一种仿生呼吸肺泡细支气管微流控模型

该模型系统的主要目标是模拟肺泡的几何结构和呼吸运动，以研究肺泡内的气流模式及空气中微粒的运动轨迹。该方法有助于解答肺泡传输现象领域中的一些关键问题，例如重力、药物和扩散对颗粒沉积结果的影响。

该技术的主要优势在于实验是在一个一比一比例的模型内进行，而不是在放大的模型中进行。这使得能够准确观察颗粒的布朗运动。该技术的应用意义延伸至吸入治疗领域，因为可以更深入地理解气溶胶药物在体内的沉积过程。

首先，采用深反应离子刻蚀技术对绝缘体上硅晶圆进行加工，以制备如前所述的主硅晶圆。接着，在洁净的小容器内按十比一的质量比混合聚二甲基硅氧烷（PDMS）与固化剂。将混合物置于真空干燥器中脱气，直至所有气泡完全去除。

将主模板放入培养皿中，并倒入脱气的PDMS混合物，使其液面高于主模板约1毫米。再次对已倒入的PDMS进行脱气，至少持续40分钟，直至模板上方的气泡完全去除，模板下方的气泡尽可能减少。确保模板尽可能贴近培养皿底部。

如有必要，用两根搅拌棒轻轻将晶片压至底部，并再次进行脱气。然后，在自然对流烘箱中以 65 摄氏度烘烤 PDMS 20 分钟。在 PDMS 烘烤的同时，使用细砂纸打磨塑料 2 毫升注射器的筒体部分，以增强其与 PDMS 的粘附性。

此外，将砂纸平铺在平面上，然后将注射器筒身的底部在砂纸上滑动，以磨平其底部。使用加压空气清除注射器上的任何碎屑。随后将注射器的筒身部分放置在第一层PDMS上，使较大的开口朝向PDMS表面。

在第一层PDMS之上浇注第二层PDMS，厚度约为五毫米，同时确保PDMS不进入注射器筒内。然后再次对PDMS进行脱气处理。将整个装置置于自然对流烘箱中，在65摄氏度下烘烤至少两小时，以固化PDMS。

使用解剖刀沿模具母版上图案区域的周围切割PDMS模具。切割时，解剖刀应轻轻接触母版表面。然后，将一个薄的工具（如晶圆镊子）轻轻插入解剖刀形成的切口处，将PDMS复制品从母版上剥离下来。

将模具放置在覆盖有铝箔的柔软表面上，使图案面朝上，然后使用1毫米活检打孔器在PDMS的腔室入口和通道入口处打孔。接下来，取适量含有固化剂的PDMS滴加到洁净的玻璃载片上，以3,000 RPM转速旋涂30秒，形成一层薄层。随后，将载片在65摄氏度下烘烤至少一小时。

使用透明胶带清洁载玻片和PDMS模具。使用电晕处理仪对涂覆的玻璃载玻片和成型的PDMS表面进行氧等离子体处理。注意每个表面处理时间应至少为一分钟。

然后，轻轻将表面压合在一起，并在65摄氏度下烘烤过夜。将悬浮在水中的荧光聚苯乙烯颗粒与水和甘油在玻璃小瓶中混合，得到体积比为64:36的甘油-水混合液，其中颗粒重量百分比为0.25%。接着，在通道入口上方滴加一滴甘油溶液，在腔室入口上方滴加一滴去离子水。

然后，将装置放入干燥器内，抽真空约五分钟。在释放真空之前，需等待甘油溶液和去离子水液滴中形成的气泡完全破裂。释放真空后，液体将被吸入装置内部的空隙中。

如果通道内仍有残留空气，可通过注射器对液体施加外部压力，使空气扩散至PDMS中以消除残留气泡。接着，向顶部腔室注入约两毫米的去离子水，直至腔室完全充满水。然后，用一个19号钝头注射器针头覆盖该腔室。

剪下另一个钝头19号针头的尖端，并将该尖端插入侧腔入口。使用细的聚四氟乙烯管和T形连接器，将两个针头与一个1毫升注射器连接。确保1毫升注射器、聚四氟乙烯管、T形连接器以及上腔均充满水，且不含任何气泡。

然后，将1毫升注射器连接至注射泵，并编程以模拟安静潮气呼吸循环，具体操作如随附文本方案所述。为了获得微粒速度对称性图像，将装置放置在倒置显微镜的载物台上。接着，打开双脉冲Nd:YAG激光器，并在计算机上启动图像分析软件。

在驱动装置的同时，使用微粒子图像测速系统，按照制造商的 specifications 获取9到12组相位锁定的双帧图像，以观测示踪粒子的流动。为获得相位锁定的双帧图像，以10赫兹采集双帧序列，然后重新组织数据，使所有间隔一个完整周期时间的帧对构成一个新的时间序列。

使用相关性求和算法计算相位锁定的速度矢量图，从而获得图像序列所对应的流场。通过多次重复此过程，每次调整每对图像中第一帧与第二帧之间的时间滞后，以解析肺泡腔内不同区域的流动。接下来，使用数据分析程序将各个独立的流场图进行拼接，通过对重叠数据点取平均值，生成完整且高分辨率的流动模式图。

本文所展示的微流控腺泡平台的一个关键特征，在于其能够重现生理条件下真实的呼吸运动，从而在腺泡导管及肺泡内部产生符合生理条件的流动模式和流速。通道宽度方向上的流速分布显示，随着腺泡代数加深，流速持续下降。靠近及位于肺泡腔内的流动分布表明，沿肺泡开口方向，流速迅速降低。

导致肺泡内的流速比导管内慢两到三个数量级。此外，随着肺泡管代数的增加，流动模式发生显著变化。第一代具有一个再循环区，该区域大致与肺泡中心重合；而第三代的再循环区则向肺泡近端偏移，并呈现出更为开放的流线模式。

最后，在第五代装置中观察到无再循环区域的径向流线。一旦掌握，若操作得当，该技术可在数小时内完成。在完成此可实现肺泡几何结构内流动可视化的操作步骤后，该平台可用于追踪单个空气传播颗粒，以研究吸入颗粒的动力学行为及其位置分布。