创新微流控模型：洞察肠道黏液屏障的新视角

研究人员为探究肠道黏液屏障，开发微流控模型，发现黏液黏度影响屏障特性，为相关研究奠基。

　　在人体的肠道内，有一层神秘的 “防护卫士”—— 肠道黏液层。它像一层天然的屏障，不仅阻挡着外界病原体的入侵，还对药物和营养物质的吸收起着关键的调控作用。然而，长期以来，这层黏液屏障背后的许多秘密尚未完全被揭开。比如，当肠道内的物质流动时，会产生剪切力，这对黏液屏障有怎样的影响？黏液的黏稠度又在其中扮演着何种角色？这些问题一直困扰着科研人员，也阻碍了我们对肠道生理和药物吸收机制的深入理解，更限制了新型药物递送系统的开发。

为了攻克这些难题，来自荷兰乌得勒支大学（Utrecht University）、伊朗萨汉德科技大学（Sahand University of Technology）等多个机构的研究人员携手合作，开展了一项极具创新性的研究。他们的研究成果发表在《Drug Delivery and Translational Research》杂志上，为我们打开了一扇了解肠道黏液屏障的新窗口。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是微流控技术，通过精心设计的微流控装置，模拟肠道内黏液与管腔物质的动态相互作用；二是采用生物相似黏液模型（BSM）和汉克平衡盐溶液（HBSS），分别模拟人体肠道黏液和管腔流体；三是利用计算流体动力学（CFD）进行数值模拟，求解流体流动方程，预测实验结果。

下面让我们详细了解一下他们的研究结果：

1. BSM 和 HBSS 的理化特性：研究人员对 BSM 和 HBSS 进行了全面的理化特性分析。在流变学方面，通过振荡剪切测试发现，含有卡波姆的 BSM-2 具有更高的弹性，其损耗模量比 BSM-1 大 100 倍，储能模量占主导，表明它是一种结构更稳定的黏液模型。通过流动扫描测试，并利用幂律模型拟合，得到了 BSM-1 和 BSM-2 的黏度参数，两者的流动行为指数（span data-custom-copy-text="\(n1\)"n<1）均显示出假塑性或剪切稀化特性，即随着剪切速率增加，表观黏度降低。在密度测量中，BSM-1 的密度为1.0455±0.00026g/mL，BSM-2 的密度为1.0416±0.00044g/mL。此外，接触角测量结果表明，PDMS 对 BSM 的润湿性优于 HBSS，这一特性在微流控装置设计和数值模拟中都至关重要。
2. 微流控芯片装置优化：在研究初期，研究人员参考了前人的微流控装置设计，但发现存在一些问题，如黏液难以在特定通道内稳定存在，容易流入管腔通道，无法有效观察颗粒渗透。经过多次试验和改进，他们优化了微流控芯片中支柱的结构和间距，成功解决了这一问题。优化后的装置能够稳定地保持黏液和管腔物质相邻，为后续研究奠定了基础。
3. 肠道黏液屏障芯片研究：研究人员利用优化后的微流控芯片，分别对低黏度的 BSM-1 和高黏度的 BSM-2 进行了实验。在 BSM-1 实验中，发现 HBSS 在 BSM-1 中的渗透初期速度较快，之后逐渐减慢，最终达到稳定状态。通过计算有效扩散系数，发现后期的数值与文献报道的黏液扩散系数处于同一数量级。在 BSM-2 实验中，由于其高黏度和弹性，HBSS 在其中形成了稳定的通道并持续流动。同时，该实验还可以监测黏液层的去除情况，发现 HBSS 的流速对黏液去除速率有显著影响。
4. 速度场分析：通过分析红色荧光颗粒的运动轨迹，研究人员对黏液和管腔通道中的速度场进行了研究。对于 BSM-1，在实验初期，黏液层和管腔通道内均有流动，随着 HBSS 的引入，虽然部分 BSM-1 溶解，但黏液层内仍有流动。而对于 BSM-2，由于其高黏度和弹性模量，在 HBSS 成为主要流动介质后，黏液通道内的流动变得微不足道。此外，对 HBSS 中绿色颗粒轨迹的分析表明，随着流动的建立，颗粒速度会随着流动面积的增加而降低。
5. 数值模拟：研究人员运用 COMSOL 软件进行数值模拟，通过求解连续性方程和动量方程，模拟了 HBSS 和黏液层内的流速和压力场。模拟结果与实验观察高度吻合，验证了数值模拟方法的准确性。例如，在 BSM-2 的模拟中，准确地再现了 HBSS 和黏液的流动模式；在 BSM-1 的模拟中，也成功地体现了稳定界面建立后，BSM-1 区域速度不明显的现象。

研究结论和讨论部分指出，该研究开发的微流控平台为研究肠道黏液屏障提供了一种新的有效手段。通过结合生物相似黏液模型和验证的数值模拟，揭示了黏液黏度和黏弹性对屏障特性的重要影响，证明了剪切稀化本构模型在预测黏液行为方面的有效性。这一平台可以实时研究药物运输、病原体相互作用和黏液脱落等过程，为体外和体内研究搭建了一座重要的桥梁。同时，研究人员也认识到，目前的研究仍存在一些局限性，如需要进一步整合黏液分泌细胞、模拟更真实的肠道拓扑结构和流动模式、完善黏液黏度模型等。但总体而言，这项研究为改善药物吸收的计算机模拟和个性化治疗的发展奠定了坚实的基础，有望推动相关领域的进一步发展。