مقالة منهجية

نموذج ميكروفلويديك من Biomimetically التنفس الرئوي عنيبية الخطوط الجوية

DOI:

10.3791/53588

⸱

مايو 9, 2016

 , 
1Department of Biomedical Engineering, Technion - Israel Institute of Technology

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم استخدام الطباعة الحجرية الناعمة لإنتاج نموذج تمثيلي حقيقي النطاق للممرات الهوائية الرئوية التي تتوسع وتتقلص بشكل دوري ، وتحاكي حركة التنفس الفسيولوجية. تعيد هذه المنصة إنشاء تدفقات أسينار الجهاز التنفسي على شريحة ، ومن المتوقع أن تسهل التحقيق التجريبي لديناميكيات الهباء الجوي المستنشق والترسب في الأسينوس الرئوي.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

قياس خصائص تدفق الجهاز التنفسي في أعماق عنيبية الرئوية وكيفية تأثيرها على النقل الرزاز المستنشق أمر بالغ الأهمية من أجل تحسين تقنيات استنشاق المخدرات وكذلك التنبؤ بأنماط ترسب الجسيمات العالقة في الهواء السامة في الحويصلات الهوائية الرئوية. هنا، يتم استخدام تقنيات الطباعة الحجرية الناعمة لتصنيع الهياكل الهوائية مثل عنيبية المعقدة في صادقة التشريحية طول المقاييس التي تتكاثر الفسيولوجية الظواهر تدفق عنيبية في نظام الوصول بصريا. ويتميز الجهاز ميكروفلويديك 5 أجيال من bifurcating القنوات البولي مع التوسع بشكل دوري والجدران التعاقد. ويتحقق جدار يشتغل عن طريق تغيير الضغط داخل غرف مملوءة بالماء المحيطة رقيقة الجدران PDMS قناة عنيبية كلا من الجانبين والجزء العلوي من الجهاز. وعلى النقيض من أجهزة ميكروفلويديك متعدد الطبقات المشتركة، التي تتطلب التراص قوالب عدة PDMS، وتقدم طريقة بسيطة لافتعال أعلىغرفة عن طريق دمج قسم برميل من حقنة في القالب PDMS. هذا الإعداد ميكروفلويديك رواية يسلم حركات التنفس الفسيولوجية والتي بدورها تؤدي إلى عنيبية الهواء التدفقات مميزة. في الدراسة الحالية، تم استخدام الجسيمات الصغيرة صورة السرعة بواسطة (μPIV) مع جزيئات السائل مع وقف التنفيذ لتحديد هذا الهواء التدفقات على أساس مطابقة التشابه الهيدروديناميكية. اتفاق جيد بين النتائج μPIV ويتوقع الظواهر تدفق عنيبية تشير إلى أن منصة ميكروفلويديك قد تكون في المستقبل القريب على أنها جذابة في أداة المختبر للتحقيق المحمولة جوا مباشرة نقل الجسيمات تمثيلا وترسب في المناطق عنيبية من الرئتين.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تقدير كمي مفصل لديناميكية تدفق الجهاز التنفسي في القاصي والمناطق البولي الرئتين أمر بالغ الأهمية من أجل فهم تدفق الهواء خلط في عنيبة الرئوي والتنبؤ بمصير باستنشاق الرزاز في أعمق الهوائية 1-3. هذا الجانب الأخير يثير القلق بصفة خاصة عند تناول من ناحية مخاطر الجسيمات الملوثة المستنشقة أو على العكس في السعي استراتيجيات جديدة لتحسين واستهدفت تسليم المخدرات من العلاجات استنشاقه إلى المواقع المحلية الرئة 4، 5، فضلا عن تسليم النظامية.

حتى الآن، التدفقات الجهاز التنفسي في المناطق عنيبية الرئوية عميقة تم التحقيق فيها عادة في سيليكون باستخدام ديناميات الموائع الحسابية (CFD) أو بدلا من ذلك في المختبر مع نماذج تجريبية مصغرة في أعقاب مطابقة التشابه الهيدروديناميكية. في العقود القليلة الماضية، تم تطبيق أساليب CFD على نحو متزايد لدراسة الظواهر تدفق عنيبية، من سينغله نماذج السنخية 6 و 7 و البولي القنوات 12/8 إلى أكثر تفصيلا في نماذج سيليكون تسلط الضوء على تشريحيا واقعية هياكل شجرة عنيبية مع أجيال متعددة من القنوات البولي وتصل إلى عدة مئات من الحويصلات الهوائية الفردية 13-15.

معا، كانت جهود العددية محوريا في تسليط الضوء على دور ونفوذ الحركة الحائط أثناء التنفس الحركات على تلت ذلك أنماط عنيبية تدفق الهواء. في حالة عدم وجود حركة التنفس، وتدفق ثابت الحويصلات الهوائية إعادة تدوير ميزة داخل تجاويف في أن تظهر أي تبادل الحمل الحراري من الهواء بين القناة عنيبية وسنخ 6، 7؛ وبعبارة أخرى، فإن التدفقات السنخية تكون معزولة تماما عن التدفقات داخل الأشجار عنيبية وسوف تبادل الهواء يؤدي فريد من آليات ناشر. مع وجود توسعات دوري المجال السنخية، ومع ذلك، يتم تعديل طبولوجيا تدفق السنخية بشكل كبير ودورة الفتشوبlting أنماط التدفق داخل الحويصلات الهوائية وترتبط ارتباطا وثيقا الموقع من سنخ على طول شجرة عنيبية (على سبيل المثال، الأقرب مقابل أجيال البعيدة).

على وجه الخصوص، فقد تم الافتراض في المحاكاة أن أنماط تدفق السنخية تتأثر بشدة نسبة السنخية إلى الأقنية معدلات التدفق بحيث الأجيال القريبة من شجرة عنيبية الرئوية، حيث أن هذه النسبة كبيرة نسبيا التالية الحفظ الشامل في هيكل شجرة، ميزة تدفقات إعادة تدوير معقدة داخل تجاويف السنخية مع pathlines السوائل لا رجعة فيها. مع كل جيل عنيبية أعمق، فإن نسبة من السنخية لمعدلات تدفق الأقنية يتناقص تدريجيا بحيث أجيال عنيبية البعيدة يحمل يبسط أكثر الشعاعية مثل التي تشبه التضخم بسيطة وانكماش البالون. مع تطور وسائل التصوير الحديثة، البيانات التصوير الرئة 16، 17 من القوارض، بما في ذلك الجرذان والفئران، أدت إلى بعض من أول simul CFDبالجمع التدفقات عنيبية بناؤها تشريحيا في الحويصلات الهوائية التي أعيد بناؤها. وعلى الرغم من هذا التقدم واعد، هذه الدراسات الأخيرة لا تزال محدودة في معالجة الظواهر تدفق الهواء في الأكياس السنخية الطرفية فقط 18 أو 19 أو عدد قليل من الحويصلات الهوائية المحيطة قناة واحدة 20. ونتيجة لذلك، للدولة من بين الفن التحقيقات في الظواهر تدفق الجهاز التنفسي في عنيبة تظل الغلبة فيه الدراسات التي تركز على النوعية هندستها المستوحاة تشريحيا للبيئة عنيبية 2.

على الجانب التجريبي، وقد وضعت مختلف الاجهزة يضم الهوائية مع واحد أو عدة الحويصلات الهوائية على مدى السنوات 21-24. ومع ذلك، وأنه لا توجد هناك نماذج تجريبية من bifurcating الهوائية البولي القادرة على محاكاة التنفس الفسيولوجية من خلال توسيع والتعاقد بطريقة تشبه التنفس. نظرا لعدم وجود منصات التجريبية جذابة في متناول اليد، تبقى دراسة الظواهر النقل عنيبية محدودة فيما يتعلق validaتينغ الدراسات الحسابية وخطيرة، لا تزال هناك ندرة في البيانات التجريبية المتاحة. في السنوات الأخيرة، ما وآخرون (2009) وقد شيد توسيع نطاقها نموذج جامد الجدار من عنيبة تتكون من ثلاثة أجيال عنيبية. ومع ذلك، فإن عدم وجود حركة الجدار في هذا النموذج محدودة قدرتها على التقاط أنماط تدفق السنخية واقعية في ظل الظروف التنفس.

التجارب توسيع نطاقها أخرى بما في ذلك نموذج الجدار المتحرك حسب البيانات التشريحية من الزهر نسخة أدخلت مؤخرا 25. ومع ذلك، منذ نموذج القبض فقط على مشاركة جيلين عنيبية (أي، الحويصلات الطرفية)، فإنه فشل في التقاط تدفقات إعادة تدوير المعقدة التي تتسم بها الأجيال عنيبية أكثر الداني. هذه الأمثلة الأخيرة من التجارب توسيع نطاقها مزيد يؤكد القيود المستمرة مع هذه النهج. على وجه التحديد، وهكذا أثبتت التجربة عدم الموجودة الآن الانتقال افترض من إعادة تدوير شعاعي تدفقات جنبا إلى جنبوعنيبة، وبالتالي تأكيد التنبؤات العددية من طبولوجيا تدفق افترض وجود في الحقيقية الأشجار عنيبية الرئوية 7 و 15، وربما الأهم، والتجارب توسيع نطاقها محدود للغاية في التحقيق في استنشاق الجسيمات النقل والترسيب ديناميات 26 بسبب صعوبات في التوفيق بين كل غير ذات الصلة المعلمات الابعاد (على سبيل المثال، نشر الجسيمات، وآلية النقل الحرجة لالجسيمات شبه ميكرون، وأهملت تماما).

مع التحديات التجريبية الجارية، والمنصات التجريبية الجديدة التي تسمح التحقيقات في تدفق الهواء وديناميكا الجسيمات الجهاز التنفسي في الجدران تتحرك معقدة وسعت شبكات عنيبية. هنا، هو عرض من وحي-تشريحيا في نموذج عنيبية المختبر. يتدفق هذا المنبر ميكروفلويديك يقلد عنيبية الرئوي مباشرة في نطاق عنيبية التمثيلي، ويوسع نطاق متزايد من نماذج الموائع الدقيقة الرئوية 27، بما في ذلك الشعب الهوائية السائل المكونات فلوWS 28-30 و-السنخية الشعرية حاجز 31.

وهي، التصميم الحالي يتميز مبسطة خمسة جيل البولي شجرة الهوائية مع توسيع دوريا والتعاقد الجدران، حيث يتم تحقيق حركات دوري بالضغط السيطرة داخل غرفة المياه التي تحيط PDMS رقيقة الجدران الجانبية والتي تشوه الجدار العلوي عن طريق مياه إضافية غرفة الجلوس مباشرة فوق هيكل عنيبية. على عكس أجهزة ميكروفلويديك متعدد الطبقات المشتركة، وشكلت هذه القاعة ببساطة عن طريق دمج قسم برميل من حقنة داخل جهاز PDMS، و لا يتطلب إعداد قالب PDMS إضافية.

النهج المنمنمة المقدمة هنا يوفر وسيلة بسيطة ومرنة لإعادة إنتاج الهياكل عنيبية معقدة مع تتحرك الجدران بالمقارنة مع نماذج مصغرة حتى أثناء التقاط الخصائص الأساسية للبيئة تدفق عنيبية. هذا البرنامج يمكن استخدامه لفلوث التصور باستخدام الجزيئات مع وقف التنفيذ السوائل داخل الشعب الهوائية (انظر ممثل النتائج أدناه). في المستقبل القريب، سيتم استخدام نموذج مع الجسيمات العالقة في الهواء لدراسة استنشاق عنيبية ديناميكا الجسيمات.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تصنيع 1. ماستر

  1. استخدام عميق النقش على رد الفعل ايون (DRIE) من السيليكون على عازل (أبناء العراق) رقاقة افتعال رقاقة السيليكون الرئيسي كما هو موضح في الأعمال السابقة 32 و 33.
    ملاحظة: يفضل DRIE إلى معيار SU-8 متناهي الصغر نظرا للميزات ارتفاع نسبة الارتفاع (40 ميكرون واسعة و 90 ميكرون الخنادق العميقة).

2. صب وختم الجهاز ميكروفلويديك

  1. مزيج PDMS وكيل علاج في نسبة 10: 1 الوزن داخل وعاء صغير نظيفة مثل طبق من البلاستيك وزنها.
  2. ديغا الخليط في مجفف تحت فراغ حتى تتم إزالة جميع فقاعات الهواء.
    ملاحظة: إعداد ما يكفي من PDMS لجميع الخطوات اللاحقة. هنا أدناه، واختصار "PDMS" يشير دائما إلى نزع الغاز 10: 1 PDMS: خليط علاج وكيل الذي تم إعداده في الخطوات 2.1 و 2.2.
  3. صب-خليط نزع الغاز إلى ارتفاع حوالي 1 ملم فوق رقاقة الرئيسية. ديغا مرة أخرى على الأقل40 دقيقة لإزالة جميع فقاعات الهواء فوق رقاقة والتقليل من فقاعات تحت الرقاقة.
    ملاحظة: تأكد من أن الرقاقة هو أقرب ما يكون إلى أسفل لوحة. إذا صحافة الضروري الرقاقة بلطف إلى أسفل باستخدام 2 العصي التحريك وديغا مرة أخرى.
  4. خبز عند 65 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة في الفرن الحراري الطبيعي.
    ملاحظة: بعد 20 دقيقة من تصلب PDMS وتقريبا شفي تماما. في حين أن وقتا أطول الخبز ممكن الخبز لمدة 20 دقيقة يوفر الوقت ويحسن تمسك طبقة PDMS الثانية (انظر أدناه) لأول واحد.
  5. ملف القسم برميل البلاستيكية حقنة 2 مل باستخدام الرمل ورقة حصى غرامة لتحسين الالتزام PDMS. وبالإضافة إلى ذلك، استخدام ورقة الرمل لشد قاعدة للبرميل حقنة عن طريق وضع الرمل ورقة على سطح مستو والانزلاق قاعدة برميل حقنة على أعلى من ذلك. تنظيف حقنة باستخدام الهواء المضغوط.
  6. وضع قسم برميل من الحقنة في أعلى طبقة PDMS الأولى مع لوس انجليسRGE افتتاح تواجه سطح PDMS، وتصب طبقة ثانية من PDMS على رأس أول واحد على ارتفاع ~ 5 ملم، وديغا في PDMS مرة أخرى في مجفف.
    ملاحظة: يجب سكب طبقة PDMS الثانية من الحاوية الصغيرة في جميع أنحاء برميل، ويجب أن لا تدخل في داخلها.
  7. خبز الإعداد بأكمله عند 65 درجة مئوية لمدة لا تقل عن 2 ساعة في الفرن الحراري الطبيعي.
    ملاحظة: ليست هناك حاجة لعقد برميل في مكان أثناء عمليات المعالجة منذ وزن PDMS الضغط على قاعدة واسعة للبرميل يحمل برميل ثابتا في مكانه.
  8. قطع طريق العفن PDMS في جميع أنحاء المنطقة على نمط من رقاقة سيد باستخدام مشرط. في حين خفض، ينبغي أن مشرط لمس ضعيفة على سطح الرقاقة. ثم، تضاف برفق أداة رقيقة مثل ملقط رقاقة في الشق أنشأتها مشرط، وانزع PDMS يلقي من رقاقة الرئيسية.
  9. ضع الزهر على سطح ناعم مغطاة بورق الألومنيوم مع الجانب منقوشةمواجهة (أي، ينبغي للبرميل تتدلى من حافة الطاولة)، ولكمة ثقب في PDMS في مدخل القاعة وقناة مدخل باستخدام خزعة لكمة 1 مم.
  10. معطف شريحة زجاجية نظيفة مع (نزع الغاز) 10: 1 PDMS: علاج وكيل الخليط باستخدام المغطي تدور المبرمجة في 3000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية، وتخبز لمدة> 1 ساعة على 65 درجة مئوية. ثم، وتنظيف الشريحة وPDMS يلقي باستخدام شريط واضح.
  11. علاج سطح PDMS العفن وPDMS المغلفة شريحة زجاجية مع O 2 البلازما (على سبيل المثال، وذلك باستخدام باليد المفاوض كورونا) لمدة 1 دقيقة، ثم اضغط بلطف على الأسطح معا وخبز عند 65 درجة مئوية بين عشية وضحاها (O / N) .

3. تعبئة جهاز ويشتغل

  1. مزيج الماء الجسيمات العالقة البوليسترين الفلورسنت مع الماء والجلسرين في قارورة زجاجية للحصول على 64/36 (ت / ت) خليط الجلسرين / الماء مع 0.25٪ (وزن / وزن) الجسيمات ..
  2. وضع قطرة من الحل الجلسرين على رأس مدخل القناة وقطرة من DI واتإيه على مدخل القاعة، ثم وضع الجهاز داخل المجفف وفراغ ل~ 5 دقائق.
    ملاحظة: قبل الإفراج عن الانتظار فراغ لفقاعات التي تشكل في قطرات من محلول الجلسرين والماء DI لموسيقى البوب. بعد الإفراج فراغ وامتص السوائل في الفراغات داخل الجهاز. إذا يبقى الهواء المتبقي داخل القنوات، القضاء عليه عن طريق الضغط الخارجي على السوائل (على سبيل المثال، باستخدام حقنة) والسماح للهواء أن ينتشر في PDMS.
  3. حقن ~ 2 مل من الماء DI في الغرفة العليا (أي برميل حقنة، الشكل 2B) حتى يمتلئ تماما مع المياه. ثم تغطية غرفة أعلى مع 19 مقياس حقنة حادة طرف، وقطع غيض من كليلة 19 مقياس حقنة طرف آخر، وإدراج هذا تلميح إلى مدخل غرفة جانبية. ربط كل من نصائح حقنة لحقنة 1 مل عبر أنابيب تفلون رقيقة وموصل على شكل حرف T.
    ملاحظة: تأكد من أن حقنة 1 مل، وأنابيب تفلون، على شكل حرف T-موصل وغرفة العليا (2 مل حقنة برايل) وامتلأ الجميع من الماء دون فقاعات. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق فتح نقاط اتصال، ودفع المياه من خلال أقسام فارغة من الأنابيب وإعادة ربط نقاط الاتصال.
  4. ربط حقنة 1 مل إلى ضخ حقنة مبرمجة مسبقا لتقليد على سبيل المثال دورة التنفس المد والجزر الهادئة (مع فترة T = 4 ثانية) التي شيدت من سلالم الخطية، أي من صفر إلى 1.8 مل / دقيقة في 1 ثانية، من 1.8 مل / دقيقة إلى -1.8 مل / دقيقة في 2 ثانية ومن -1.8 مل / دقيقة الى نقطة الصفر في 1 ثانية.

4. تدفق التجارب التصور: مايكرو الجسيمات صورة السرعة بواسطة (μPIV)

  1. بينما يتم دفعتها الجهاز، للحصول على سلسلة من 9-12 مرحلة غير الساحلية، صور مزدوج الإطار من تدفق الجسيمات المصنف باستخدام الجسيمات الصغيرة صورة (μPIV) نظام السرعة بواسطة تتكون مثلا من الإطار المتعدد المزدوج التعرض لاتفاقية مكافحة التصحر كاميرا (على سبيل المثال، 1600 × 1200 بكسل لتحقيق حل كاف)، وضعف نابض بدون تاريخ، ان دي ليزر (الطول الموجي: 532 نانومتر، خرج الطاقة: 400 ميغا جول، مدة النبضة: 4 NSEC)، ومجهر مقلوب.
    ملاحظة: هذا النظام قادر على الحصول على إطار أزواج بفارق زمني من أسفل إلى بضعة ميكروثانية بين الإطارات الأول والثاني. لتحقيق إطار مزدوج الصور غير الساحلية المرحلة، فإنه من المفيد للحصول على إطار سلسلة مزدوجة في على سبيل المثال.، 10 هرتز (يتم فصل أزواج الإطار من جانب 0.1 ثانية عن بعضها البعض). ثم، يمكن إعادة تنظيم البيانات حتى يتسنى لجميع أزواج الإطار الذي يتم فصلها بواسطة وقت دورة كاملة (هنا T = 4 ثانية) تشكل سلسلة زمنية جديدة. الحصول على الصور وينبغي تكرار عدة مرات أثناء تعديل الفارق الزمني بين الإطارات الأول والثاني في كل زوج الإطار (أي، 100 μsec إلى 0.1 ثانية) لتسوية مناطق تدفق مختلفة داخل تجويف السنخي.
    ملاحظة: الاجهزة البديلة فيما يتعلق أفضل مزيج من أنظمة الحصول على الصور (. أي كاميرا) والإضاءة مصادر (أي ليزر) إلى صورة مثل هذهmicroflows تتوفر أيضا 34 و 35.
  2. استخدام خوارزمية مبلغ من الارتباط لحساب الخرائط سرعة ناقل مرحلة غير الساحلية في مجال تدفق الناتجة عن سلسلة صورة لكل تأخر الوقت المستخدم. كرر هذه العملية عدة مرات مع أوقات تأخر متفاوتة بين الإطارات الأول والثاني في كل زوج إطار لتسوية مناطق تدفق مختلفة داخل تجويف السنخي. بعد ذلك، استخدام برنامج تحليل البيانات لغرزة معا خرائط تدفق الفردية في خريطة كاملة ومفصلة عالية من أنماط التدفق عن طريق حساب متوسط ​​نقاط البيانات المتداخلة 33.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وتعرض التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) والمجهر صور في المختبر منصة عنيبية في الشكل. 1، ويتميز نموذج عنيبية بيوميمتيك خمسة أجيال من المتفرعة قنوات مستطيلة واصطف مع تجاويف أسطواني يشبه السنخية (الشكل 1). هنا، يتم ترقيم أجيال نموذج من الجيل 1 (للجيل الأكثر الداني) إلى جيل 5 (للجيل الأكثر البعيدة). لاحظ أن فقط مدخل القناة مما يؤدي إلى توليد 1 مفتوح للبيئة الخارجية عن طريق فتحة في PDMS. يتم ترك القنوات 16 يقود بعيدا من جيل 5 مغلقة في الهواء

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وهناك ميزة هامة من منصة عنيبية ميكروفلويديك المقدمة هنا هو قدرته على إعادة إنتاج حركات التنفس من الناحية الفسيولوجية واقعية التي تؤدي إلى ملامح تدفق الفسيولوجية والسرعات داخل القنوات عنيبية وداخل الحويصلات الهوائية. منذ يتم إنتاج قنوات ميكروفلويديك مع الجانب نسبة منخفضة نسبيا (أي.، ث د / ح ≈ 3.9، حيث ث d هو عرض القناة وح هو ارتفاع لاصق)، والتدفقات قياس تظهر المزيد من الخصائص تدفق مثل المكونا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل المفوضية الأوروبية (برنامج FP7) من خلال منحة الاندماج الوظيفي (PCIG09-GA-2011-293604) ، ومؤسسة العلوم الإسرائيلية (منحة رقم 990/12) ومركز التخنيون للتميز في الصحة البيئية وعلوم التعرض (TCEEH). تم إجراء التصنيع الدقيق لرقائق الموائع الدقيقة في وحدة تصنيع النانو الدقيقة (MNFU) في التخنيون وبدعم من منحة أولية من معهد راسل بيري لتكنولوجيا النانو (RBNI) في التخنيون. يشكر المؤلفون أفشالوم شاي على المساعدة أثناء النقش الأيوني التفاعلي العميق (DRIE) ومولي موليجان وفيليب هوفماير على المناقشات المفيدة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
بولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) وعامل المعالجةداو كورنينج(240) 4019862سيلجارد & ريج ؛ 184 سيليكون مطاط
بلاستيباك 2 مل حقنةBD300185
Norm-Ject Luer زلة 1 مل حقنةHenke Sass Wolf 4010-200V0
1 مم خزعة لكمةكاي الطبيةBP-10F
مختبر علاجكوروناالمنتجات الكهربائية التقنيةBD-20AC
PHD مضخة حقنة فائقةاللحنة جهاز هارفارد703006
مصبوغ باللون الأحمر جزيئات الفلورسنتالحرارية العلميةغير المحفزة 0.86 & تم استخدام حبات
m Glycerin ARGadot830131320
FlowMaster MITAS لقياس سرعة صورة الجسيمات الدقيقة (& micro; PIV) نظام LaVision1108630
الصناعي كيت

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kleinstreuer, C., Zhang, Z. Airflow and Particle Transport in the Human Respiratory System. Annu. Rev. Fluid Mech. 42 (1), 301-334 (2010).
  2. Sznitman, J. Respiratory microflows in the pulmonary acinus. J. Biomech. 46 (2), 284-298 (2013).
  3. Tsuda, A., Henry, F. S., Butler, J. P. Gas and aerosol mixing in the acinus. Respir. Physiol. Neurobiol. 163 (1-3), 139-149 (2008).
  4. Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Donohue, J. F. Targeted Drug-Aerosol Delivery in the Human Respiratory System. Annu. Rev. Biomed. Eng. 10 (1), 195-220 (2008).
  5. Semmler-Behnke, M., Kreyling, W. G., Schulz, H., Takenaka, S., Butler, J. P., Henry, F. S., Tsuda, A. Nanoparticle delivery in infant lungs. Proc. Natl. Acad. Sci. 109 (13), 5092-5097 (2012).
  6. Sznitman, J., Heimsch, F., Heimsch, T., Rusch, D., Rosgen, T. Three-Dimensional Convective Alveolar Flow Induced by Rhythmic Breathing Motion of the Pulmonary Acinus. J. Biomech. Eng. 129 (5), 658-665 (2007).
  7. Tsuda, A., Henry, F. S., Butler, J. P. Chaotic mixing of alveolated duct flow in rhythmically expanding pulmonary acinus. J. Appl. Physiol. 79 (3), 1055-1063 (1995).
  8. Henry, F. S., Butler, J. P., Tsuda, A. Kinematically irreversible acinar flow: a departure from classical dispersive aerosol transport theories. J. Appl. Physiol. 92 (2), 835-845 (2002).
  9. Kumar, H., Tawhai, M. H., Hoffman, E. A., Lin, C. L. The effects of geometry on airflow in the acinar region of the human lung. J. Biomech. 42 (11), 1635-1642 (2009).
  10. Lee, D. Y., Lee, J. W. Characteristics of particle transport in an expanding or contracting alveolated tube. J. Aerosol Sci. 34 (9), 1193-1215 (2003).
  11. Tsuda, A., Butler, J. P., Fredberg, J. J. Effects of alveolated duct structure on aerosol kinetics. I. Diffusional deposition in the absence of gravity. J. Appl. Physiol. 76 (6), 2497-2509 (1994).
  12. Tsuda, A., Butler, J. P., Fredberg, J. J. Effects of alveolated duct structure on aerosol kinetics. II. Gravitational sedimentation and inertial impaction. J. Appl. Physiol. 76 (76), 2510-2516 (1994).
  13. Ma, B., Darquenne, C. Aerosol bolus dispersion in acinar airways—influence of gravity and airway asymmetry. J. Appl. Physiol. 113 (3), 442-450 (2012).
  14. Ma, B., Darquenne, C. Aerosol deposition characteristics in distal acinar airways under cyclic breathing conditions. J. Appl. Physiol. 110 (5), 1271-1282 (2011).
  15. Heimsch, J., Sznitman, T., Wildhaber, J. H., Tsuda, A., Rösgen, T. Respiratory Flow Phenomena and Gravitational Deposition in a Three-Dimensional Space-Filling Model of the Pulmonary Acinar Tree. J. Biomech. Eng. 131 (3), 031010(2009).
  16. Litzlbauer, H. D., Korbel, K., Kline, T. L., Jorgensen, S. M., Eaker, D. R., Bohle, R. M., Ritman, E. L., Langheinrich, A. C. Synchrotron-Based Micro-CT Imaging of the Human Lung Acinus. Anat. Rec. Adv. Integr. Anat. Evol. Biol. 293 (9), 1607-1614 (2010).
  17. Tsuda, A., Filipovic, N., Haberthür, D., Dickie, R., Matsui, Y., Stampanoni, M., Schittny, J. C. Finite element 3D reconstruction of the pulmonary acinus imaged by synchrotron X-ray tomography. J. Appl. Physiol. 105 (3), 964-976 (2008).
  18. Berg, E. J., Weisman, J. L., Oldham, M. J., Robinson, R. J. Flow field analysis in a compliant acinus replica model using particle image velocimetry (PIV). J. Biomech. 43 (6), 1039-1047 (2010).
  19. Sznitman, J., Sutter, R., Altorfer, D., Stampanoni, M., Rösgen, T., Schittny, J. C. Visualization of respiratory flows from 3D reconstructed alveolar airspaces using X-ray tomographic microscopy. J. Vis. 13 (4), 337-345 (2010).
  20. Henry, F. S., Haber, S., Haberthür, D., Filipovic, N., Milasinovic, D., Schittny, J. C., Tsuda, A. The Simultaneous Role of an Alveolus as Flow Mixer and Flow Feeder for the Deposition of Inhaled Submicron Particles. J. Biomech. Eng. 134 (12), 121001(2012).
  21. Chhabra, S., Prasad, A. K. Flow and Particle Dispersion in Lung Acini: Effect of Geometric and Dynamic Parameters During Synchronous Ventilation. J. Fluids Eng. 133 (7), 071001(2011).
  22. Cinkotai, F. F. Fluid flow in a model alveolar sac. J. Appl. Physiol. 37 (2), 249-251 (1974).
  23. Karl, A., Henry, F. S., Tsuda, A. Low reynolds number viscous flow in an alveolated duct. J. Biomech. Eng. 126 (4), 420-429 (2004).
  24. Tippe, A., Tsuda, A. recirculating flow in an expanding alveolar model: experimental evidence of flow-induced mixing of aerosols in the pulmonary acinus. J. Aerosol Sci. 31 (8), 979-986 (2000).
  25. Berg, E. J., Robinson, R. J. Stereoscopic particle image velocimetry analysis of healthy and emphysemic alveolar sac models. J. Biomech. Eng. 133 (6), 061004(2011).
  26. Ma, B., Ruwet, V., Corieri, P., Theunissen, R., Riethmuller, M., Darquenne, C. CFD simulation and experimental validation of fluid flow and particle transport in a model of alveolated airways. J. Aerosol Sci. 40 (5), 403-414 (2009).
  27. Kumar Mahto, S., Tenenbaum-Katan, J., Sznitman, J. Respiratory Physiology on a Chip. Scientifica. 2012, e364054(2012).
  28. Huh, D., Fujioka, H., Tung, Y. C., Futai, N., Paine, R., Grotberg, J. B., Takayama, S. Acoustically detectable cellular-level lung injury induced by fluid mechanical stresses in microfluidic airway systems. Proc. Natl. Acad. Sci. 104 (48), 18886-18891 (2007).
  29. Song, Y., Baudoin, M., Manneville, P., Baroud, C. N. The air–liquid flow in a microfluidic airway tree. Med. Eng. Phys. 33 (7), 849-856 (2011).
  30. Tavana, H., Huh, D., Grotberg, J. B., Takayama, S. Microfluidics, Lung Surfactant, and Respiratory Disorders. Lab Med. 40 (4), 203-209 (2009).
  31. Huh, D., Matthews, B. D., Mammoto, A., Montoya-Zavala, M., Hsin, H. Y., Ingber, D. E. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip. Science. 328 (5986), 1662-1668 (2010).
  32. Pihl, J., Sinclair, J., Sahlin, E., Karlsson, M., Petterson, F., J, O. lofsson, Orwar, O. Microfluidic Gradient-Generating Device for Pharmacological Profiling. Anal. Chem. 77 (13), 3897-3903 (2005).
  33. Fishler, R., Mulligan, M. K., Sznitman, J. Acinus-on-a-chip: A microfluidic platform for pulmonary acinar flows. J. Biomech. 46 (16), 2817-2823 (2013).
  34. Lindken, R., Rossi, M., Grosse, S., Westerweel, J. Micro-Particle Image Velocimetry (microPIV): recent developments, applications, and guidelines. Lab. Chip. 9 (17), 2551-2567 (2009).
  35. Wereley, S. T., Meinhart, C. D. Recent Advances in Micro-Particle Image Velocimetry. Annu. Rev. Fluid Mech. 42 (1), 557-576 (2010).
  36. Bruus, H. Theoretical Microfluidics. Oxford Master Series in Condensed Matter Physics. , (2008).
  37. Haefeli-Bleuer, B., Weibel, E. R. Morphometry of the human pulmonary acinus. Anat. Rec. 220 (4), 401-414 (1988).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

PDMS

مقالات ذات صلة