نموذج ميكروفلويديك من Biomimetically التنفس الرئوي عنيبية الخطوط الجوية

الهدف العام لهذا النظام النموذجي هو تقليد الهندسة وحركة التنفس ل Acinus الرئوي لدراسة أنماط تدفق الهواء Acinar ومسارات الجسيمات الدقيقة المحمولة جوا. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مجال ظواهر النقل في Acinar. مثل تأثيرات الجاذبية والدواء والانتشار على نتائج ترسب الجسيمات.

الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أن التجارب تتم داخل نموذج مقياس واحد لواحد بدلا من نموذج موسع. هذا يسمح بالملاحظة الدقيقة للحركة البراونية للجسيمات. تمتد الآثار المترتبة على هذه التقنية إلى العلاج بالاستنشاق ، لأنه يمكن تحقيق فهم أفضل لترسب الدواء الهباء الجوي.

للبدء ، استخدم النقش الأيوني التفاعلي العميق للسيليكون على رقاقة عازلة لتصنيع رقاقة السيليكون الرئيسية كما هو موضح سابقا. بعد ذلك ، امزج PDMS وعامل المعالجة بنسبة وزن عشرة إلى واحد داخل وعاء صغير نظيف. قم بإزالة الخليط في مجفف تحت التفريغ حتى تتم إزالة كل فقاعات الهواء.

ضع الرقاقة الرئيسية في طبق بتري ، واسكب خليط PDMS منزوع الغازات على ارتفاع حوالي ملليمتر واحد فوق الرقاقة الرئيسية. قم بإزالة PDMS المصبوبة مرة أخرى لمدة 40 دقيقة على الأقل ، حتى تتم إزالة جميع فقاعات الهواء فوق الرقاقة ، ويتم تقليل الفقاعات الموجودة أسفل الرقاقة. تأكد من أن الرقاقة قريبة قدر الإمكان من قاع اللوحة.

إذا لزم الأمر ، اضغط على الرقاقة برفق إلى الأسفل باستخدام عصي التحريك والديغا مرة أخرى. ثم اخبزي PDMS على حرارة 65 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة في فرن حراري طبيعي. أثناء خبز PDMS ، قم بحفظ قسم البرميل من حقنة بلاستيكية سعة ملليلترين ، باستخدام ورق رمل ناعم لتحسين التزامه ب PDMS.

بالإضافة إلى ذلك ، استخدم ورق الرمل لتسطيح قاعدة برميل المحقنة عن طريق وضع ورق الرمل على سطح مستو وتحريك قاعدة برميل المحقنة فوقه. نظف أي حطام من المحقنة باستخدام الهواء المضغوط. ثم ضع الجزء البرميلي من المحقنة فوق طبقة PDMS الأولى بحيث تواجه الفتحة الكبيرة سطح PDMS.

صب طبقة ثانية من PDMS فوق الطبقة الأولى ، على ارتفاع حوالي خمسة ملليمترات ، مع التأكد من عدم دخول PDMS إلى برميل المحقنة. ثم قم بإزالة PDMS مرة أخرى. اخبز الإعداد بالكامل على حرارة 65 درجة مئوية لمدة ساعتين على الأقل في فرن حراري طبيعي لتقوية PDMS.

قم بقص قالب PDMS حول المنطقة المزخرفة من الرقاقة الرئيسية باستخدام مشرط. أثناء القطع ، يجب أن يلمس المشرط سطح الرقاقة بشكل ضعيف. بعد ذلك ، أدخل أداة رفيعة برفق ، مثل ملقط الرقاقة ، في الشق الذي تم إنشاؤه بواسطة المشرط ، وانزع PDMS المصبوب من الرقاقة الرئيسية.

ضع الجبيرة على سطح ناعم مغطى بورق الألمنيوم ، بحيث يكون الجانب المزخرف متجها لأعلى وقم بعمل ثقب في PDMS عند مدخل الغرفة ومدخل القناة ، باستخدام ثقب خزعة بملليمتر واحد. بعد ذلك ، أضف بعضا من PDMS مع عامل المعالجة إلى شريحة زجاجية نظيفة وقم بتدوير طبقة رقيقة عند 3 ، 000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية. ثم اخبز الشريحة على حرارة 65 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة على الأقل.

قم بتنظيف الشريحة وصب PDMS باستخدام شريط سكوتش. عالج أسطح الشريحة الزجاجية المطلية و PDMS المصبوبة ببلازما الأكسجين باستخدام معالج الهالة. لاحظ أنه يجب معالجة كل سطح لمدة دقيقة واحدة على الأقل.

ثم اضغط برفق على الأسطح معا واخبزها طوال الليل على حرارة 65 درجة مئوية. امزج جزيئات البوليسترين الفلورية العالقة بالماء مع الماء والجلسرين في زجاج حقير للحصول على نسبة حجم إلى حجم 64 إلى 36 من الجلسرين إلى الماء تحتوي على 0.25٪ جزيئات بالوزن. بعد ذلك ، ضع قطرة من محلول الجلسرين أعلى مدخل القناة وقطرة من ماء DI على مدخل الغرفة.

ثم ضع الجهاز داخل مجفف واسحب الفراغ لمدة خمس دقائق تقريبا. قبل تحرير الفراغ ، انتظر حتى تنفجر الفقاعات التي تتشكل في قطرات محلول الجلسرين وماء DI. عند إطلاق الفراغ ، يتم سحب السوائل إلى الفراغات داخل الجهاز.

إذا بقي الهواء المتبقي داخل القنوات ، فقم بإزالته عن طريق الضغط الخارجي على السوائل باستخدام حقنة والسماح للهواء بالانتشار في PDMS. بعد ذلك ، قم بحقن حوالي ملليمترين من الماء منزوع الأيونات في الغرفة العلوية حتى تمتلئ بالكامل بالماء. ثم قم بتغطية الغرفة بطرف حقنة حادة عيار 19.

قم بقص طرف طرف حقنة آخر بقياس 19 وأدخل هذا الطرف في مدخل الغرفة الجانبية. قم بتوصيل كلا أطراف المحقنة بحقنة سعة مليلتر واحد باستخدام أنبوب تفلون رفيع وموصل على شكل حرف T. تأكد من أن المحقنة المليلتر الواحد ، وأنابيب التفلون ، والموصل على شكل حرف T ، والغرفة العلوية كلها مملوءة بالماء ، دون أي فقاعات.

بعد ذلك ، قم بتوصيل حقنة المليلتر بمضخة حقنة وقم ببرمجتها لتقليد دورة التنفس الهادئة كما هو موضح في بروتوكول النص المصاحب. من أجل الحصول على صور تناظر الجسيمات الدقيقة ، ضع الجهاز على مسرح المجهر المقلوب. بعد ذلك ، قم بتشغيل ليزر Nd: YAG المزدوج النبضي وقم بتحميل برنامج تحليل الصور على الكمبيوتر.

أثناء تشغيل الجهاز ، احصل على سلسلة من صور الإطار المزدوج المقفلة من تسعة إلى اثني عشر مرحلة لتدفق الجسيمات المصنفة ، باستخدام نظام تناظر vilo لصورة الجسيمات الدقيقة وفقا لمواصفات الشركات المصنعة. للحصول على صور إطار مزدوج مقفلة على الطور ، احصل على سلسلة إطار مزدوج بمعدل 10 هرتز. بعد ذلك، أعد تنظيم البيانات بحيث تشكل جميع الأزواج المؤطرة المفصولة بدورة زمنية كاملة سلسلة زمنية جديدة.

استخدم خوارزمية مجموع الارتباط لحساب خريطة متجه السرعة المقفلة للطور بحيث يكون حقل التدفق الناتج من سلسلة الصور. كرر هذه العملية عدة مرات مع أوقات تأخير متفاوتة بين الإطارين الأول والثاني لكل زوج من الإطارات لحل مناطق التدفق المختلفة داخل التجويف السنخي. بعد ذلك ، استخدم برنامج تحليل البيانات لتجميع خرائط التدفق الفردية معا في خريطة كاملة وعالية التفصيل لأنماط التدفق من خلال حساب متوسط نقاط البيانات المتداخلة.

تتمثل إحدى السمات الحاسمة لمنصة الأسينار الموائع الدقيقة المعروضة هنا في قدرتها على إعادة إنتاج حركات التنفس الواقعية من الناحية الفسيولوجية التي تؤدي إلى ظهور ملامح التدفق الفسيولوجي والسرعات داخل القنوات الأسينار وداخل الحويصلات الهوائية. تظهر ملفات تعريف سرعة التدفق عبر عرض القنوات انخفاضا ثابتا في معدلات التدفق نحو أجيال أسينار أعمق. تظهر ملفات تعريف التدفق بالقرب من التجاويف السنخية وداخلها أن أحجام التدفق تنخفض بشكل حاد على طول فتحة الحويصلات الهوائية.

مما ينتج عنه سرعة تدفق أبطأ من رتبين إلى ثلاثة من حيث الحجم داخل الحويصلات الهوائية مقارنة بالقنوات. بالإضافة إلى ذلك ، تتغير أنماط التدفق بشكل كبير مع زيادة توليد الأسينار. بينما يتميز الجيل الأول بمنطقة إعادة الدوران ، والتي تتزامن تقريبا مع مركز الحويصلات الهوائية ، يتميز الجيل الثالث بمنطقة إعادة التدوير التي تتحول نحو الجانب القريب من الحويصلات الهوائية بنمط خط تيار أكثر انفتاحا.

أخيرا ، لوحظت خطوط تيار شعاعي بدون منطقة إعادة تدوير في الجيل الخامس من الجهاز. بمجرد إتقانها ، يمكن القيام بهذه التقنية في غضون ساعات قليلة إذا تم إجراؤها بشكل صحيح. باتباع هذا الإجراء ، الذي يتيح تصور التدفق في الهندسة الأسينية ، يمكن استخدام المنصة لتتبع الجسيمات المفردة المحمولة جوا من أجل استكشاف ديناميكيات وموقع الجسيمات المستنشقة.