本发明涉及一种仿生肺泡呼吸装置及肺泡模型的构建方法。
背景技术：
机械通气作为挽救肺部损伤疾病引起的呼吸困难的干预措施，目前在临床上可分为有创机械通气和无创机械通气。而有创机械通气在治疗一些疾病同时也会引起不良效果，其中发现有创机械通气是入住急性呼吸衰竭重症监护病房（icu）的copd患者死亡的独立危险因素。研究表明，导致这一结果的主要原因是创伤性的机械通气产生的潮气量通过形成一定的机械力作用于肺泡并引起肺损伤。
肺泡是由单层上皮细胞构成的囊泡，位于肺细支气管末端膨大囊泡的四周。作为肺的基本通气单位，其生物力学行为在哺乳动物的呼吸生理中起着重要作用。肺泡占肺容积的70％以上，在吸气过程中肺泡经实质内应力的拉伸扩张以适应吸入的空气，呼气过程中通过肺泡外环境压力变化及自身弹性反冲力将气体排出肺。在这样的通气周期中，肺泡经历动态应力状态变化对更好的了解肺呼吸功能、气体交换、肺部稳定性以及机械通气对肺泡损伤作用机制有着至关重要的作用，需要对肺泡在呼吸周期中诸如由肺泡收缩与扩张引起的肺泡大小和形状的变化、肺泡拉伸程度以及新征肺泡数量的变化等关键决定因素进行研究。
对此，授权公告号为cn104316661b的中国发明专利公开了一种用于生物毒性检测的肺组织模型及生物毒性检测方法，肺组织模型包括气管、血管和肺泡单元，气管两端设有进气口和出气口；血管两端设有进液口和出液口；肺泡单元为空心球体结构，具有腔室，肺泡单元的壁为弹性透气多孔膜，肺泡单元设在血液通道内且腔室与气体通道连通，肺泡单元可以随气体通道中气体压力的变化而膨胀或收缩，腔室内的气体可以与血液通道内气体进行气体交换，实现了模拟体内肺部血液的气体交换功能以及呼吸应变作用。同时，通过在肺泡单元部分种植细胞，在后续培养过程中实现体内肺泡单元的结构和功能的仿生以及模拟免疫细胞的炎症反应。
上述肺组织模型可用于pm2.5生物毒性的检测、药物生物毒性的检测、吸入式药物生物毒性的检测等检测实验，但是该肺组织模型仅模拟肺泡经终末支气管的进气和排气过程和肺泡以及肺泡外部的血液环境，并未模拟肺泡在呼吸过程中肺泡外如胸廓有节律的扩张和收缩引起的肺泡形状改变及肺泡进气、出气过程。因此上述肺组织模型无法模拟肺泡最真实的呼吸环境以及机体最真实的呼吸状态，当然也无法构建正常机体肺泡模型、胸廓呼吸肌无力肺泡模型、气道受阻肺泡模型以及胸腔积液肺泡模型等不同临床体征的肺泡模型，在此基础上，相关检测实验的参考价值就不高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够模拟仿生肺泡最真实的呼吸环境以及机体最真实呼吸状态的仿生肺泡呼吸装置；本发明的目的还在于提供一种使用上述仿生肺泡呼吸装置来构建肺泡模型的构建方法，以便得到不同临床体征的肺泡模型。
为实现上述目的，本发明中的仿生肺泡呼吸装置采用如下技术方案：
一种仿生肺泡呼吸装置，包括：
壳体；
外腔膜，设置在壳体内，外腔膜用于模拟胸廓，外腔膜和壳体之间形成外壁室；
营养膜，设置在外腔膜内，营养膜用于模拟血管，营养膜和外腔膜之间形成外腔室，外腔室用于模拟胸腔；
仿生肺泡固定结构，设置在壳体上，仿生肺泡固定结构用于固定仿生肺泡，以使仿生肺泡位于营养膜内，并使仿生肺泡和营养膜之间形成用于容纳培养基的营养室；
第一通气管，设置在壳体上，第一通气管用于模拟鼻气管，第一通气管的一端用于与仿生肺泡的球状肺泡腔连通、另一端用于连接空气气源；
第二通气管，设置在壳体上，第二通气管的一端与外壁室连通、另一端用于连接真空发生器集成装置，以对外壁室抽真空或打压、使外腔膜扩张或收缩；
第三通气管，设置在外腔膜上，第三通气管的一端与外腔室连通、另一端用于连接二氧化碳气源，以将外腔室内的气体置换为二氧化碳、模拟人体组织细胞吸收氧气后产生二氧化碳的过程。
上述技术方案的有益效果在于：营养膜用于模拟血管，仿生肺泡固定结构用于固定仿生肺泡，使仿生肺泡位于营养膜内，并使仿生肺泡和营养膜之间形成用于容纳培养基的营养室，这样就模拟了肺泡以及肺泡外部的血液环境，并且第一通气管用于模拟鼻气管，这样通过第一通气管的进气和排气就可以模拟鼻气管的呼吸过程，并且在此过程中，通过仿生肺泡的球状肺泡腔与营养室之间的气体交换可以模拟外呼吸作用。
本发明的仿生肺泡呼吸装置还包括用于模拟胸廓的外腔膜，外腔膜设置在壳体内且位于营养膜的外部，外腔膜和壳体之间形成外壁室，外腔膜和营养膜之间形成外腔室，外腔室用于模拟胸腔，并且壳体上设置的第二通气管一端与外壁室连通、另一端用于连接真空发生器集成装置，这样就可以通过控制第二通气管的排气和进气对外壁室抽真空或打压、使外腔膜扩张或收缩，模拟胸廓的呼吸过程。此外，由于外腔膜上设置的第三通气管一端与外腔室连通、另一端用于连接二氧化碳气源，这样就可以通过控制第三通气管的进气和排气将外腔室内的气体置换为二氧化碳，模拟人体组织细胞吸收氧气后产生二氧化碳的过程，而营养室与外腔室之间的气体交换可以模拟内呼吸作用。
因此，通过以上结构设置可以模拟仿生肺泡最真实的呼吸环境以及机体最真实的呼吸状态，在此基础上，可以构建正常机体肺泡模型、胸廓呼吸肌无力肺泡模型、气道受阻肺泡模型以及胸腔积液肺泡模型等不同临床体征的肺泡模型，进一步的，可以进行更具参考价值的相关检测实验。
进一步的，为了方便仿生肺泡固定结构的制造和安装，仿生肺泡固定结构包括供仿生肺泡的管体部分穿入并固定的固定管，固定管的外周面上设置有用于挂接在壳体上的挂接结构。
进一步的，为了方便仿生肺泡的固定，固定管的长度小于仿生肺泡的管体部分的长度，以供穿出固定管的管体部分外翻并套设固定在固定管外部。
进一步的，为了使各腔室的体积更加均匀，提高实验的准确性，营养膜、外腔膜以及壳体均具有球腔，以层层嵌套在仿生肺泡的球状肺泡腔外部。
进一步的，为了方便第三通气管穿出壳体与二氧化碳气源连接，第三通气管从第二通气管中穿过。
进一步的，为了方便管路连接和实验进行，第一通气管位于壳体的顶部，第二通气管位于壳体的底部，第三通气管位于外腔膜的底部。
为实现上述目的，本发明中使用上述仿生肺泡呼吸装置来构建肺泡模型的构建方法采用如下技术方案：
利用仿生肺泡固定结构在仿生肺泡呼吸装置上嵌套固定仿生肺泡，通过控制第一通气管的进气模拟鼻气管的吸气过程以及由其引起的肺泡吸气过程，通过控制第二通气管的排气对外壁室抽真空、使外腔膜扩张，模拟胸廓的吸气过程以及由其引起的肺泡吸气过程，通过控制第三通气管的进气和排气将外腔室内的气体置换为二氧化碳，模拟人体组织细胞吸收氧气后产生二氧化碳的过程，通过控制第一通气管的排气模拟鼻气管的呼气过程以及由其引起的肺泡呼气过程，通过控制第二通气管的进气对外壁室打压、使外腔膜收缩，模拟胸廓的呼气过程以及由其引起的肺泡呼气过程，在以上过程中，通过仿生肺泡的球状肺泡腔与营养室之间的气体交换模拟外呼吸作用、通过营养室与外腔室之间的气体交换模拟内呼吸作用，构建能够鼻气管呼吸、胸廓呼吸、肺泡呼吸共同作用的正常机体肺泡模型，或者通过在第一通气管中设置呼吸阻碍物来构建气道受阻肺泡模型，或者通过在外腔室中加入液体来构建胸腔积液肺泡模型，或者通过阻断第二通气管、舍弃胸廓呼吸作用，构建仅能够鼻气管呼吸和肺泡呼吸的胸廓呼吸肌无力肺泡模型。
上述技术方案的有益效果在于：通过第一通气管、第二通气管以及第三通气管进气和排气的控制，可以模拟鼻气管呼吸、肺泡呼吸和胸廓呼吸过程，模拟机体内呼吸和外呼吸作用，构建正常机体肺泡模型；或者通过在第一通气管中设置呼吸阻碍物来构建气道受阻肺泡模型，或者通过在外腔室中加入液体来构建胸腔积液肺泡模型，或者通过阻断第二通气管、舍弃胸廓呼吸作用，构建仅能够鼻气管呼吸和肺泡呼吸的胸廓呼吸肌无力肺泡模型。
本发明的肺泡模型的构建方法可以构建正常机体肺泡模型、胸廓呼吸肌无力肺泡模型、气道受阻肺泡模型以及胸腔积液肺泡模型等不同临床体征的肺泡模型，进一步的，在此基础上，可以进行更具参考价值的相关检测实验。
进一步的，为了更加方便的构建正常机体肺泡模型，通过对第一通气管施加至少两种流速不同的进气和排气流速，并对第二通气管施加至少两种流速不同的进气和排气流速，模拟至少两组不同流速组作用下的鼻气管呼吸和胸廓呼吸过程，最后检测营养室中培养基的炎症因子指标、以及仿生肺泡上细胞的细胞毒性，与不施加流速的零流速组相比，所施加流速组的炎症因子表达水平和细胞毒性与零流速组无显著性差异时，该流速组下的仿生肺泡呼吸装置及仿生肺泡即为正常机体肺泡模型。
进一步的，为了更加方便的构建胸廓呼吸肌无力肺泡模型，通过对第一通气管施加至少两种流速不同的进气和排气流速，模拟至少两种不同流速作用下的鼻气管呼吸过程，最后检测营养室中培养基的炎症因子指标、以及仿生肺泡上细胞的细胞毒性，与不施加流速的零流速相比，所施加流速的炎症因子表达水平和细胞毒性与零流速有显著性差异时，该流速下的仿生肺泡呼吸装置及仿生肺泡即为胸廓呼吸肌无力肺泡模型。
进一步的，为了更加方便的构建气道受阻肺泡模型或者胸腔积液肺泡模型，通过对第一通气管施加至少两种流速不同的进气和排气流速，并对第二通气管施加至少两种流速不同的进气和排气流速，模拟至少两组不同流速组作用下的鼻气管呼吸和胸廓呼吸过程，最后检测营养室中培养基的炎症因子指标、以及仿生肺泡上细胞的细胞毒性，与不施加流速的零流速组相比，所施加流速组的炎症因子表达水平和细胞毒性与零流速组有显著性差异时，该流速组下的仿生肺泡呼吸装置及仿生肺泡即为气道受阻肺泡模型或者胸腔积液肺泡模型。
附图说明
图1为本发明中仿生肺泡呼吸装置的结构示意图。
图中：1-第一通气管；2-上盖；3-仿生肺泡；4-营养膜；5-外腔膜；6-底壳；7-第二通气管；8-第三通气管；9-支腿；10-外壁室；11-外腔室；12-营养室；13-球状肺泡腔；14-内凸台；15-外凸台；16-挂环；17-挂接臂；18-固定管；19-端板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明中仿生肺泡呼吸装置的一个实施例如图1所示，包括壳体，壳体包括底壳6和上盖2，底壳6上设置有支腿9，底壳6的顶部为柱状结构、底部为球状结构，球状结构内具有球腔。底壳6的顶端设有端板19，端板19的中心设有圆孔，端板19上由内向外设置有依次设有内凸台14和外凸台15，内凸台14和外凸台15均为环形凸台。
上盖2与底壳6螺纹连接，底壳6和上盖2均采用玻璃或塑料制成，材质透明、坚固、可灭菌且方便加工。上盖2的顶部中心设有第一通气管1，第一通气管1上下延伸，其底端向下延伸出上盖2一定长度，大部分处于上盖2的上侧。第一通气管1用于模拟鼻气管，第一通气管1的一端用于与仿生肺泡的球状肺泡腔连通、另一端用于连接空气气源，空气气源具体可采用气泵。
仿生肺泡呼吸装置还包括设置在底壳6内的外腔膜5，外腔膜5呈烧瓶样结构，包括柱状部分和球状部分，球状部分内具有球腔，外腔膜5的球状部分位于底壳6的球腔内。柱状部分的顶端与端板19上的圆孔边缘固定密封连接。外腔膜5用于模拟胸廓，具体采用聚乙烯或聚丙烯制成，材质可灭菌、经压强变化可扩张收缩，材质透明且有一定回弹性。
外腔膜5和底壳6之间形成外壁室10，底壳6的底部设置有向下延伸的第二通气管7，第二通气管7的一端与外壁室10连通、另一端用于连接真空发生器集成装置，以对外壁室10抽真空或打压、使外腔膜5扩张或收缩。
仿生肺泡呼吸装置还包括设置在外腔膜5内的营养膜4，营养膜4也呈烧瓶样结构，包括柱状部分和球状部分，球状部分内具有球腔，营养膜4的球状部分位于外腔膜5的球腔内。营养膜4的柱状部分紧贴外腔膜5的柱状部分，且营养膜4的柱状部分更长一些，营养膜4柱状部分的顶端固定有挂环16，营养膜4通过挂环16挂接在内凸台14上。
营养膜4用于模拟血管，材质为只允许气体通过不允许液体透出的透析膜或内皮细胞膜，营养膜4和外腔膜5之间形成外腔室11，外腔室11用于模拟胸腔。外腔膜5的底部设置有向下延伸的第三通气管8，第三通气管8从第二通气管7中穿过，第三通气管8的一端与外腔室11连通、另一端用于连接二氧化碳气源，以将外腔室11内的气体置换为二氧化碳、模拟人体组织细胞吸收氧气后产生二氧化碳的过程。
仿生肺泡呼吸装置还包括用于固定仿生肺泡3的仿生肺泡固定结构，本实施例中的仿生肺泡固定结构包括固定管18，仿生肺泡3包括管体部分和球体部分，球体部分内具有球状肺泡腔13，球状肺泡腔13的内壁上均匀生长有肺细胞。仿生肺泡3的管体部分穿入固定管18内，且仿生肺泡3的管体部分比固定管18长，长出来的部分、也即穿出固定管18的管体部分外翻并套设固定在固定管18外部。为了加强固定效果，可以在外翻部分的外部箍设橡皮筋。
固定管18的外周面上设置有挂接结构，挂接结构由多个挂接臂17构成，挂接臂17具有三个弯折结构，呈挂钩形状，具体是固定管18外周面上的横臂经过第一次弯折向上延伸、再经过第二次弯折横向向外延伸、最后经过第三次弯折向下延伸，从而挂接在端板19上，并被外凸台15限位。
仿生肺泡3固定在固定管18上以后，通过挂接臂17挂接在底壳6上，仿生肺泡3的球体部分位于营养膜4的球腔内，并且仿生肺泡3和营养膜4之间形成用于容纳培养基的营养室12。上盖2螺纹连接在底壳6上后，第一通气管1的底端插入仿生肺泡3的管体部分内一部分，保证气密性。同时，为增强仿生肺泡3的固定效果，上盖2可以压紧在仿生肺泡3上。
本发明中使用上述仿生肺泡呼吸装置来构建肺泡模型的构建方法的实施例为：
使用时，将与仿生肺泡呼吸装置相关配件灭菌后放于超净台内。将支腿9放置于超净台面板上，支腿9用于整个仿生肺泡呼吸装置的放置，且使第二通气管7、第三通气管8距离超净台面板一定距离，便于后期对第二通气管7、第三通气管8的相关操作。
在营养膜4内加入上皮细胞培养基，然后将嵌套固定了仿生肺泡3的固定管18搭在外凸台15的外侧使其固定，盖上上盖2，此时上盖2上的第一通气管1底端嵌入仿生肺泡3的管体部分内。
接下来首先对仿生肺泡呼吸装置如何模仿鼻气管的呼吸过程以及胸廓的呼吸过程进行介绍。
模仿单独鼻气管的吸气过程：在仿生肺泡3未通入气体，外腔室11和外壁室10为密闭状态时，仿生肺泡3由于营养室12内液体的压力呈现塌陷结构。利用通气泵脉冲式向第一通气管1通入空气时，也即控制第一通气管1的进气，由于瞬时吸气且气体尚未穿透仿生肺泡3时仿生肺泡3的球状肺泡腔充实并扩张（引起肺泡吸气过程），当气体穿透仿生肺泡3后由于压力的变化仿生肺泡缓慢回弹。
经由第一通气管1管通入气体：第一，维持了仿生肺泡3内上皮细胞生长所需要的空气；第二，实现了仿生肺泡3的充实并扩张；第三，使仿生肺泡3的上皮细胞一侧处于气体、一侧处于液体，用以模拟肺泡细胞在机体内的气-液界面环境；第四，当空气中的氧气根据压强作用穿过仿生肺泡3到达营养室12，穿透营养膜4到达外腔室11，用以模仿经鼻腔自主吸气，氧气经气管-肺泡-血液循环（营养室）-外周循环（外腔室）的过程，即模仿了肺泡经鼻自主吸气肺泡扩张和内吸气、外吸气过程。
模仿单独调整胸廓的吸气过程：在仿生肺泡3未通入气体，外腔室11和外壁室10为密闭状态时，仿生肺泡3由于营养室12内液体的压力呈现塌陷结构。利用真空发生器集成装置通过第二通气管7脉冲对外壁室10抽真空，也即控制第二通气管7的排气，使外壁室10压强降低，外腔膜5在压强作用下向外扩张，使外腔室11内压强降低，以此类推，联通外界大气的仿生肺泡3的球状肺泡腔充实或扩张（引起肺泡吸气过程），气体自主进入仿生肺泡3并依次穿透仿生肺泡3和营养膜4到达外腔室11，使仿生肺泡回弹。
经由第二通气管7降压：第一，引入气体进入肺泡腔，维持了上皮细胞生长所需要的空气；第二，实现了仿生肺泡充实并扩张；第三，使仿生肺泡的上皮细胞一侧处于气体、一侧处于液体，用以模拟肺泡细胞在机体的气-液界面环境；第四，当气体经穿过仿生肺泡到达营养室，穿透营养膜到达外腔室，用以模仿经胸廓被动吸气，气体经气管-肺泡-血液循环（营养室）-外周循环（外腔室）的过程，即模仿了肺泡经胸廓被动吸气肺泡扩张和内吸气、外吸气过程。
模仿经鼻气管和胸廓共吸气过程：即模仿单独鼻气管的吸气过程和模仿单独调整胸廓的吸气过程共同实施。
模仿单独鼻气管的呼气过程：在吸气后，通过与第三通气管8连接的二氧化碳气源，控制第三通气管8的进气和排气，将进入外腔室11内的气体置换为二氧化碳，模拟人体组织细胞吸收氧气后产生二氧化碳的过程，此时仿生肺泡3处于回弹状态。
利用通气泵脉冲式对第一通气管1抽气，也即控制第一通气管1的排气，由于瞬时抽气且二氧化碳气体尚未穿透营养膜到达肺泡腔时，肺泡腔收缩（引起肺泡呼气过程），当二氧化碳穿透仿生肺泡后由于压力变化仿生肺泡缓慢回弹。
经由第一通气管1抽气：第一，实现了肺泡收缩；第二，使仿生肺泡的上皮细胞一侧处于气体、一侧处于液体，用以模拟肺泡细胞在机体的气-液界面环境；第三，当二氧化碳根据压强作用经由外腔室穿过营养膜到达营养室，然后穿过仿生肺泡层并到达肺泡腔，再经第一通气管排出时，用以模仿经鼻腔呼气，二氧化碳经外周循环（外腔室）-血液循环（营养室）-肺泡-气管的过程，即模仿了肺泡经鼻自主呼气肺泡收缩和内呼气、外呼气过程。
模仿单独调整胸廓的呼气过程：在吸气后，通过与第三通气管8连接的二氧化碳气源，控制第三通气管8的进气和排气，将进入外腔室11内的气体置换为二氧化碳，模拟人体组织细胞吸收氧气后产生二氧化碳的过程，此时仿生肺泡3处于回弹状态。
利用真空发生器集成装置通过第二通气管7脉冲对外壁室10打压，也即控制第二通气管7的进气，使外壁室10压强升高，进而外腔膜5在压强作用下收缩，外腔室11压力升高并收缩，营养膜和仿生肺泡随着收缩（引起肺泡呼气过程），且二氧化碳经营养膜-营养室-仿生肺泡层-肺泡腔-第一通气管。
该过程包含了第三通气管置换二氧化碳和第二通气管加压的过程：第一，第二通气管的加压模拟了呼吸肌肉收缩改变了胸腔内压力、胸廓收缩（外腔室收缩）；第二，模拟了二氧化碳经外周（外腔室）--营养室（血液循环）-肺泡-气管的过程，即模仿了肺泡经胸廓收缩呼出气体时肺泡收缩和内呼气、外呼气过程。
模仿经鼻气管和胸廓共呼气过程：即模仿单独鼻气管的呼气过程和模仿单独调整胸廓的呼气过程共同实施。
下面根据不同体征的肺泡所处的外在环境，构建不同体征下的肺泡模型：
第一，正常机体肺泡模型构建。
正常机体处于鼻气管和胸廓共吸气和共呼气引起的肺泡呼吸过程，则仿生肺泡呼吸装置处于模仿鼻气管和胸廓共吸气和共呼气引起的肺泡呼吸过程。
分别施加低、中、高的经第一通气管脉冲式的通入空气和抽出空气流速，相应的改变第二通气管的进气和排气流速，改变外壁室内的加压和降压速度，仿生肺泡呼吸装置处于模仿鼻气管和胸廓共吸气和共呼气引起的肺泡呼吸过程。观察三组不同流速组作用下的外腔室、肺泡腔收缩情况，收集营养室培养基用于炎症因子指标检测，收集外腔室气体用于检测氧分压和二氧化碳分压，收集仿生肺泡上细胞用于检测细胞毒性。利用elisa试剂盒检测相关目的炎症因子指标（如il-6，il-8，tnf-α等）；利用氧分压和二氧化碳分压检测仪检测氧分压和二氧化碳分压；利用cck-8试剂盒检测细胞毒性。
与不施加流速的零流速组相比，所施加流速组的炎症因子表达水平和细胞毒性与零流速组无显著性差异时，该流速组下的仿生肺泡呼吸装置及仿生肺泡即为正常机体肺泡模型。
第二，胸廓呼吸肌无力肺泡模型构建。
胸廓肌无力机体鼻吸气和呼气力较强，胸廓吸气和呼气较弱或无，且肺泡有炎症损伤，则仿生肺泡呼吸装置仅处于模仿鼻吸气和呼气引起的肺泡呼吸过程，且肺泡腔细胞有炎症损伤。
分别施加低、中、高的经第一通气管脉冲式的通入空气和抽出空气流速，作用于嵌套于仿生肺泡呼吸装置的仿生肺泡，仿生肺泡呼吸装置处于仅模仿鼻吸气和呼气引起的肺泡呼吸过程。
不同流速下，观察外腔室、肺泡腔收缩情况，收集营养室培养基用于炎症因子指标检测，收集外腔室气体用于检测氧分压和二氧化碳分压，收集仿生肺泡上细胞用于检测细胞毒性。利用elisa试剂盒检测相关目的炎症因子指标（如il-6，il-8，tnf-α等）；利用氧分压和二氧化碳分压检测仪检测氧分压和二氧化碳分压；利用cck-8试剂盒检测细胞毒性。
与不施加流速的零流速相比，当施加流速的细胞毒性和炎症因子表达水平与零流速作用组有显著性差异时，则该流速下的仿生肺泡呼吸装置及仿生肺泡即为胸廓呼吸肌无力肺泡模型。
第三，气道受阻肺泡模型构建。
气道受阻机体鼻吸气和呼气力弱，胸廓吸气和呼气较强，且肺泡有炎症损伤。则仿生肺泡呼吸装置处于模仿鼻和胸廓共吸气和共呼气引起的肺泡呼吸过程，且肺泡腔细胞有炎症损伤、第一通气管中间段设有呼吸阻碍物，具体可以是无菌棉。
分别施加低、中、高的经第一通气管脉冲式的通入空气和抽出空气流速，相应的改变第二通气管的进气和排气流速，改变外壁室内的加压和降压速度，仿生肺泡呼吸装置处于模仿鼻气管和胸廓共吸气和共呼气引起的肺泡呼吸过程。观察三组不同流速组作用下的外腔室、肺泡腔收缩情况，收集营养室培养基用于炎症因子指标检测，收集外腔室气体用于检测氧分压和二氧化碳分压，收集仿生肺泡上细胞用于检测细胞毒性。利用elisa试剂盒检测相关目的炎症因子指标（如il-6，il-8，tnf-α等）；利用氧分压和二氧化碳分压检测仪检测氧分压和二氧化碳分压；利用cck-8试剂盒检测细胞毒性。
与不施加流速的零流速组相比，所施加流速组的炎症因子表达水平和细胞毒性与零流速组有显著性差异时，该流速组下的仿生肺泡呼吸装置及仿生肺泡即为气道受阻肺泡模型。
第四，胸腔积液肺泡模型构建。
胸腔积液机体处于鼻和胸廓共吸气和共呼气引起的肺泡呼吸过程，且胸腔有积液，肺泡有炎症。则仿生肺泡呼吸装置处于模仿鼻和胸廓共吸气和共呼气引起的肺泡呼吸过程，且外腔室中有不同体积液体加入。
分别施加低、中、高的经第一通气管脉冲式的通入空气和抽出空气流速，相应的改变第二通气管的进气和排气流速，改变外壁室内的加压和降压速度，仿生肺泡呼吸装置处于模仿鼻气管和胸廓共吸气和共呼气引起的肺泡呼吸过程。观察三组不同流速组作用下的外腔室、肺泡腔收缩情况，收集营养室培养基用于炎症因子指标检测，收集外腔室气体用于检测氧分压和二氧化碳分压，收集仿生肺泡上细胞用于检测细胞毒性。利用elisa试剂盒检测相关目的炎症因子指标（如il-6，il-8，tnf-α等）；利用氧分压和二氧化碳分压检测仪检测氧分压和二氧化碳分压；利用cck-8试剂盒检测细胞毒性。
与不施加流速的零流速组相比，所施加流速组的炎症因子表达水平和细胞毒性与零流速组有显著性差异时，该流速组下的仿生肺泡呼吸装置及仿生肺泡即为胸腔积液肺泡模型。
在上述正常机体肺泡模型、胸廓呼吸肌无力肺泡模型、气道受阻肺泡模型以及胸腔积液肺泡模型均构建成功的基础上，分别进行检测机械通气对不同体征肺泡模型的作用、烟草制品气溶胶对不同体征下肺泡的损伤和有益作用、气雾剂药物对不同体征下肺泡损伤和有益作用、不同粒径气溶胶在不同体征下肺泡沉积部位等检测实验。
第一，机械通气对不同体征肺泡模型的作用。
利用呼吸机对不同体征肺泡模型的第一通气管通入大、中、小、零的通气流速进行气-液界面暴露，通气一定时间（1、3、6h）后。在不同流速和作用时间下，观察外腔室、肺泡腔收缩情况，收集营养室培养基用于炎症因子指标检测，收集外腔室气体用于检测氧分压和二氧化碳分压，收集仿生肺泡上细胞用于检测细胞毒性。利用elisa试剂盒、生化分析仪等检测相关目的免疫指标（如il-6，il-8，tnf-α等）和生化指标；利用氧分压和二氧化碳分压检测仪检测氧分压和二氧化碳分压；利用cck-8试剂盒检测细胞毒性；利用pcr和westernblot方法检测相关目的基因和蛋白。
判定不同机械力对不同体征下肺泡损伤和有益作用：与零呼吸机机械力流速组相比，细胞存活率显著降低和炎症因子表达显著升高说明该机械力流速组对该体征下仿生肺泡有损伤；细胞存活率显著升高和炎症因子表达显著降低说明该机械力流速组对该体征下仿生肺泡有益。生化指标、目的基因和目的蛋白变化，根据具体问题具体解释。
第二，烟草制品气溶胶对不同体征下肺泡的损伤和有益作用。
对不同体征肺泡模型的第一通气管通入大、中、小口数的烟气气溶胶和大、中、小口数的空气进行气-液界面暴露，暴露一定口数结束后。在不同口数下，观察外腔室、肺泡腔收缩情况，收集营养室培养基用于炎症因子指标检测，收集外腔室气体用于检测氧分压和二氧化碳分压，收集仿生肺泡上细胞用于检测细胞毒性。利用elisa试剂盒、生化分析仪等检测相关目的免疫指标（如il-6，il-8，tnf-α等）和生化指标；利用氧分压和二氧化碳分压检测仪检测氧分压和二氧化碳分压；利用cck-8试剂盒检测细胞毒性；利用pcr和westernblot方法检测相关目的基因和蛋白。
判定烟草制品气溶胶对不同体征下仿生肺泡损伤和有益作用：与相同口数空气组相比，细胞存活率显著降低和炎症因子表达显著升高说明该烟气口数组对该体征下仿生肺泡有损伤；细胞存活率显著升高和炎症因子表达显著降低说明该烟气口数组对该体征下仿生肺泡有益。生化指标、目的基因和目的蛋白变化，根据具体问题具体解释。
由于烟草制品烟气为气溶胶，该方法推广用于经呼吸摄入外源有害气溶胶物质暴露如pm2.5。
第三，气雾剂药物对不同体征下肺泡损伤和有益作用。
对不同体征肺泡模型的第一通气管通入大、中、小、零剂量的气雾剂药物进行气-液界面暴露，暴露一定时间后。在不同剂量下，观察外腔室、肺泡腔收缩情况，收集营养室培养基用于炎症因子指标检测，收集外腔室气体用于检测氧分压和二氧化碳分压，收集仿生肺泡上细胞用于检测细胞毒性。利用elisa试剂盒、生化分析仪等检测相关目的免疫指标（如il-6，il-8，tnf-α等）和生化指标；利用氧分压和二氧化碳分压检测仪检测氧分压和二氧化碳分压；利用cck-8试剂盒检测细胞毒性；利用pcr和westernblot方法检测相关目的基因和蛋白。
判定气雾剂药物对不同体征下仿生肺泡损伤和有益作用：与零剂量相比，细胞存活率显著降低和炎症因子表达显著升高说明该剂量组对该体征下仿生肺泡有损伤；细胞存活率显著升高和炎症因子表达显著降低说明该剂量组对该体征下仿生肺泡有益。生化指标、目的基因和目的蛋白变化，根据具体问题具体解释。
第四，不同粒径气溶胶在不同体征下肺泡沉积部位。
对不同体征肺泡模型的第一通气管通入不同颜色标记的不同粒径气溶胶进行气-液界面暴露，暴露一定时间后。在不同粒径下，观察外腔室、肺泡腔收缩情况，观察仿生肺泡及仿生肺泡呼吸装置如营养膜、外腔膜、外腔室内颜色是否发生变化；当颜色观察不明显时，收集营养室液体和外腔室气体，以及无菌水冲洗各层膜后收集液体。
判定不同粒径气溶胶在不同体征下肺泡沉积部位：观察仿生肺泡及仿生肺泡呼吸装置如营养膜、外腔膜、外腔室内颜色是否发生变化。有颜色变化的部位，则说明该部位是对应颜色的气溶胶沉积的部位，无颜色变化的部位无沉积。利用粒径检测仪检测收集气体和液体中的粒径，以确定不同粒径和性质的气溶胶在不同体征下穿透的层级。
最后，利用上述构思，还可以检测不同通气在不同体征的多肺泡模型上的肺泡扩张收缩比例。
首先，根据不同体征的肺泡所处外在环境，建立不同体征下肺泡模型，方法同上，且嵌套于仿生肺泡呼吸装置的仿生肺泡为具有多个球状肺泡腔的多仿生肺泡。
其次，不同通气下对不同体征多肺泡模型的作用。利用呼吸机对第一通气管通入大、中、小、零的通气流速进行气-液界面暴露，通气时观察多肺泡扩张和收缩程度及个数。
判定不同通气在不同体征下多肺泡的扩张和收缩情况：计算扩张和收缩肺泡数占总肺泡数的比例，以及肺泡扩张和收缩程度占正常体积的比例，用以了解在不同通气下体内肺泡扩张和收缩的程度与比例。
在肺泡模型的构建方法的其他实施例中，在构建不同体征肺泡模型的构建方法中，也可以设置两组不同流速的流速组，当然也可以设置四组或者更多。
在肺泡模型的构建方法的其他实施例中，在构建不同体征肺泡模型的构建方法中，不同体征肺泡模型是否构建成功不是通过不同流速组与零流速组的比较，而是经过科学计算，直接确定的流速组。
在肺泡模型的构建方法的其他实施例中，构建气道受阻肺泡模型时，第一通气管中设置的呼吸阻碍物也可以是海绵或者布料。
在仿生肺泡呼吸装置的其他实施例中，第二通气管也可以设置在底壳的侧部，例如横向延伸；第三通气管也可以设置在外腔膜的侧部，例如横向延伸；第三通气管也可以不从第二通气管中穿过，而是单独穿出底壳；在仿生肺泡呼吸装置可以横置的情况下，可以认为第一通气管设置在壳体的侧部。
在仿生肺泡呼吸装置的其他实施例中，营养膜、外腔膜以及壳体可以均不具有球腔，而是呈柱形结构。
在仿生肺泡呼吸装置的其他实施例中，固定管的长度也可等于仿生肺泡的管体部分的长度，仿生肺泡的管体部分可以与固定管的管口粘接固定。
在仿生肺泡呼吸装置的其他实施例中，固定管上的挂接结构可以呈l形结构，只经过一次弯折，具体的l形结构的横边与固定管连接、竖边挂在端板上并被外凸台限位。
在仿生肺泡呼吸装置的其他实施例中，当内凸台宽度足够时，挂接臂也可以挂接在内凸台外侧，此时无需设置外凸台。
在仿生肺泡呼吸装置的其他实施例中，第一通气管可以向下延伸出上盖多一些长度，从而将第一通气管作为仿生肺泡固定结构，此时仿生肺泡的管体部分穿过第一通气管并外翻套设固定在第一通气管外部。
在仿生肺泡呼吸装置的其他实施例中，当营养膜可以固定仿生肺泡的管体部分时，还可以将营养膜作为仿生肺泡固定结构。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
1.一种仿生肺泡呼吸装置，其特征在于，包括：
壳体；
外腔膜，设置在壳体内，外腔膜用于模拟胸廓，外腔膜和壳体之间形成外壁室；
营养膜，设置在外腔膜内，营养膜用于模拟血管，营养膜和外腔膜之间形成外腔室，外腔室用于模拟胸腔；
仿生肺泡固定结构，设置在壳体上，仿生肺泡固定结构用于固定仿生肺泡，以使仿生肺泡位于营养膜内，并使仿生肺泡和营养膜之间形成用于容纳培养基的营养室；
第一通气管，设置在壳体上，第一通气管用于模拟鼻气管，第一通气管的一端用于与仿生肺泡的球状肺泡腔连通、另一端用于连接空气气源；
第二通气管，设置在壳体上，第二通气管的一端与外壁室连通、另一端用于连接真空发生器集成装置，以对外壁室抽真空或打压、使外腔膜扩张或收缩；
第三通气管，设置在外腔膜上，第三通气管的一端与外腔室连通、另一端用于连接二氧化碳气源，以将外腔室内的气体置换为二氧化碳、模拟人体组织细胞吸收氧气后产生二氧化碳的过程。
2.根据权利要求1所述的仿生肺泡呼吸装置，其特征在于，仿生肺泡固定结构包括供仿生肺泡的管体部分穿入并固定的固定管，固定管的外周面上设置有用于挂接在壳体上的挂接结构。
3.根据权利要求2所述的仿生肺泡呼吸装置，其特征在于，固定管的长度小于仿生肺泡的管体部分的长度，以供穿出固定管的管体部分外翻并套设固定在固定管外部。
4.根据权利要求1~3任意一项所述的仿生肺泡呼吸装置，其特征在于，营养膜、外腔膜以及壳体均具有球腔，以层层嵌套在仿生肺泡的球状肺泡腔外部。
5.根据权利要求1~3任意一项所述的仿生肺泡呼吸装置，其特征在于，第三通气管从第二通气管中穿过。
6.根据权利要求5所述的仿生肺泡呼吸装置，其特征在于，第一通气管位于壳体的顶部，第二通气管位于壳体的底部，第三通气管位于外腔膜的底部。
7.使用权利要求1所述的仿生肺泡呼吸装置构建肺泡模型的构建方法，其特征在于，利用仿生肺泡固定结构在仿生肺泡呼吸装置上嵌套固定仿生肺泡，通过控制第一通气管的进气模拟鼻气管的吸气过程以及由其引起的肺泡吸气过程，通过控制第二通气管的排气对外壁室抽真空、使外腔膜扩张，模拟胸廓的吸气过程以及由其引起的肺泡吸气过程，通过控制第三通气管的进气和排气将外腔室内的气体置换为二氧化碳，模拟人体组织细胞吸收氧气后产生二氧化碳的过程，通过控制第一通气管的排气模拟鼻气管的呼气过程以及由其引起的肺泡呼气过程，通过控制第二通气管的进气对外壁室打压、使外腔膜收缩，模拟胸廓的呼气过程以及由其引起的肺泡呼气过程，在以上过程中，通过仿生肺泡的球状肺泡腔与营养室之间的气体交换模拟外呼吸作用、通过营养室与外腔室之间的气体交换模拟内呼吸作用，构建能够鼻气管呼吸、胸廓呼吸、肺泡呼吸共同作用的正常机体肺泡模型，或者通过在第一通气管中设置呼吸阻碍物来构建气道受阻肺泡模型，或者通过在外腔室中加入液体来构建胸腔积液肺泡模型，或者通过阻断第二通气管、舍弃胸廓呼吸作用，构建仅能够鼻气管呼吸和肺泡呼吸的胸廓呼吸肌无力肺泡模型。
8.根据权利要求7所述的肺泡模型的构建方法，其特征在于，通过对第一通气管施加至少两种流速不同的进气和排气流速，并对第二通气管施加至少两种流速不同的进气和排气流速，模拟至少两组不同流速组作用下的鼻气管呼吸和胸廓呼吸过程，最后检测营养室中培养基的炎症因子指标、以及仿生肺泡上细胞的细胞毒性，与不施加流速的零流速组相比，所施加流速组的炎症因子表达水平和细胞毒性与零流速组无显著性差异时，该流速组下的仿生肺泡呼吸装置及仿生肺泡即为正常机体肺泡模型。
9.根据权利要求7或8所述的肺泡模型的构建方法，其特征在于，通过对第一通气管施加至少两种流速不同的进气和排气流速，模拟至少两种不同流速作用下的鼻气管呼吸过程，最后检测营养室中培养基的炎症因子指标、以及仿生肺泡上细胞的细胞毒性，与不施加流速的零流速相比，所施加流速的炎症因子表达水平和细胞毒性与零流速有显著性差异时，该流速下的仿生肺泡呼吸装置及仿生肺泡即为胸廓呼吸肌无力肺泡模型。
10.根据权利要求7或8所述的肺泡模型的构建方法，其特征在于，通过对第一通气管施加至少两种流速不同的进气和排气流速，并对第二通气管施加至少两种流速不同的进气和排气流速，模拟至少两组不同流速组作用下的鼻气管呼吸和胸廓呼吸过程，最后检测营养室中培养基的炎症因子指标、以及仿生肺泡上细胞的细胞毒性，与不施加流速的零流速组相比，所施加流速组的炎症因子表达水平和细胞毒性与零流速组有显著性差异时，该流速组下的仿生肺泡呼吸装置及仿生肺泡即为气道受阻肺泡模型或者胸腔积液肺泡模型。
技术总结