Un modèle microfluidique de Biomimetically respiration pulmonaire acineuse Airways

L’objectif global de ce système modèle est d’imiter la géométrie et le mouvement respiratoire de l’acinus pulmonaire pour étudier les modèles d’écoulement de l’air acineux et les trajectoires des microparticules en suspension dans l’air. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des phénomènes de transport acineux. Par exemple, les effets de la gravité, du médicament et de la diffusion sur les résultats du dépôt de particules.

Le principal avantage de cette technique est que les expériences sont effectuées à l’intérieur d’un modèle à l’échelle individuel plutôt que d’un modèle à l’échelle. Cela permet une observation précise du mouvement brownien des particules. Les implications de cette technique s’étendent à la thérapie par inhalation, car il est possible de mieux comprendre le dépôt de médicaments en aérosol.

Pour commencer, utilisez la gravure ionique réactive profonde d’un silicium sur une plaquette isolante pour fabriquer une plaquette de silicium maîtresse comme décrit précédemment. Ensuite, mélangez le PDMS et l’agent de durcissement à un rapport de poids de dix pour un dans un petit récipient propre. Dégazez le mélange dans un dessiccateur sous vide jusqu’à ce que toutes les bulles d’air soient éliminées.

Placez la plaquette maîtresse dans une boîte de Pétri et versez le mélange PDMS dégazé à une hauteur d’environ un millimètre au-dessus de la plaquette maîtresse. Dégazez à nouveau le PDMS versé pendant au moins 40 minutes, jusqu’à ce que toutes les bulles d’air soient éliminées au-dessus de la plaquette et que les bulles sous la plaquette soient minimisées. Assurez-vous que la plaquette est aussi proche que possible du fond de l’assiette.

Si nécessaire, appuyez doucement la gaufrette vers le bas à l’aide de deux bâtonnets d’agitation et dégazez à nouveau. Ensuite, faites cuire le PDMS à 65 degrés Celsius pendant 20 minutes dans un four à convection naturelle. Pendant la cuisson du PDMS, limez la section du canon d’une seringue en plastique de deux millilitres, à l’aide d’un papier de verre à grain fin pour améliorer son adhérence au PDMS.

De plus, utilisez le papier de verre pour aplatir la base du corps de la seringue en plaçant le papier de verre sur une surface plane et en faisant glisser la base du corps de la seringue sur celui-ci. Nettoyez tous les débris de la seringue à l’aide d’air sous pression. Placez ensuite la section du corps de la seringue sur la première couche de PDMS, la grande ouverture faisant face à la surface du PDMS.

Versez une deuxième couche de PDMS par-dessus la première, à une hauteur d’environ cinq millimètres, tout en veillant à ce que le PDMS ne pénètre pas dans le corps de la seringue. Ensuite, dégazez à nouveau le PDMS. Faites cuire l’ensemble à 65 degrés Celsius pendant au moins deux heures dans un four à convection naturelle pour durcir le PDMS.

Découpez le moule PDMS autour de la région à motifs de la plaquette maîtresse à l’aide d’un scalpel. Lors de la coupe, le scalpel doit toucher faiblement la surface de la plaquette. Ensuite, insérez délicatement un outil fin, tel qu’une pince à plaquette, dans l’encoche créée par le scalpel et décollez le plâtre PDMS de la plaquette maîtresse.

Placez le moulage sur une surface molle recouverte d’une feuille d’aluminium, de sorte que le côté à motifs soit orienté vers le haut et percez un trou dans le PDMS à l’entrée de la chambre et à l’entrée du canal, à l’aide d’un poinçon de biopsie d’un millimètre. Ensuite, ajoutez un peu de PDMS avec l’agent de durcissement à une lame de verre propre et appliquez une couche mince à 3 000 tr/min pendant 30 secondes. Ensuite, faites cuire la lame à 65 degrés Celsius pendant au moins une heure.

Nettoyez la glissière et le plâtre PDMS à l’aide de ruban adhésif. Traitez les surfaces de la lame de verre revêtu et du PDMS moulé avec du plasma d’oxygène à l’aide d’un traitement corona. Notez que chaque surface doit être traitée pendant au moins une minute.

Ensuite, pressez doucement les surfaces ensemble et faites-les cuire toute la nuit à 65 degrés Celsius. Mélangez des particules de polystyrène fluorescent en suspension dans de l’eau avec de l’eau et du glycérol dans une capsule de verre pour obtenir un rapport volume/volume de 64 à 36 de glycérol par rapport à l’eau contenant 0,25 % de particules en poids. Ensuite, placez une goutte de la solution de glycérol sur l’entrée du canal et une goutte d’eau DI sur l’entrée de la chambre.

Ensuite, placez l’appareil à l’intérieur d’un dessiccateur et faites fonctionner le vide pendant environ cinq minutes. Avant de relâcher le vide, attendez que les bulles qui se forment dans les gouttes de solution de glycérol et d’eau DI éclatent. Lors de la libération du vide, les liquides sont aspirés dans les vides à l’intérieur de l’appareil.

Si de l’air résiduel reste à l’intérieur des canaux, éliminez-le en appliquant une pression externe sur les fluides à l’aide d’une seringue et en laissant l’air se diffuser dans le PDMS. Ensuite, injectez environ deux millimètres d’eau déminéralisée dans la chambre supérieure jusqu’à ce qu’elle soit complètement remplie d’eau. Ensuite, couvrez la chambre avec un embout de seringue émoussé de calibre 19.

Coupez l’embout d’un autre embout de seringue émoussé de calibre 19 et insérez cet embout dans l’entrée de la chambre latérale. Connectez les deux embouts de seringue à une seringue d’un millilitre à l’aide d’un tube mince en téflon et d’un connecteur en forme de T. Assurez-vous que la seringue d’un millilitre, le tube en téflon, le connecteur en forme de T et la chambre supérieure sont tous remplis d’eau, sans aucune bulle.

Ensuite, connectez la seringue d’un millilitre à une pompe à seringue et programmez-la pour imiter un cycle de respiration silencieux comme décrit dans le protocole de texte ci-joint. Afin d’obtenir des images de symétrie vilo de microparticules, placez l’appareil sur la platine d’un microscope inversé. Ensuite, allumez le laser Nd :YAG à double impulsion et chargez le logiciel d’analyse d’images sur l’ordinateur.

Pendant que le dispositif est actionné, obtenir une série d’images à double image verrouillées de neuf à douze phases de l’écoulement ensemencé par particules, à l’aide d’un système de symétrie vilo d’images de microparticules conformément aux spécifications du fabricant. Pour obtenir des images à double image à verrouillage de phase, acquérez une série d’images doubles à 10 hertz. Ensuite, réorganisez les données de sorte que toutes les paires encadrées séparées par une durée de cycle complet forment une nouvelle série chronologique.

Utilisez l’algorithme de somme de corrélation pour calculer la carte vectorielle de vitesse à verrouillage de phase afin que le champ d’écoulement résultant de la série d’images soit obtenu. Répétez ce processus plusieurs fois avec des temps de latence variables entre la première et la deuxième image de chaque paire de trames pour résoudre différentes régions d’écoulement à l’intérieur de la cavité alvéolaire. Ensuite, utilisez un programme d’analyse de données pour assembler les cartes de flux individuelles en une carte complète et très détaillée des modèles d’écoulement en faisant la moyenne des points de données qui se chevauchent.

Une caractéristique essentielle de la plateforme micro-fluidique acineuse présentée ici est sa capacité à reproduire des mouvements respiratoires physiologiquement réalistes qui donnent lieu à des profils de flux physiologiques et à des vitesses dans les canaux acineux et dans les alvéoles. Les profils de vitesse d’écoulement sur toute la largeur des canaux montrent une baisse constante des débits vers des générations acineuses plus profondes. Les profils d’écoulement à proximité et à l’intérieur des cavités alvéolaires montrent que les amplitudes d’écoulement chutent fortement le long de l’ouverture des alvéoles.

Il en résulte une vitesse d’écoulement de deux à trois ordres de grandeur plus lente à l’intérieur des alvéoles par rapport aux conduits. De plus, les modèles d’écoulement changent considérablement avec l’augmentation de la production d’acineux. Alors que la première génération présente une zone de recirculation, qui coïncide à peu près avec le centre des alvéoles, la troisième génération se caractérise par une zone de recirculation qui est décalée vers le côté proximal des alvéoles avec un motif de ligne de courant plus ouvert.

Enfin, des lignes de flux radiales sans zone de recirculation sont observées dans la cinquième génération du dispositif. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en quelques heures si elle est correctement exécutée. En suivant cette procédure, qui permet de visualiser l’écoulement dans des géométries acineuses, la plateforme peut être utilisée pour suivre des particules uniques en suspension dans l’air afin d’explorer la dynamique et la position des particules inhalées.