CN111351922B - 一种体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于烟气暴露实验领域,具体涉及一种体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法。该方法包括以下步骤:将体外抽吸的烟气,不经空气稀释,通过烟气传输分流装置分流到多个暴露仓中进行多通道烟气暴露染毒,以烟支数、抽吸口数,或者烟支数、抽吸口数对应主流烟气总粒相物、尼古丁含量来计算染毒剂量。本发明的体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法,卷烟抽吸产生的烟气不进行稀释,通过烟气传输分流装置平均分流到多个暴露仓中,染毒剂量的评价无需考虑空气稀释的影响,可以更加准确、有效地对暴露仓的染毒剂量进行评价。
Description
技术领域
本发明属于烟气暴露染毒实验领域,具体涉及一种体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法。
背景技术
全烟气暴露方法已经成为体外评估烟气毒性或生物学效应的重要暴露方法。该暴露方法所依托的烟气暴露装置由吸烟机、烟气输送系统和可气-液界面暴露的暴露仓组成。吸烟机产生的烟气经烟气输送系统进入暴露仓内,对暴露仓内的细胞进行染毒,根据细胞的染毒结果评估烟气的毒性或生物学效应。
目前,商业使用的烟气暴露装置如Vitrocell、Cultex等主要通过利用空气梯度稀释烟气的方法来实现烟气暴露。对于其结构,以Vitrocell为例,如图1所示,该暴露装置包括吸烟机1、烟气输送系统和暴露仓4,吸烟机1模拟人抽吸卷烟产生烟气,稀释管路3输入空气与吸烟机产生的烟气进行混合稀释,输送系统包括一个输送长管2,吸烟机1与输送长管2的轴向一端连接。沿输送长管2轴向,输送长管2的侧壁上间隔开设多个出气口,并分别与对应的暴露仓4相连,以使烟气能够分流至不同暴露仓4内,输送长2管背向吸烟机1的轴向一端开设有排气口。
由于各出气口与暴露仓相连,而排气口与大气连通,因此,沿输送长管2的轴向,出气口越是靠近排气口,烟气经出气口进入暴露仓的流阻与继续向后流向排气口流阻的差值越大,烟气越容易流向排气口并经排气口流出,而难于流向暴露仓,使得沿烟气流动方向经出气口进入各暴露仓内的烟气的量逐渐减小。另外,烟气暴露实验时,通常需要对细胞进行由低到高的梯度染毒,从而评价细胞在染毒过程中的生理状态变化。在Vitrocell烟气暴露系统中,其通过引入空气对烟气进行稀释,通过稀释程度的不同来实现染毒程度的调整。
利用Vitrocell烟气暴露系统,其染毒剂量的计算公式为:
可以看出,其是利用暴露烟气流速与抽吸烟气和洁净空气流速之和的占比来评价染毒剂量,通过调整洁净空气的流速来调节染毒剂量的变化,洁净空气与烟气混合后,其流速并非为两种气体流速的简单叠加,另外,该公式染毒剂量并未涉及暴露仓个数,当连接暴露仓个数不同时,烟气剂量势必不同,因此该评价方式并不能准确地的反应烟气的染毒剂量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法,以解决现有Vitrocell烟气暴露系统的烟气暴露剂量评价不准确的问题。
为实现上述目的,本发明的体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法的技术方案是:
一种体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法,包括以下步骤:将体外抽吸的烟气,不经空气稀释,通过烟气传输分流装置分流到多个暴露仓中进行多通道烟气暴露染毒,以烟支数、抽吸口数,或者烟支数、抽吸口数对应主流烟气总粒相物、尼古丁含量来评价染毒剂量;
所述烟气传输分流装置包括N个层级的分流管路,层级数N=1时,该层级的分流数为Q1;层级数N≥2时,下一层级的分流管路对上一层级分流管路分流出的烟气进一步分流,第i个层级连接第i-1个层级的某一分流管路的分流数为Qi;抽吸的烟气流经每个层级的任一分流管路后被平均分流到暴露仓中;
采用式(1)-(4)评价染毒剂量:
染毒剂量,%口=Z×I×100(2);
式(1)-式(4)中,Z为抽吸烟支总口数;T为一支烟的主流烟气总粒相物;T′为一支烟的烟碱含量;C为一支烟允许的最大抽吸口数;I为暴露仓的分流系数,计算公式为:
或者体外抽吸的烟气一部分分流到暴露仓中进行暴露染毒,另一部分不进入暴露仓暴露染毒,采用式(1)′-(4)′评价染毒剂量:
式(1)′-(4)′中,S为染毒系数,D为允许烟气进入暴露仓的个数;染毒系数计算公式:
M总为体外抽吸烟气的总重量,M捕为不进入暴露仓暴露染毒的烟气重量。
染毒系数是指吸烟、吸气机抽吸的烟气在进入暴露仓中占总生成烟气的比例。具体是分流装置分流口未接暴露仓的部分连接可测定烟气重量的装置,通过测定烟气抽吸产生的总烟气重量和分流装置分流口未接暴露仓的部分的烟气重量来确定在这种该种分流装置连接情况下,可以进入所有暴露仓的烟气分流情况。
本发明的体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法,卷烟抽吸产生的烟气不进行稀释,通过烟气传输分流装置平均分流到多个暴露仓中,染毒剂量的评价无需考虑空气稀释的影响,可以更加准确、有效地对暴露仓的染毒剂量进行评价。
如体外抽吸的烟气是全部分流到暴露仓中,可按照式(1)-(4)来方便评价染毒剂量。在烟气暴露染毒实验过程中,一些实验由于特殊原因需要在分流装置的出气管路进行烟气捕集或其他非暴露仓实验时,可能由于出气管路后方连接装置不同、压力不同造成一定烟气分配不均匀,因此,为了更加精准计算烟气的染毒剂量时,需要考虑烟气在分流装置中接暴露仓的分流情况。利用Vitrocell烟气暴露系统,其染毒剂量的计算公式并未考虑烟气在其他连接装置中的烟气的各向分流情况,这也导致在此情况下需要更加精准计算烟气的染毒剂量时,该方法并不适用。在该种情形下,如体外抽吸的烟气一部分分流到暴露仓中,另一部分不进入暴露仓,根据实验目的,在不需要非常精确评价染毒剂量时,也可按照式(1)-(4)进行评价。在需要精确评价染毒剂量时,例如按照式(1)′-(4)′进行评价。
为更好的实现细胞染毒剂量的梯度调整,从而更全面地评价烟气对细胞的致毒影响,优选的,分流管路仅有1个层级Z=1,该层级分流管路的分流数Q1≥2;在多次烟气暴露染毒实验中,通过调整分流数Q1梯度变化,实现染毒剂量的梯度调整。
为更好的模拟烟气在气管、支气管、细支气管的烟气分流,优选的,分流管路至少包括第一层级分流管路、第二层级分流管路两个层级,第一层级分流管路的分流数Q1=2,分别模拟左、右支气管;第二层级分流管路对第一层级分流管路分流出的烟气进一步分流,模拟与所述左、右支气管相连的细支气管。在多层级烟气分流的情况下,左、右支气管,左、右细支气管一般对称设置,或者根据实际实验需要,仅设置左(或右)支气管,左(或右)细支气管。
附图说明
图1为现有技术中烟气暴露装置的结构示意图;
图2为本发明中烟气暴露装置的结构示意图;
图3为本发明中具有两个层级的烟气暴露装置的结构示意图;
图4为利用实施例2的方法暴露不同卷烟烟气对Beas-2b细胞的影响;
图5为采用Vitrocell烟气暴露系统暴露不同卷烟烟气对Beas-2b细胞的影响;
图6为本发明中抽吸泵的负压抽气流速对Beas-2b细胞的影响;
图中:1-吸烟机;2-输送长管;3-稀释管路;4-暴露仓;5-烟气传输分流装置;6-抽气装置;7-进气管路;8-分流装置;80-第一层级分流管路;81-第二层级分流管路;9-出气管路;10-进气调节阀;11-废气净化装置;12-烟气排出管路;13-烟气排出调节阀;14-出气调节阀;15-废气排出管路;16-可控抽气泵;17-废气排出调节阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。
以下实施例中,采用以下烟气暴露装置来实现多通道烟气暴露染毒。
如图2所示,烟气暴露装置包括吸烟机1、烟气传输分流装置5和暴露仓4。
吸烟机1用于模拟人抽烟,以制造烟气。具体的,吸烟机1具有抽气装置6,抽气装置6通过其活塞往复移动抽吸卷烟产生烟气并将烟气向烟气传输分流装置5泵送。吸烟机1具体可以为转盘式、单通道式和直线型吸烟机等中的一种。吸烟机可以根据呼吸频率和吸烟频率设置抽烟和吸气间隔,用以模拟人体吸烟、吸气的状态,也以此保证暴露仓中细胞在烟气暴露实验中氧气的获取。
烟气传输分流装置5包括进气管路7、分流装置8和出气管路9。其中,分流装置8包括封闭壳体。分流装置8的封闭壳体为轴向两端封闭的柱状管,柱状管的侧壁上开设有进气口和多个出气口,进气口和出气口沿柱状管的径向方向相对开设,同时进气口和各出气口沿柱状管的轴向错开,使得进气口与柱状管的壁面相对开设,且进气口位于柱状管轴向的中部,出气口沿柱状管轴向均匀布置。烟气经进气口流入柱状管内腔后,能够冲击在柱状管的腔壁上,在封闭壳体内腔中迅速扩散铺开,使封闭壳体内快速形成一个近似等压的状态,并经各出气口均匀流出。
为便于观察烟气在分流装置8内的流动情况,提高烟气暴露装置使用的方便性,可以采用透明材质制作分流装置的封闭壳体,如采用玻璃、透明塑料等。当然,处于加工制造方便的角度考虑,采用非透明材质制作封闭壳体也并不影响分流装置的使用,如,可以采用不锈钢材质制作封闭壳体。为防止杂物堵塞出气口,只需定期清理封闭壳体内腔即可。
另外,为了防止烟气在分流装置内凝结,分流装置具有保温结构,具体的,在分流装置外侧固定一层外壳体,外壳体与分流装置围成封闭保温腔,同时在外壳体上开设热流入口和热流出口,热流体可经热流入口注入保温腔内,并从热流出口流出。通过向保温腔内通热流可对分流装置进行保温,使分流装置保持与人体体温相当的温度,以防止烟气在封闭壳体内凝结。热流体可以为热水、热油、热气等。
进气口通过进气管路7与吸烟机1的抽气装置6相连,抽气装置6通过进气管路7将烟气泵入分流装置8内腔。为了对进入分流装置8内的烟气的量进行控制,进气管路7上接有进气调节阀10,操作进气调节阀10,能够控制进气管路7的通断及调整进气管路7通流能力的大小,进而调整进入暴露仓4内烟气的量。出于简化装置结构目的考虑,还可以不设置进气调节阀,实验时,通过控制吸烟机的抽气装置的抽吸量来控制进入暴露仓内烟气的量。
出气口通过出气管路9与对应的暴露仓4连通。分流装置8上开设有四个出气口,并且烟气暴露装置具有废气净化装置11,其中三个出气口分别通过出气管路9各自连通一个暴露仓4,剩余一个出气口通过烟气排出管路12与废气净化装置11相连,并且,烟气排出管路12上接有烟气排出调节阀13,操作烟气排出调节阀13,能够控制烟气排出管路12的通断及调整烟气排出管路12通流能力的大小。
实验时,除了操作进气调节阀10调整进入暴露仓4内烟气的量外,可以通过操作烟气排出调节阀13控制烟气排出管路12的通断或调整烟气排出管路12通流能力的大小,来调整烟气进入各暴露仓4内的量。如,需要增大烟气进入暴露仓4内的量时,关闭烟气排出调节阀13,或调小烟气排出管路12的通流能力;需要减小烟气进入暴露仓4内的量时,打开烟气排出调节阀13,或调大烟气排出管路12的通流能力。
烟气排出管路12上设置有气体参数测量仪接口,不需要测量气体参数时,参数测量仪接口处于封闭状态,需要测量经各出气口进入暴露仓4内气体的参数时,可以在气体参数测量仪接口上接气体参数测量仪来探测烟气的参数,为保证烟气经各出气口流速一致,需在参数测量仪与烟气排出管路12中加入与暴露仓4内体积一致的检测小室,这样由于压力环境相同,烟气经各出气口流出的参数相同,因此可以获知进入暴露仓4内烟气的参数,测量仪可以为流量、流速或者气体浓度测量仪。或当连接装置无法保证出气口流速一致时,进入暴露仓烟气剂量按照公式(1)′计算。在其他实施例中,还可以将气体参数测量仪串接在烟气排出管路内测量气体参数。还可以将所有的出气口均与暴露仓相连,通过调节进气调节阀或抽气装置的抽气量来调节进入暴露仓内的烟气量,此时,出气口最少可设置为两个,同时,为便于检测烟气参数,在进气管路连接检测支路,通过在检测支路上连接气体参数测量仪检测气体参数。
各个出气管路9上分别设置有出气调节阀14,出气调节阀14和烟气排出调节阀13的结构相同,仅安装位置不同,操作出气调节阀14,能够控制相应出气管路9的通断。实验时,除了操作进气调节阀10和烟气排出调节阀13来调整进入暴露仓4内烟气量外,可以通过控制各个出气调节阀14的开断来控制与分流装置连通的暴露仓4的数量以调整进入暴露仓4内烟气的量。如,需要增大烟气进入暴露仓4内的量时,关闭部分出气调节阀14,减小与分流装置8连通的暴露仓4的数量即可;需要减小烟气进入暴露仓4内的量时,打开更多的出气调节阀14,增大与分流装置8连通的暴露仓4的数量即可。
实际操作时,可以操作进气调节阀10、烟气排出调节阀13和出气调节阀14中的一个或两个协同或三个协同来调节进入暴露仓4内烟气的量。当使用进气调节阀10、烟气排出调节阀13来调节进入暴露仓4内烟气的量时,可以不设置出气调节阀14。
各个暴露仓4通过废气排出管路15与废气净化装置11相连,具体的,废气排出管路15通过三条支路同时与三个暴露仓4连接,废气排出管路15的各支路以及主路上设置有废气排出调节阀17,以控制废气排出管路的通断和通流能力的大小。如图2所示,废气排气管路15上接有可控抽气泵16。可根据呼吸频率和吸烟频率设置抽气间隔、抽气容量或抽气流速,用以模拟人体吐烟、呼气的状态,也以此保证暴露仓中细胞在烟气暴露实验中的气体交换。通过控制可控抽气泵16的抽气力,维持暴露仓内压力的平衡,避免暴露仓4内压力过大损伤细胞。另一方面,调整可控抽气泵16的抽气力,可以控制烟气在暴露仓4内的烟气停留量和时间。在实验时,一般最末层级的某一分流管路在烟气暴露染毒后,一般连接同一抽气泵,这样由于各个暴露仓的管路情况、抽吸情况相同,可保证烟气在流经该分流管路后是被平均分配到各个暴露仓中。
图2为仅有1个层级的分流管路模式,可设计成多层级分流管路模式,以模拟人体气管树,即烟气通过气管、支气管、细支气管的烟气分流。具体地,以两层级分流管路为例,如图3所示,第一层级分流管路80为1分2分流结构(1个进气口,2个出气口),模拟烟气经口吸入进入气管,在气管分流到左、右支气管;第一层级分流管路的两个分流口再分别两个第二层级分流管路81,第二层级分流管路81为1分4结构,模拟烟气进入左或右支气管后进入细支气管。利用上述过程实现对人体吸入气体经气管树对气体分流传输的模拟,实验结果更加接近真实。
上述装置工作时,进入暴露仓的烟气经暴露仓喇叭口均匀弥漫的分布在暴露仓中并对暴露仓内细胞的进行气态染毒,实现气-液界面染毒。
实施例1
本实施例的体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法,利用上述烟气暴露装置对Beas-2b细胞进行体外抽吸烟气多通道暴露染毒,体外抽吸的烟气不经空气稀释通过烟气传输分流装置平均分流到3个暴露仓中进行三通道烟气暴露染毒,以公式(1)来计算染毒剂量。其中,Z为3口、C为卷烟抽吸最大口数8,I=1/3。
关闭烟气排出调节阀13,全开与三个暴露仓连接的出气调节阀14和废气排出调节阀17,设定抽气泵流速为20mL/min。此时烟气传输分流装置的分流管路的层级数为1,分流数(实际工作的暴露仓数目)为3。
为了验证各分流通道分流的烟气对细胞作用是否有区别,进行了以下验证:
对ISO和Health Canada抽吸模式的烟气发生进入暴露仓的三个通道的流速进行测定并比较是否一致,并在ISO抽吸模式抽吸相同口数空气和烟气,检测三个通道对Beas-2b细胞的作用是否均一,利用CCK-8检测细胞存活率来比较三个通道对细胞作用是否有区别。
表1 ISO和Health Canada两种抽吸方式条件
表2 ISO和Health Canada抽吸条件下进入暴露仓三通道流速(mL/min)
如表2所示,不同的抽吸方式进入三通道的气体流速一致,均为16.4mL/min。
表3 CCK-8检测三个通道下细胞的OD值与存活率
利用单因子方差分析比较三个通道的细胞存活率是否有统计学差异,p=0.705>0.05,则表示三个通道暴露烟气引起的细胞毒性一致。
在其他实施例中,可以根据公式(2)-(4)来评价暴露仓内的染毒剂量。该种应用情况下,由于是对Beas-2b细胞进行3组平行实验,利用该评价结果即可说明不同烟气的致毒效果。通过调整实际工作的暴露仓数量,即可调整暴露仓的分流系数,进而可实现烟气染毒剂量的梯度调整,并进而可以分析细胞在烟气暴露剂量梯度变化情况下的存活率等生理指标。
实施例2
在上述烟气暴露装置的基础上,对烟气传输分流装置设计成两层级分流管路模式,用以模拟烟气在气管树中的分流。
本实施例的体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法,用上述两层级分流管路模拟烟气的两级气管树中的分流,体外抽吸烟气不经稀释,在第一层级分流管路分为2路(模拟人体吸烟时烟气经由左、右支气管分为2路),1路烟气接烟气捕集器(收集烟气),1路烟气接1分4分流结构,1分4分流结构分出的3路烟气分别接3个暴露仓,剩余的1路烟气接烟气捕集器。
根据以上烟气的分流传输,对两种卷烟样品分别抽吸0、2、4、6、8口烟气,对暴露仓中的Beas-2b细胞进行暴露实验,每组不抽吸烟气时进行空气暴露,每组烟气和空气暴露总时长相同(这一暴露方式模拟了人体吸烟和吸空气的过程)。
默认烟气在两层级分流传输管路的分配都是均一时,可根据公式(1)评价暴露仓在该气管树分流模拟情况下的染毒剂量,其中Z分别为0、2、4、6、8,C为卷烟抽吸最大口数8,第二层级的分流管路共有1个,该分流管路的分流数为4,暴露仓烟气的分流系数为1/8。
公式(1)反应了不考虑两层级接烟气捕集器可能造成烟气分配不均匀的情况,分别抽吸0、2、4、6、8口烟气对每个暴露仓进行烟气染毒,分别对应如下染毒剂量:0%支、3.12%支、6.25%支、9.38%支、12.5%支烟的烟气。
根据公式(1)′在考虑烟气在分流装置中接烟气捕集器可能引起烟气分配不均匀的情况下评价暴露仓的染毒剂量,则进入暴露仓的烟气剂量通过测定烟气抽吸产生的总烟气重量和接入分流装置后未进入暴露仓的烟气重量,以此根据公式确定染毒系数,染毒系数是指吸烟、吸气机抽吸的烟气在进入暴露仓中占总生成烟气的比例。本实施例中,经测定,染毒系数为35.4%。
在考虑损失的情况下,每个暴露仓分别抽吸0、2、4、6、8口烟气对每个暴露仓进行烟气染毒,分别对应如下染毒剂量:0%支、2.95%支、5.9%支、8.85%支、11.8%支烟的烟气。样品1和样品2两种卷烟对Beas-2b细胞的影响如图4所示。
由图4的结果可知,样品1的烟气致Beas-2b细胞毒性小于样品2的烟气毒性。
作为对比,以Vitrocell烟气暴露系统的烟气暴露实验:吸烟吸气机端产生的主流烟气分别用流速7.50、3.00、1.00、0.25L/min的合成的洁净空气进行稀释;经不同的空气流速稀释的烟气进入该系统的传输装置并进入暴露仓,0烟气对照组为只抽空气不抽烟,2个样品的每个处理组分别抽吸2支卷烟,共抽吸16口。烟气剂量经公式计算为:0%支、0.12%支、0.27%支、0.57%/支、1%支。
采用Vitrocell烟气暴露系统对样品1、样品2的评价结果如图5所示。
由图5可以看出,样品1的烟气致Beas-2b细胞毒性小于样品2的烟气毒性,实验结果与实施例相同。同时,由于Vitrocell烟气暴露系统对烟气进行了空气稀释,在获取细胞存活的剂量-效应曲线时,相比于实施例烟气未经稀释直接作用细胞,检测样品耗费数量进一步增多。
在其他实施例中,第二层级分流管路的数目可与第一层级分流管路中分流口的数目相同,每一个第二层级分流管路的分流数可相同或不同,根据具体的分流数(实际工作的暴露仓数目)评价相应暴露仓的分流系数I即可。
在实验时,抽吸泵主要是将进入暴露仓内的烟气排出,维持暴露仓内压强处于一定范围内,且不断变化的压强波动对细胞无显著损伤。因此抽吸泵的流速与暴露仓内体积,进入暴露仓内烟气量、空气量,抽吸烟气和空气的频率等相关。根据以上参数设定一定范围内的流速,通过考察在该流速范围下对细胞毒性影响来确定合适的抽吸泵流速,具体是当细胞毒性结果与未暴露流速时的结果差异无统计学意义时,此范围的流速可作为抽吸泵的流速。图6为在与实施例2的相同背景情况下,负压抽吸流速对细胞损伤情况的影响。
由图6可知,30mL/min的流速以内的负压抽吸流速对细胞均无显著性损伤,即在30mL/min的流速以内的负压抽吸流速均符合实验设置。
Claims (3)
1.一种体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法,其特征在于,包括以下步骤:将体外抽吸的烟气,不经空气稀释,通过烟气传输分流装置分流到多个暴露仓中进行多通道烟气暴露染毒,以烟支数、抽吸口数,或者烟支数、抽吸口数对应主流烟气总粒相物、烟碱含量来评价染毒剂量;
所述烟气传输分流装置包括N个层级的分流管路,层级数N=1时,该层级的分流数为Q1;层级数N≥2时,下一层级的分流管路对上一层级分流管路分流出的烟气进一步分流,第i个层级连接第i-1个层级的某一分流管路的分流数为Qi;抽吸的烟气流经每个层级的任一分流管路后被平均分流到暴露仓中;
采用式(1)-(4)评价染毒剂量:
染毒剂量,%口=Z×I×100(2);
式(1)-式(4)中,Z为抽吸烟支总口数;T为一支烟的主流烟气总粒相物;T′为一支烟的烟碱含量;C为一支烟允许的最大抽吸口数;I为暴露仓的分流系数,计算公式为:
或者体外抽吸的烟气一部分分流到暴露仓中进行暴露染毒,另一部分不进入暴露仓暴露染毒,采用式(1)′-(4)′评价染毒剂量:
式(1)′-(4)′中,S为染毒系数,D为允许烟气进入暴露仓的个数;染毒系数计算公式:
M总为体外抽吸烟气的总重量,M捕为不进入暴露仓暴露染毒的烟气重量。
2.如权利要求1所述的体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法,其特征在于,层级数N=1,该层级分流管路的分流数Q1≥2;在多次烟气暴露染毒实验中,通过调整分流数Q1梯度变化,实现染毒剂量的梯度调整。
3.如权利要求1所述的体外抽吸烟气多通道暴露染毒方法,其特征在于,分流管路至少包括第一层级分流管路、第二层级分流管路两个层级,第一层级分流管路的分流数Q1=2,分别模拟左、右支气管;第二层级分流管路对第一层级分流管路分流出的烟气进一步分流,模拟与所述左、右支气管相连的细支气管。
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