The effect of air-borne nanoparticles (NPs) on human health is an active area of research, with clinical relevance evidenced by the current COVID-19 pandemic. As in vitro models for such studies, lung-on-a-chip (LOAC) devices can represent key physical and physiological aspects of alveolar tissues. However, widespread adoption of the LOAC device for NP testing has been hampered by low intra-laboratory and inter-laboratory reproducibility. To complement ongoing experimental work, we carried out finite-element simulations of the deposition of NPs on the epithelial layer of a well-established LOAC design. We solved the Navier–Stokes equations for the fluid flow in a three-dimensional domain and studied the particle transport using Eulerian advection–diffusion for fine NPs and Lagrangian particle tracking for coarse NPs. Using Langmuir and Frumkin kinetics for surface adsorption and desorption, we investigated NP adsorption under different exercise and breath-holding patterns. Conditions mimicking physical exercise, through changes in air-flow volume and breathing frequency, enhance particle deposition. Puff profiles typical of smoking, with breath-holding between inhalation and exhalation, also increase particle deposition per breathing cycle. Lagrangian particle tracking shows Brownian motion and gravitational settling to be two key factors, which may cooperate or compete with each other for different particle sizes. Comparisons are made with experimental data where possible and they show qualitative and semi-quantitative agreement. These results suggest that computer simulations can potentially inform and accelerate the design and application of LOAC devices for analyzing particulate– and microbe–alveolar interactions.

中文翻译：

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微流体肺芯片装置中纳米颗粒传输和吸附的模拟。

空气中纳米粒子 (NPs) 对人类健康的影响是一个活跃的研究领域，当前的 COVID-19 大流行证明了其临床相关性。作为体外作为此类研究的模型，片上肺 (LOAC) 设备可以代表肺泡组织的关键物理和生理方面。然而，用于 NP 测试的 LOAC 设备的广泛采用受到实验室内和实验室间重现性低的阻碍。为了补充正在进行的实验工作，我们对 NPs 在完善的 LOAC 设计的上皮层上的沉积进行了有限元模拟。我们求解了三维域中流体流动的 Navier-Stokes 方程，并使用欧拉平流扩散研究了精细 NPs 和拉格朗日粒子跟踪用于粗糙 NPs 的粒子传输。使用朗缪尔和弗鲁姆金动力学进行表面吸附和解吸，我们研究了不同运动和屏气模式下的 NP 吸附。模拟体育锻炼的条件，通过改变空气流量和呼吸频率，增强颗粒沉积。吸烟的典型抽吸曲线，在吸气和呼气之间屏气，也会增加每个呼吸周期的颗粒沉积。拉格朗日粒子追踪显示布朗运动和重力沉降是两个关键因素，它们可能会针对不同的粒子大小相互协作或竞争。在可能的情况下与实验数据进行比较，它们显示出定性和半定量的一致性。这些结果表明，计算机模拟可以潜在地告知和加速 LOAC 设备的设计和应用，用于分析微粒和微生物 - 肺泡相互作用。在吸气和呼气之间屏气，也会增加每个呼吸周期的颗粒沉积。拉格朗日粒子追踪显示布朗运动和重力沉降是两个关键因素，它们可能会针对不同的粒子大小相互协作或竞争。在可能的情况下与实验数据进行比较，它们显示出定性和半定量的一致性。这些结果表明，计算机模拟可以潜在地告知和加速 LOAC 设备的设计和应用，用于分析微粒和微生物 - 肺泡相互作用。在吸气和呼气之间屏气，也会增加每个呼吸周期的颗粒沉积。拉格朗日粒子追踪显示布朗运动和重力沉降是两个关键因素，它们可能会针对不同的粒子大小相互协作或竞争。在可能的情况下与实验数据进行比较，它们显示出定性和半定量的一致性。这些结果表明，计算机模拟可以潜在地告知和加速 LOAC 设备的设计和应用，用于分析微粒和微生物 - 肺泡相互作用。它们可能因不同的粒径而相互合作或竞争。在可能的情况下与实验数据进行比较，它们显示出定性和半定量的一致性。这些结果表明，计算机模拟可以潜在地告知和加速 LOAC 设备的设计和应用，用于分析微粒和微生物 - 肺泡相互作用。它们可能因不同的粒径而相互合作或竞争。在可能的情况下与实验数据进行比较，它们显示出定性和半定量的一致性。这些结果表明，计算机模拟可以潜在地告知和加速 LOAC 设备的设计和应用，用于分析微粒和微生物 - 肺泡相互作用。