Le particelle che costituiscono l'aerosol, inalate attraverso la bocca ed il naso; penetrano nelle vie respiratorie venendo a contatto con laringe, faringe, trachea, bronchi ed infine raggiungono i polmoni (mucosa bronchiale ed alveoli). Ciò avviene rispettando precise leggi di cinetica quali: l'impatto inerziale, la sedimentazione gravitazionale, la diffusione.

Impatto inerziale

Si parla di impatto inerziale quando una particella dell'aerosol non riesce a compiere un cambio improvviso di direzione. Ciò avviene per due motivi: o la particella è troppo veloce o è troppo grande. La probabilità d'impatto aumenta proporzionalmente alla velocità del flusso aereo e all'aumento delle dimensioni della particella. L'impatto inerziale si verifica in condizioni di flusso elevato per brusche variazioni di direzione delle vie aeree. Le particelle seguono una direzione retta ed impattano al primo ostacolo anatomico. E' il più importante meccanismo di deposizione delle particelle nelle vie aeree superiori, faringe e  bronchi di maggior diametro.

Sedimentazione Gravitazionale

E' il meccanismo che determina in particolare la deposizione nelle vie aeree periferiche;si verifica in condizione di bassi flussi inspiratori; durante la pausa respiratoria, le particelle che hanno una densità superiore a quelle dell’aria tendono a depositarsi specie a livello delle piccole vie aeree; è governato da forze gravitazionali ed è un processo tempo-dipendente. La sedimentazione delle particelle è condizionata dalla loro dimensione. Tanto minore è la grandezza delle particelle tanto maggiore è la loro capacità penetrativa nell'albero bronchiale (DAMM=diametro aerodinamico mediano di massa). Altri fattori che condizionano la diffusione riguardano l'omogeneicità delle particelle: sarebbe ideale che fossero tutte della stessa dimensione, mentre in realtà negli aerosol i diametri delle particelle sono diversi (aerosol eterodispersi); il tipo di respirazione (in generale, un’alta frequenza respiratoria aumenta la deposizione orofaringea, mentre una bassa frequenza favorisce la deposizione nelle vie aeree più piccole),il calibro delle vie aeree, l'igroscopicità dell'aerosol.

Diffusione

La diffusione si verifica in condizioni di flusso nullo in cui le particelle si muovono in tutte le direzioni per effetto di un movimento casuale  (moto browniano). E' il più importante meccanismo di deposizione nei bronchioli e negli alveoli. Interessa particelle con diametro <0,1μm. La deposizione delle particelle di farmaco nebulizzate oltre ad essere influenzata dai principi di cinetica sopra elencati, dipende anche da altri fattori non meno importanti:(1). Fattori condizionanti la deposizione degli aerosol nelle vie aeree (da: Pneumologia pediatrica, volume 3, numero 12, dicembre 2003.)

Morfologia delle vie respiratorie

Le particelle in aerosol, una volta superati gli orifizi nasali e/o l’orofaringe raggiungono la trachea. Al termine della trachea le vie aeree si dividono dicotomicamente per 27 volte e l’area della sezione delle vie aeree incrementa di circa 500 volte, comportando una  proporzionale caduta della velocità dei flussi  aerei. Il loro comportamento diviene allora dipendente da due varianti: l’impatto inerziale e l’impatto gravitazionale. Le particelle aerosolizzate, quando incontrano la biforcazione bronchiale, sono costrette ad effettuare un repentino mutamento della direzione ed affrontano due percorsi curvilinei diversi ed asimmetrici: uno caratterizzato da un’angolazione di 45° e l’altro di 70° gradi. La forza centrifuga si oppone al compimento della curva e tende a far proseguire le particelle di massa più elevata lungo la traiettoria iniziale, facilitandone l’impatto, per inerzia, sulle pareti delle vie respiratorie. In particolare, questo fenomeno è più probabile nel bronco che presenta angolazione più stretta (45°) rispetto alla trachea, mentre, nel bronco controlaterale, caratterizzato da una svolta di angolazione meno brusca, diventa prevalente la forza di gravità e quindi la deposizione avviene per sedimentazione, soprattutto per le particelle di massa più elevata. La deposizione per inerzia ha quindi maggiore rilevanza nella prima porzione successiva alla biforcazione, ove la velocità è più elevata e rappresenta il parametro più influente, gli effetti gravitazionali si fanno invece sentire maggiormente nelle porzioni più distali delle vie respiratorie, ove si verifica una progressiva riduzione della velocità; la massa delle particelle ha, in questo caso, un ruolo importante.

Caratteristiche dei flussi aerei che veicolano le particelle.

Le particelle aerosolizzate godono di un moto vorticoso impresso loro dalle contrazioni muscolari della laringe e dalle successive variazioni di sezione delle vie aeree e, solo nel tratto successivo ai bronchi segmentari i flussi d’aria che le veicolano divengono laminari. Inoltre, come già ricordato sopra, la velocità del flusso d’aria, essendo  inversamente proporzionale all’area della sezione,  può subire una riduzione di circa un decimo nel percorso dalle vie nasali alla trachea e poi un’ulteriore caduta nel passaggio dai bronchi principali (1 m/sec) ai bronchioli terminali (1 cm/sec). Le caratteristiche dei flussi d’aria sono però influenzate da frequenza respiratoria e volume corrente, che determinano una grande variabilità nella deposizione delle particelle aerosolizzate: in caso di bassa frequenza respiratoria e di basso volume corrente le particelle aerosolizzate mantengono una velocità abbastanza uniforme nei vari tratti delle vie respiratorie (dalla trachea agli alveoli), mentre ricevono una sensibile accelerazione, nelle prime porzioni bronchiali quando questi parametri respiratori aumentano.

Caratteristiche delle particelle (e dell’aerosol).

Le particelle aerosolizzate sono trasportate in modo differenziato a seconda del Diametro Aerodinamico Mediano di Massa (DAMM). IL DAMM è il diametro  che divide la massa totale dell’aerosol in due parti uguali di cui una composta da particelle con diametro inferiore a quello indicato e l’altra con diametro superiore, riferito alla particella sferica di densità unitaria ed avente la stessa velocità di sedimentazione. IL DAMM rappresenta il più importante fattore discriminante per il superamento del tratto faringo-laringeo e gioca un ruolo selettivo nel percorso successivo delle vie respiratorie (4). Le particelle possono raggiungere le vie aeree inferiori se presentano un diametro inferiore a 5 mm.

Per particelle con DAMM compreso tra 1,0 e 5 mm, la deposizione nelle vie respiratorie avviene per impatto o sedimentazione, ma tanto più si riducono le loro dimensioni e tanto più viene sfruttata la diffusione browniana (vedi sopra punto c), con la possibilità di raggiungere le parti più periferiche delle vie bronchiali (5, 6). Particelle con dimensioni maggiori di 10 mm si depositano prevalentemente nella bocca e nella faringe, mentre particelle minori di 0,5 mm raggiungono gli alveoli polmonari e successivamente vengono espirate senza depositarsi nei polmoni. La deposizione delle particelle nelle vie respiratorie è influenzata anche dalla loro capacità di modificarsi in dimensione assorbendo umidità (potere  igroscopico) e dalla loro carica elettrica (7, 8). Gli effetti legati alla carica elettrica sono particolarmente evidenti per le particelle di dimensioni inferiori al mm e si traducono in un’attrazione (e conseguente progressione delle stesse verso altra sede).