综述：基于计算流体动力学（CFD）的鼻科学纳米技术：靶向递送与个性化气道治疗

梅赫梅特·梅利科格鲁（Mehmet Melikoglu）|本吉·阿尔斯兰（Bengi Arslan）
土耳其盖布泽-科贾埃利省盖布泽技术大学化学工程系，邮编41400

**摘要**
本文综述了计算流体动力学（CFD）在现代鼻科学中的变革性作用，强调了其在客观管理复杂鼻部疾病和优化靶向纳米递送方面的影响。相较于传统的主观方法，CFD能够提供关于气流参数（如压力梯度和壁面剪切应力）的详细见解。定量分析表明，当横截面积（mCSA）超过约0.4平方厘米时，其可能不再是决定鼻阻力的主要因素；而腺样体阻塞引起的气流变化仅在超过50%的阈值时才变得显著。此外，虚拟手术规划技术可以实现术前优化——例如，LeFort I手术可增加27%的横截面积并降低6%的鼻阻力。通过对颗粒动力学的建模，我们更好地理解了靶向纳米递送机制，研究发现吸入颗粒的理想尺寸范围为10–16微米，并为亚微米级气溶胶的过滤提供了理论依据。这些模拟技术同样有助于优化鼻腔的空气调节功能。尽管取得了这些进展，但在将客观研究结果与患者的主观体验联系起来方面仍存在挑战。为此，本文提出了计算纳米技术未来的研究方向，包括改进用于纳米气溶胶相互作用（如蒸发、黏液流变学）的多相流模型、将反应工程应用于生物膜形成，以及整合热质传输机制。最终，开发出针对患者的数字孪生模型和计算效率高的算法，将有助于弥合模拟与临床应用之间的差距，开启一个基于预测和个性化治疗的鼻科学新时代。

**引言**
随着全球对复杂生理功能客观数据及患者特异性信息需求的增加，以及诊断和治疗复杂医疗状况的持续挑战，现代医学迫切需要转向先进的计算方法（Chunarkar-Patil等人，2024；Muratov等人，2021；Sadybekov和Katritch，2023）。传统的诊断方法（如视觉检查或基本鼻阻力测量）往往无法捕捉到鼻气流和功能的动态及高度个体化特性（Cherobin等人，2020；Passali等人，2022；Patil和Jain，2024）。在各种解剖结构中，如果不能完全理解人类鼻腔的复杂生物力学特性，它将是一个具有重大临床挑战的领域，但同时也为医学工程领域提供了极具前景和重要性的研究对象（Aljawad等人，2021；Bastir等人，2022）。

鼻部疾病（如慢性鼻窦炎和鼻阻塞）的普遍性是一个全球性的健康问题。慢性鼻窦炎影响全球5–12%的人口，而鼻阻塞（NO）由于鼻中隔偏曲等原因可能影响多达三分之一的个体（Dietz de Loos等人，2019；Lund，2005；Simmons等人，2024；Yepes-Nuñez等人，2013）。这些疾病会显著影响患者的生活质量，导致睡眠障碍、头痛和体力活动减少等症状（Dykewicz等人，2024；Goldfarb等人，2024）。尽管发病率很高，但诊断和治疗这些疾病通常依赖于患者的主观症状或全局性测量数据，而这些数据无法提供关于气流模式和生理相互作用的详细、局部化信息（Lee等人，2009；Lindemann等人，2013）。这凸显了开发先进、精确的诊断和治疗策略的紧迫性，以减轻患者负担并将主观评估转化为有价值的数据驱动见解。

除了诊断之外，鼻腔还是治疗药物递送和吸入颗粒（包括纳米气溶胶和病毒微滴）过滤的关键界面。靶向药物递送的有效性和环境纳米颗粒的风险评估在很大程度上取决于对微观和纳米尺度上流体动力学及颗粒传输的预测。为应对这些临床需求，人们越来越关注应用计算流体动力学（CFD），将其转化为强大的计算机辅助诊断和手术规划工具（Kanjanawasee等人，2021；Van den Bossche等人，2022）。CFD在模拟复杂流体动力学、热传递和质量传递方面的能力使其成为鼻科学领域的理想工具。与传统体内或体外方法不同，CFD能够详细、局部化地量化压力梯度、壁面剪切应力及气流分布等关键参数，而这些参数在临床环境中难以直接测量（Chen等人，2023；Pourmehran等人，2021）。最新研究表明，CFD在多个领域具有巨大潜力，包括客观诊断、优化手术规划、提高药物递送效果以及更深入地理解鼻腔的空气调节功能（Guiliang Liu等人，2025；Quadrio等人，2014；Rigaut等人，2024）。

**结论**
CFD在模拟复杂流体动力学和传输现象（热、质量和物种传递）方面的能力使其成为鼻科学计算纳米技术的基础工具。这种方法能够详细、局部化地量化关键参数，而这些参数在临床环境中难以直接测量。本文由一位化学工程教授和一位耳鼻喉科外科医生共同撰写，结合了基础传输现象、数值建模和过程优化的专业知识，以及关于患者需求、疾病机制和手术挑战的临床见解。这种双重视角确保了综述不仅涵盖了CFD应用的最新进展，还指出了科学严谨且具有临床相关性的未来研究方向。通过综合这些发现并明确未来研究重点，本文强调了CFD在鼻科学中的巨大潜力，旨在提高诊断精度、改善手术效果，并加速向真正以患者为中心的护理方式的转变。

**本文结构**
第1.1节概述了正式的综述方法和文献选择标准。第2节全面评估了CFD在鼻科学中的应用，包括鼻气流动力学、虚拟手术规划、靶向纳米气溶胶和药物递送以及生理空气调节功能，并对其数值方法、局限性和临床转化差距进行了批判性分析。在此基础上，第3节提出了战略性的未来研究方向，包括先进的多相流建模、颗粒-黏液流变学研究、生化反应整合以及基于机器学习的数字孪生技术。第4节对这些工具的临床意义进行了总结。

**文献检索**
本文采用系统的方法检索了2015年1月至2025年6月期间的文献，主要使用Google Scholar、Scopus和Web of Science数据库。检索过程中应用的布尔搜索公式为：
(“计算流体动力学” OR “CFD”) AND (“鼻气流” OR “鼻科学” OR “鼻窦” OR “鼻腔” OR “耳鼻喉科”) AND (“手术规划” OR “药物递送” OR “生物膜” OR “空气调节” OR “热传递” OR “质量传递” OR “机器学习” OR “患者报告的结局（PROs”）。虽然主要关注2015–2025年间的出版物，但若某些基础性论文对理解背景至关重要，也会被纳入。这些2015年之前的论文仅限于建立核心数值流体动力学框架、验证实验流体力学方法（如激光多普勒测速）或早期鼻阻力及颗粒沉积路径定义的开创性研究。

**数据提取与分析**
从选定研究中系统提取了关键信息，包括研究特征（患者群体、CFD模型设置、边界条件）和应用领域（气流分析、虚拟手术规划）。重点关注包含患者特异性3D模型、气流分析、靶向纳米气溶胶或药物递送以及鼻空气调节的论文，并优先考虑提供客观性能指标和与主观PROs相关性的定量分析的论文。同时严格排除了会议摘要、论文和专利等非同行评审数据，以及仅包含医学影像原始解剖数据的论文（除非它们符合搜索策略中定义的基础工程或临床文献标准）。

**撰写说明**
作者使用Gemini（Google）工具改进了文章的语言和可读性，并对内容进行了必要的审查和编辑。作者对文章内容负全责。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。