Ein Mikrofluidik-Modell bionisch Atem Pulmonary acinar Airways

Das übergeordnete Ziel dieses Modellsystems ist es, die Geometrie und die Atembewegung des Lungenacinus nachzuahmen, um die Luftströmungsmuster von Azinus und die Flugbahnen von Mikropartikeln in der Luft zu untersuchen. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen auf dem Gebiet der Azinustransportphänomene zu beantworten. Zum Beispiel die Auswirkungen von Schwerkraft, Wirkstoff und Diffusion auf die Ergebnisse der Partikelabscheidung.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die Experimente in einem Modell mit Eins-zu-Eins-Maßstab und nicht in einem vergrößerten Modell durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine genaue Beobachtung der Brownschen Bewegung der Partikel. Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auch auf die Inhalationstherapie, da ein besseres Verständnis der aerosolisierten Wirkstoffabscheidung erreicht werden kann.

Verwenden Sie zunächst das tiefe reaktive Ionenätzen eines Siliziums auf einem Isolatorwafer, um einen Master-Siliziumwafer herzustellen, wie zuvor beschrieben. Mischen Sie als Nächstes das PDMS und das Härtungsmittel in einem Gewichtsverhältnis von zehn zu eins in einem sauberen kleinen Behälter. Entgasen Sie das Gemisch in einem Exsikkator unter Vakuum, bis alle Luftblasen entfernt sind.

Legen Sie den Master-Wafer in eine Petrischale und gießen Sie das entgaste PDMS-Gemisch bis zu einer Höhe von etwa einem Millimeter über dem Master-Wafer. Entgasen Sie das gegossene PDMS erneut für mindestens 40 Minuten, bis alle Luftblasen über dem Wafer entfernt und die Blasen unter dem Wafer minimiert sind. Achten Sie darauf, dass sich der Wafer so nah wie möglich am Boden der Platte befindet.

Bei Bedarf den Wafer mit zwei Rührstäbchen vorsichtig auf den Boden drücken und noch einmal entgasen. Anschließend das PDMS bei 65 Grad Celsius 20 Minuten im Naturumluftofen backen. Während das PDMS backt, feilen Sie den Zylinderteil einer Zwei-Milliliter-Kunststoffspritze mit einem feinen Schleifpapier ab, um die Haftung am PDMS zu verbessern.

Verwenden Sie außerdem das Schleifpapier, um den Boden des Spritzenzylinders zu glätten, indem Sie das Schleifpapier auf eine ebene Fläche legen und den Boden des Spritzenlaufs darauf schieben. Entfernen Sie alle Rückstände von der Spritze mit Druckluft. Legen Sie dann den Zylinderteil der Spritze auf die erste PDMS-Schicht, wobei die große Öffnung zur Oberfläche des PDMS zeigt.

Gießen Sie eine zweite Schicht PDMS auf die erste Schicht bis zu einer Höhe von etwa fünf Millimetern, wobei Sie darauf achten, dass das PDMS nicht in den Zylinder der Spritze eindringt. Entgasen Sie dann das PDMS erneut. Backen Sie das gesamte Setup bei 65 Grad Celsius für mindestens zwei Stunden in einem natürlichen Heißluftofen, um das PDMS zu härten.

Schneiden Sie mit einem Skalpell durch die PDMS-Form um den gemusterten Bereich des Master-Wafers. Während des Schneidens sollte das Skalpell die Oberfläche des Wafers schwach berühren. Führen Sie dann vorsichtig ein dünnes Werkzeug, z. B. eine Wafer-Pinzette, in die vom Skalpell erzeugte Kerbe ein und ziehen Sie den PDMS-Guss vom Master-Wafer ab.

Legen Sie den Abdruck auf eine weiche Oberfläche, die mit Aluminiumfolie bedeckt ist, so dass die gemusterte Seite nach oben zeigt, und stanzen Sie mit einem Ein-Millimeter-Biopsiestempel ein Loch in das PDMS am Kammereinlass und am Kanaleinlass. Geben Sie anschließend etwas PDMS mit Härter auf einen sauberen Objektträger und schleudern Sie eine dünne Schicht 30 Sekunden lang bei 3.000 U/min. Dann die Folie bei 65 Grad Celsius mindestens eine Stunde backen.

Reinigen Sie den Objektträger und den PDMS-Guss mit Klebeband. Behandeln Sie die Oberflächen des beschichteten Objektträgers und des geformten PDMS mit Sauerstoffplasma unter Verwendung eines Koronabehandlers. Beachten Sie, dass jede Oberfläche mindestens eine Minute lang behandelt werden sollte.

Anschließend die Flächen vorsichtig zusammendrücken und über Nacht bei 65 Grad Celsius backen. Mischen Sie wassersuspendierte fluoreszierende Polystyrolpartikel mit Wasser und Glycerin in einem Glas, um ein Volumen-zu-Volumen-Verhältnis von 64 zu 36 von Glycerin zu Wasser mit 0,25 Gew.-% Partikeln zu erhalten. Geben Sie als Nächstes einen Tropfen der Glycerinlösung auf den Kanaleinlass und einen Tropfen DI-Wasser auf den Kammereinlass.

Stellen Sie dann das Gerät in einen Exsikkator und ziehen Sie ein Vakuum für etwa fünf Minuten. Warten Sie, bevor Sie das Vakuum lösen, bis die Blasen, die sich in den Tropfen Glycerinlösung und DI-Wasser bilden, platzen. Beim Lösen des Vakuums werden die Flüssigkeiten in die Hohlräume im Inneren des Geräts gezogen.

Wenn Restluft in den Kanälen verbleibt, beseitigen Sie diese, indem Sie mit einer Spritze externen Druck auf die Flüssigkeiten ausüben und die Luft in das PDMS diffundieren lassen. Als nächstes injizieren Sie etwa zwei Millimeter entionisiertes Wasser in die obere Kammer, bis sie vollständig mit Wasser gefüllt ist. Decken Sie dann die Kammer mit einer stumpfen Spritzenspitze von 19 Gauge ab.

Schneiden Sie die Spitze einer anderen stumpfen 19-Gauge-Spritzenspitze ab und stecken Sie diese Spitze in den Einlass der Seitenkammer. Verbinden Sie beide Spritzenspitzen mit einer Ein-Milliliter-Spritze mit einem dünnen Teflonschlauch und einem T-förmigen Anschluss. Stellen Sie sicher, dass die Ein-Milliliter-Spritze, der Teflonschlauch, der T-förmige Anschluss und die obere Kammer alle mit Wasser gefüllt sind, ohne Blasen.

Schließen Sie dann die Ein-Milliliter-Spritze an eine Spritzenpumpe an und programmieren Sie sie so, dass sie einen ruhigen Atemzyklus nachahmt, wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben. Um Bilder der Mikropartikel-Vilo-Symmetrie zu erhalten, stellen Sie das Gerät auf den Tisch eines inversen Mikroskops. Schalten Sie dann den doppelt gepulsten Nd:YAG-Laser ein und laden Sie die Bildanalysesoftware auf den Computer.

Während die Vorrichtung betätigt wird, erhalten Sie eine Reihe von neun bis zwölf phasengekoppelten Doppelbildbildern der Partikelaussaatströmung unter Verwendung eines Mikropartikelbild-Vilo-Symmetriesystems gemäß den Herstellerspezifikationen. Um phasengekoppelte Doppelbildbilder zu erhalten, erfassen Sie eine Doppelbildserie bei 10 Hertz. Ordnen Sie dann die Daten so neu, dass alle gerahmten Paare, die durch eine vollständige Zykluszeit getrennt sind, eine neue Zeitserie bilden.

Verwenden Sie den Summe der Korrelationsalgorithmen, um die phasengebundene Geschwindigkeitsvektorkarte zu berechnen, also das resultierende Strömungsfeld aus der Bildserie. Wiederholen Sie diesen Vorgang mehrmals mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten zwischen dem ersten und zweiten Frame jedes Frame-Paares, um verschiedene Strömungsbereiche innerhalb der Alveolarhöhle aufzulösen. Verwenden Sie als Nächstes ein Datenanalyseprogramm, um die einzelnen Flusskarten zu einer vollständigen und hochdetaillierten Karte der Strömungsmuster zusammenzufügen, indem Sie überlappende Datenpunkte mitteln.

Ein entscheidendes Merkmal der hier vorgestellten mikrofluidischen Azinusplattform ist ihre Fähigkeit, physiologisch realistische Atembewegungen zu reproduzieren, die zu physiologischen Strömungsprofilen und -geschwindigkeiten innerhalb der Azinusgänge und innerhalb der Alveolen führen. Strömungsgeschwindigkeitsprofile über die Breite der Kanäle zeigen einen stetigen Abfall der Strömungsraten hin zu tieferen Azinusgenerationen. Strömungsprofile in der Nähe und innerhalb von Alveolarhohlräumen zeigen, dass die Strömungsgrößen entlang der Öffnung der Alveolen steil abfallen.

Dies führt zu einer Strömungsgeschwindigkeit, die im Inneren der Alveolen im Vergleich zu den Kanälen zwei bis drei Größenordnungen langsamer ist. Darüber hinaus ändern sich die Strömungsmuster mit zunehmender Azinusbildung erheblich. Während die erste Generation eine Rezirkulationszone aufweist, die in etwa mit dem Zentrum der Alveolen übereinstimmt, zeichnet sich die dritte Generation durch eine Rezirkulationszone aus, die in Richtung der proximalen Seite der Alveolen verschoben ist und ein offeneres Stromlinienmuster aufweist.

Schließlich werden in der fünften Gerätegeneration radiale Stromlinien ohne Rezirkulationszone beobachtet. Einmal gemeistert, kann diese Technik in wenigen Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Nach diesem Verfahren, das eine Strömungsvisualisierung in Azinusgeometrien ermöglicht, kann die Plattform zur Verfolgung einzelner luftgetragener Partikel verwendet werden, um die Dynamik und die Position der eingeatmeten Partikel zu untersuchen.