Un modelo de microfluidos de biomiméticamente respiración pulmonar acinar Airways

El objetivo general de este sistema modelo es imitar la geometría y el movimiento respiratorio del acino pulmonar para estudiar los patrones de flujo de aire de Acinar y las trayectorias de las micropartículas en el aire. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de los fenómenos de transporte acinar. Por ejemplo, los efectos de la gravedad, el fármaco y la difusión en los resultados de la deposición de partículas.

La principal ventaja de esta técnica es que los experimentos se realizan dentro de un modelo a escala uno a uno en lugar de un modelo a escala. Esto permite una observación precisa del movimiento browniano de las partículas. Las implicaciones de esta técnica se extienden hacia la terapia inhalatoria, ya que se puede lograr una mejor comprensión de la deposición de fármacos en aerosol.

Para comenzar, use el grabado iónico reactivo profundo de una oblea de silicio en un aislante para fabricar una oblea de silicio maestra como se describió anteriormente. A continuación, mezcle el PDMS y el agente de curado en una proporción de peso de diez a uno dentro de un recipiente pequeño y limpio. Desgasifique la mezcla en un desecador al vacío hasta que se eliminen todas las burbujas de aire.

Coloque la oblea maestra en una placa de Petri y vierta la mezcla de PDMS desgasificada a una altura de aproximadamente un milímetro por encima de la oblea maestra. Desgasifique el PDMS vertido una vez más durante al menos 40 minutos, hasta que se eliminen todas las burbujas de aire por encima de la oblea y se minimicen las burbujas por debajo de la oblea. Asegúrate de que la oblea esté lo más cerca posible del fondo del plato.

Si es necesario, presione la oblea suavemente hasta el fondo con dos varillas para remover y desgasifique una vez más. Luego, hornee el PDMS a 65 grados centígrados durante 20 minutos en un horno de convección natural. Mientras se hornea el PDMS, lime la sección del barril de una jeringa de plástico de dos mililitros, utilizando un papel de lija de grano fino para mejorar su adherencia al PDMS.

Además, use el papel de lija para aplanar la base del cilindro de la jeringa colocando el papel de lija sobre una superficie plana y deslizando la base del cilindro de la jeringa sobre él. Limpie cualquier residuo de la jeringa con aire presurizado. A continuación, coloque la sección del cilindro de la jeringa encima de la primera capa de PDMS con la gran abertura hacia la superficie del PDMS.

Vierta una segunda capa de PDMS encima de la primera, a una altura de unos cinco milímetros, asegurándose de que el PDMS no entre en el cilindro de la jeringa. A continuación, desgasifique el PDMS una vez más. Hornee toda la configuración a 65 grados centígrados durante al menos dos horas en un horno de convección natural para endurecer el PDMS.

Corta el molde de PDMS alrededor de la región estampada de la oblea maestra con un bisturí. Al cortar, el bisturí debe tocar débilmente la superficie de la oblea. A continuación, inserte suavemente una herramienta fina, como unas pinzas de oblea, en la muesca creada por el bisturí, y retire el molde de PDMS de la oblea maestra.

Coloque el yeso sobre una superficie blanda cubierta con papel de aluminio, de modo que el lado estampado quede hacia arriba y haga un agujero en el PDMS en la entrada de la cámara y la entrada del canal, utilizando un punzón de biopsia de un milímetro. A continuación, agregue un poco de PDMS con agente de curado a un portaobjetos de vidrio limpio y apriete una capa delgada a 3.000 RPM durante 30 segundos. Luego, hornee el portaobjetos a 65 grados centígrados durante al menos una hora.

Limpie el portaobjetos y el molde de PDMS con cinta adhesiva. Trate las superficies del portaobjetos de vidrio revestido y el PDMS moldeado con plasma de oxígeno utilizando un tratador de corona. Tenga en cuenta que cada superficie debe tratarse durante al menos un minuto.

Luego, presione suavemente las superficies y hornee durante la noche a 65 grados centígrados. Mezcle partículas de poliestireno fluorescente suspendidas en agua con agua y glicerol en un vidrio para obtener una relación volumen/volumen de 64 a 36 de glicerol a agua que contiene 0,25% de partículas en peso. A continuación, coloque una gota de la solución de glicerol en la parte superior de la entrada del canal y una gota de agua desionizada en la entrada de la cámara.

Luego, coloque el aparato dentro de un desecador y tire de una aspiradora durante unos cinco minutos. Antes de soltar el vacío, espere a que reventen las burbujas que se forman en las gotas de solución de glicerol y agua desionizada. Al liberarse el vacío, los líquidos se introducen en los huecos dentro del dispositivo.

Si queda aire residual dentro de los canales, elimínelo aplicando presión externa sobre los fluidos con una jeringa y permitiendo que el aire se difunda en el PDMS. A continuación, inyecte unos dos milímetros de agua desionizada en la cámara superior hasta que esté completamente llena de agua. Luego, cubra la cámara con una punta de jeringa roma de calibre 19.

Corte la punta de otra punta de jeringa roma de calibre 19 e inserte esta punta en la entrada de la cámara lateral. Conecte ambas puntas de jeringa a una jeringa de un mililitro con un tubo delgado de teflón y un conector en forma de T. Asegúrese de que la jeringa de un mililitro, el tubo de teflón, el conector en forma de T y la cámara superior estén llenos de agua, sin burbujas.

Luego, conecte la jeringa de un mililitro a una bomba de jeringa y prográmela para que imite un ciclo de respiración silencioso como se describe en el protocolo de texto adjunto. Para obtener imágenes de simetría de vilo de micropartículas, coloque el dispositivo en la platina de un microscopio invertido. A continuación, encienda el láser Nd:YAG de doble pulso y cargue el software de análisis de imágenes en el ordenador.

Mientras se acciona el dispositivo, obtenga una serie de imágenes de doble marco bloqueadas en fase de nueve a doce del flujo sembrado de partículas, utilizando un sistema de simetría de vilo de imágenes de micropartículas de acuerdo con las especificaciones del fabricante. Para lograr imágenes de doble fotograma con bloqueo de fase, adquiera una serie de fotogramas dobles a 10 hercios. A continuación, reorganice los datos para que todos los pares de marcos que estén separados por un tiempo de ciclo completo formen una nueva serie temporal.

Utilice el algoritmo de suma de correlación para calcular el mapa vectorial de velocidad bloqueada de fase para que el campo de flujo resultante de la serie de imágenes. Repita este proceso varias veces con diferentes tiempos de retraso entre el primer y el segundo fotograma de cada par de fotogramas para resolver diferentes regiones de flujo dentro de la cavidad alveolar. A continuación, utilice un programa de análisis de datos para unir los mapas de flujo individuales en un mapa completo y muy detallado de los patrones de flujo promediando los puntos de datos superpuestos.

Una característica crítica de la plataforma acinar microfluídica que se presenta aquí es su capacidad para reproducir movimientos respiratorios fisiológicamente realistas que dan lugar a perfiles de flujo fisiológicos y velocidades dentro de los conductos acinares y dentro de los alvéolos. Los perfiles de velocidad de flujo a lo ancho de los canales muestran una caída constante de los caudales hacia generaciones acinares más profundas. Los perfiles de flujo cerca y dentro de las cavidades alveolares muestran que las magnitudes de flujo caen abruptamente a lo largo de la abertura de los alvéolos.

Lo que resulta en una velocidad de flujo que es de dos a tres órdenes de magnitud más lenta dentro de los alvéolos en comparación con los conductos. Además, los patrones de flujo cambian considerablemente con el aumento de la generación de acinares. Mientras que la primera generación presenta una zona de recirculación, que coincide aproximadamente con el centro de los alveolas, la tercera generación se caracteriza por una zona de recirculación que se desplaza hacia el lado proximal de los alvéolas con un patrón de línea de corriente más abierto.

Por último, se observan líneas de corriente radiales sin zona de recirculación en la quinta generación de dispositivos. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en pocas horas si se realiza correctamente. Siguiendo este procedimiento, que permite la visualización del flujo en geometrías acinares, la plataforma se puede utilizar para rastrear partículas individuales en el aire con el fin de explorar la dinámica y la posición de las partículas inhaladas.