزفير، التي يمكن أن توفر فهمًا أكثر شمولاً لسلوك الجسيمات. يحد نقص البيانات الموثوقة لنمذجة احتباس الجسيمات في الأجيال الرئوية السفلية من النموذج الحالي. بالإضافة إلى ذلك، لا توجد آلية في مكانها لحساب الجسيمات التي قد تبقى في الهواء وتعيد دخولها إلى المجال المودل أثناء الزفير، مما يعقد المحاكاة الدقيقة للترسيب خلال هذه المرحلة.
تبسيط آخر كبير هو افتراض جدران مجاري الهواء الصلبة، بينما تمتلك الأنسجة الهوائية الفعلية مرونة يمكن أن تؤثر على تدفق الهواء وأنماط الترسيب. كما أن الدراسة لا تأخذ في الاعتبار تأثيرات طبقة المخاط اللزج المرن في الجهاز التنفسي، والتي يمكن أن تؤثر أيضًا على النتائج. على الرغم من هذه القيود، فإن نتائج المحاكاة لسلوك تدفق الهواء وترسيب الجسيمات تتماشى مع الأدبيات الحالية، مما يشير إلى درجة من الصلاحية في نتائج الدراسة.
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0313508
Publication Date: 2026-02-01
Author(s): Sameer Kumar Verma et al.
Primary Topic: Inhalation and Respiratory Drug Delivery
Overview
This study investigates the deposition of antiviral liquid particles in the respiratory airways of patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD) compared to healthy individuals. Utilizing a CT scan-based model that extends to the seventh generation of the tracheobronchial tree, the research employs a coupled Eulerian-Lagrangian discrete phase model (DPM) and an Eulerian wall film (EWF) model to assess how different particle sizes (1-10 µm) behave under various breathing conditions. Key findings indicate that larger particles predominantly deposit in the upper airways due to inertial impaction, while smaller particles penetrate deeper. Notably, COPD patients exhibit a disturbed airflow characterized by higher vorticity, leading to increased deposition efficiency in the upper airways (approximately 5.28%) compared to lower regions (2.52%).
The study further reveals that deposition efficiency increases with particle size across all breathing patterns, with COPD patients showing significantly higher efficiencies (22.69% – 63.89%) than healthy individuals (16.76% – 57.17%) and ideal conditions (12.45% – 26.96%). The unique airflow dynamics in COPD result in distinct deposition patterns, with the highest area coverage and maximum film thickness observed in the carina region, contrasting with the left lower lobe in healthy subjects. These findings underscore the necessity for tailored inhalation devices and techniques, such as pursed-lip breathing, to enhance drug delivery efficacy in patients with compromised respiratory function. The study highlights the critical role of patient-specific airway geometry and breathing dynamics in optimizing respiratory therapies.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical role of respiration in maintaining human health and the importance of understanding the processes involved in inhalation, particularly the deposition of inhaled particles. It highlights the dual nature of the respiratory system, which can both introduce harmful pollutants leading to respiratory and cardiovascular diseases and serve as a delivery mechanism for medicinal substances through inhalation therapy. The paper reviews various studies that utilize computational fluid dynamics (CFD) and Weibel’s lung geometry to analyze particle deposition patterns in the respiratory tract, noting that aging and particle size significantly influence deposition efficiency.
Furthermore, the introduction discusses the limitations of traditional discrete phase modeling (DPM) approaches in capturing post-impact particle behavior and the need for more accurate simulations that consider realistic breathing patterns. The authors propose a novel methodology that combines thin-film approximations with DPM to enhance the understanding of drug particle deposition in patient-specific airway geometries. This study aims to elucidate how altered breathing patterns, particularly in patients with conditions like chronic obstructive pulmonary disease (COPD), affect airflow dynamics and drug delivery efficacy, ultimately improving predictions for pulmonary drug delivery systems.
Methods
The methodology section outlines the mechanisms responsible for particle deposition in the respiratory tract, specifically highlighting impaction, diffusion, interception, and sedimentation. The effectiveness of these mechanisms is contingent upon various factors, including the geometry of the airways, the properties of the particles (such as size, shape, and density), and the breathing rate. Notably, impaction and sedimentation are identified as the primary mechanisms governing the deposition of microparticles within the lungs.
The numerical approach employed in this study consists of two main components: an airflow model that simulates airflow dynamics within the human airways and a particle transport model that forecasts particle movement based on the velocity of the airflow. The analysis is conducted using ANSYS FLUENT software (2023 R2), which facilitates the detailed modeling of these processes.
Results
The results of this study investigate the deposition efficiency of drug particles sized between 1-10 μm under three distinct breathing conditions: ideal, healthy, and chronic obstructive pulmonary disease (COPD). The analysis focuses on airflow dynamics and particle behavior within the human respiratory airways, assuming a perfectly spherical shape for the particles. The study reveals that the peak inlet velocities for the ideal, healthy, and COPD conditions are approximately 2.1 m/s, 4.9 m/s, and 10.1 m/s, respectively.
Significant findings include the observation that even minor geometrical deflections in the airway can disrupt the uniformity of flow streamlines, leading to the formation of secondary vortices, particularly pronounced in the COPD condition. These vortices arise from asymmetrical bulging of the tracheal cross-sections and are further exacerbated by abrupt changes in flow paths and irregular bifurcations. The flow dynamics are notably affected at the first bifurcation, where the narrower left main stem bronchus causes an acceleration of flow. Despite the consistent airway geometry across the three conditions, patients with COPD tend to exhibit a higher peak inspiratory flow rate (PIFR) due to increased airway resistance, highlighting the impact of respiratory conditions on drug deposition efficiency.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the conceptual framework and methodologies employed to investigate particle deposition in the respiratory airways under varying breathing conditions. The study utilizes a Discrete Phase Model (DPM) to simulate the motion of particles within a three-dimensional anatomical lung model derived from CT scan data. This model captures the interactions between particles and airflow, focusing on the effects of airflow velocity and vorticity on particle deposition across different lung lobes during ideal, healthy, and COPD breathing profiles. Notably, the study finds that larger particles (10 µm) exhibit higher deposition rates due to inertial impaction, while smaller particles (1-3 µm) are more uniformly distributed due to diffusion.
The research highlights significant differences in deposition efficiency between the left and right lungs, with the left lung consistently showing higher deposition rates across all breathing conditions. This disparity is attributed to variations in airflow distribution, particularly due to the anatomical structure of the bronchial tree, which influences airflow velocity and particle behavior. The findings suggest that altered breathing patterns, especially in COPD patients, can lead to increased deposition in upper airway regions, thereby limiting the penetration of therapeutic particles into deeper lung areas. Overall, the study emphasizes the importance of understanding airflow dynamics and particle interactions in optimizing inhalation therapies for respiratory conditions.
Limitations
The study acknowledges several limitations that may affect the interpretation of its findings regarding inhalation therapy. Primarily, the investigation focuses solely on the inhalation phase of breathing, omitting the exhalation phase, which could provide a more comprehensive understanding of particle behavior. The lack of reliable data for modeling particle retention in lower lung generations further constrains the current model. Additionally, there is no mechanism in place to account for particles that may remain airborne and re-enter the modeled domain during exhalation, complicating accurate simulations of deposition during this phase.
Another significant simplification is the assumption of rigid airway walls, whereas actual airway tissues possess elasticity that can impact airflow and deposition patterns. The study also does not incorporate the effects of the viscoelastic mucus layer in the respiratory tract, which could further influence the results. Despite these limitations, the simulation outcomes for airflow behavior and particle deposition are consistent with existing literature, suggesting a degree of validity in the study’s findings.