采用软光刻技术制备了一种具有代表性的、真实比例的肺泡气道模型，该模型可周期性扩张与收缩，模拟生理呼吸运动。该平台可在芯片上重现呼吸性肺泡区的气流，有望促进对吸入气溶胶在肺泡区域内的动力学行为及沉积特性的实验研究。
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摘要
摘要
量化肺部肺泡深处的呼吸气流特征及其对吸入气溶胶传输的影响，对于优化药物吸入技术以及预测潜在有毒空气颗粒在肺泡中的沉积模式至关重要。本文采用软光刻技术，在真实解剖尺度上制备出复杂的类肺泡气道结构，构建了一个光学可及的系统，可重现生理条件下的肺泡气流现象。该微流控装置包含5代具有周期性扩张与收缩管壁的分支肺泡化导管。通过调节充满水的腔室内部压力，从装置的侧面和顶部作用于薄PDMS肺泡通道壁，实现管壁的驱动。与常见的多层微流控装置（需堆叠多个PDMS模具）不同，本文提出一种简便方法：将注射器的筒体部分嵌入PDMS模具中，从而制备顶部腔室。这种新型微流控装置可实现生理呼吸运动，进而产生典型的肺泡气流。在本研究中，采用悬浮液态颗粒的显微粒子图像测速技术（µPIV），基于流体动力学相似性匹配原理，对上述气流进行量化分析。µPIV结果与预期肺泡气流现象的良好一致性表明，该微流控平台有望在不久的将来成为一种有吸引力的in vitro工具，用于直接研究肺部肺泡区域中代表性空气颗粒的传输与沉积行为。
引言
对肺部远端肺泡区域呼吸气流动力学进行详细量化，对于理解肺泡内的气流混合以及预测吸入气溶胶在最深部气道中的去向至关重要1–3。在一方面涉及吸入污染物颗粒的危害，或另一方面寻求新型策略以改善药物在肺部特定部位的靶向递送时4, 5 ，乃至实现全身性给药，这一方面尤其值得关注。
迄今为止，肺部肺泡区域深处的呼吸气流通常通过计算流体动力学（CFD）进行in silico研究，或 alternatively 采用符合流体动力学相似性匹配的放大比例实验模型进行in vitro研究。在过去的几十年中，CFD 方法 increasingly 被应用于研究肺泡气流现象，从单个肺泡模型6, 7 和肺泡化细支气管8–12 ，发展到更为复杂的in silico模型，后者能够再现解剖结构真实的肺泡树，包含多代肺泡化细支气管以及多达数百个独立的肺泡13–15。
综上所述，数值模拟研究在揭示呼吸过程中肺泡壁运动对肺泡内气流模式的影响方面发挥了关键作用。在无呼吸运动的情况下，静态肺泡腔内存在循环流动，这些流动在肺泡管与肺泡之间不产生任何对流性气体交换6, 7；换句话说，肺泡内的气流将完全独立于肺泡树内的气流，气体交换仅通过扩散机制实现。然而，....
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方案
1. 母版制作
- 采用深反应离子刻蚀（DRIE）对绝缘体上硅（SOI）晶圆进行加工，以制备主硅晶圆，具体方法如先前研究32, 33所述。
注意：由于具有高深宽比的结构特征（40 µm 宽、90 µm 深的沟槽），优先选择 DRIE 而非标准的 SU-8 微加工工艺。
2. 微流控装置的浇铸与密封
- 在洁净的小容器（如塑料称量皿）中，按10:1的质量比混合PDMS和固化剂。
- 将混合物置于真空干燥器中脱气，直至所有气泡完全去除。
注意：请准备足量的PDMS以供后续所有步骤使用。下文中，缩写 "PDMS" 始终指在步骤2.1和2.2中制备的已脱气的10:1 PDMS:固化剂混合物。 - 将脱气后的混合物倒入模具中，使其高度比模板晶圆高出约1 mm。再次在真空干燥器中脱气至少40分钟，以去除晶圆上方的所有气泡，并尽量减少晶圆下方的气泡。
注意：确保晶圆尽可能贴近容器底部。如有必要，可用两根搅拌棒轻轻将晶圆压至底部，并再次脱气。 - 在自然对流烘箱中以65 °C加热固化20分钟。
注意：20分钟后，PDMS已硬化并几乎完全固化。虽然可延长烘烤时间，但20分钟的烘烤已足够节省时间，并有利于提高第二层PDMS与第一层之间的粘附性（见下文）。 - 使用细....
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结果
计算机辅助设计（CAD）与显微镜图像的 体外 腺泡平台的相关内容如下所示 图1仿生腺泡模型包含五代分支状矩形通道，其内壁衬有类似肺泡的圆柱形腔隙（图1）。在此模型中，代数从第1代（最近端的一代）到第5代（最远端的一代）依次编号。请注意，仅有通向第1代的通道入口通过PDMS上的开口与外部环境相通。从第5代引出的16条导管均保持封闭，不与空气连通。图1a）。通过周期性调节腔室内的水压，构成肺泡腔和导管的薄壁会随之发生周期性形变。同时，通过位于导管上方的另一个水室对气道顶部施加垂直方向的形变；为了以简单的方式形成顶部水室，而无需制备额外的微流控层，将注射器筒在PDMS交联前浸入其中。由此形成的PDMS层厚度约为1 mm，用于分隔肺泡化导管与顶部水室（见 图 2).
水室连接至一个注射泵，该注射泵被编程以重复一系列线性递增的流速，模拟普通至深重潮式呼吸下平均成人的呼吸情况，呼吸周期为4秒（T）。这导致气道容积呈周期性地减.......
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讨论
本研究中所呈现的微流控腺泡平台的一个关键特征是其能够重现生理性的呼吸运动，从而在腺泡导管和肺泡内部产生符合生理条件的流动模式和流速。由于微流控通道采用相对较低的高宽比制备（即., wd/h ≈ 3.9，其中 wd 是导管宽度和 h 当量直径为导管高度时，测得的流场表现出比圆形通道中预期的抛物线流速分布更接近柱塞状流动的特征。然而，测得的流速仍处于生理范围之内；研究发现，表征惯性力与黏性力之比的特征无量纲雷诺数在肺泡管中段至远端区域的最大值约为0.01，该结果与半经验估算相符。2.
此处，雷诺数定义为 Re = ūx,最大Dh/ν
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作部分得到了欧洲委员会（FP7 计划）职业整合资助（PCIG09-GA-2011-293604）、以色列科学基金会（资助编号 990/12）以及以色列理工学院环境健康与暴露科学卓越中心（TCEEH）的支持。微流控芯片的微加工在以色列理工学院微纳加工单元（MNFU）完成，并获得了以色列理工学院Russel Berrie纳米技术研究所（RBNI）种子基金的资助。作者感谢Avshalom Shai在深反应离子刻蚀（DRIE）过程中的协助，以及Molly Mulligan和Philipp Hofemeier提供的有益讨论。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚二甲基硅氧烷（PDMS）及固化剂 | Dow Corning | (240)4019862 | Sylgard® 184 硅橡胶弹性体套件 |
| Plastipak 2 ml 注射器 | BD | 300185 | |
| Norm-Ject Luer 滑动式 1 ml 注射器 | Henke Sass Wolf | 4010-200V0 | |
| 1 mm 组织活检打孔器 | Kai Medical | BP-10F | |
| 实验室电晕处理仪 | Electro-Technic Products | BD-20AC | |
| PHD Ultra 注射泵 | Harvard Apparatus | 703006 | |
| 红色染色水性荧光微粒 | Thermo-Scientific | 使用了未编目 0.86 µm 微珠 | |
| 分析纯甘油 | Gadot | 830131320 | |
| FlowMaster MITAS 微粒子图像测速系统（µPIV） | LaVision | 1108630 |
参考文献
- Kleinstreuer, C., Zhang, Z. Airflow and Particle Transport in the Human Respiratory System. Annu. Rev. Fluid Mech. 42 (1), 301-334 (2010).
- Sznitman, J. Respiratory microflows in the pulmonary acinus. J. Biomech. 46 (2), 284-298 (2013).
- Tsuda, A., Henry, F. S., Bu....
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重印与许可
