Name: מודל Microfluidic של Biomimetically נשימה ריאתי acinar איירווייס (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-09T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 39 s
Description: חקור דינמיקת זרימה ומיקרו-חלקיקים בדרכי הנשימה האקינריות באמצעות מודל מיקרו-נוזלי בקנה מידה אמיתי. שיטה זו מאפשרת תצפית מדויקת של תנועת חלקיקים ומשפרת הבנת משקעי תרופות מרוססות לטיפול נשימתי.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי הנציבות האירופית (תוכנית FP7) באמצעות מענק שילוב קריירה (PCIG09-GA-2011-293604), הקרן הלאומית למדע (מענק מס' 990/12) ומרכז המצוינות במדעי הבריאות והחשיפה בטכניון (TCEEH). מיקרו-ייצור של שבבים מיקרופלואידיים נערך ביחידה לייצור מיקרו-ננו (MNFU) בטכניון ונתמך על ידי מענק זרע מהמכון לננוטכנולוגיה ע"ש ראסל ברי (RBNI) בטכניון. המחברים מודים לאבשלום שי על הסיוע בתחריט יונים תגובתי עמוק (DRIE) ולמולי מוליגן ופיליפ הופמאייר על דיונים מועילים.

ייצור מאסטר 1. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש תחריט יון תגובתי עמוק (DRIE) של סיליקון על מבודד רקיק (SOI) לפברק פרוסות סיליקון מאסטר כמתואר עבודות לשעבר 32, 33. הערה: DRIE הוא העדיף micromachining SU-8 תקן בשל היבט הגבוה תכונות היחס (40 מיקרומטר הרחב ו 90 מיקרומטר תעלות עמוקות). </li></ol> יציקת איטום 2. של מכשיר microfluidic <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערבבי PDMS וסוכן ריפוי בכל 10: 1 יחס משקל בתוך מכולה נקיה קטנה כזה כמנה במשקל פלסטיק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> דג את התערובת בתוך תא ייבוש תחת ואקום עד שכל בועות האוויר יוסרו. הערה: הכינו מספיק PDMS את כל הצעדים הבאים. כאן למטה, ראשי התיבות &quot;PDMS&quot; מתייחס תמיד אל 10 degassed: 1 PDMS: תערובת סוכן ריפוי שהוכן צעדי 2.1 ו -2.2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים את התערובת-degassed עד לגובה של כ 1 מ&quot;מ מעל פרוסות מאסטר. דגה שוב לפחות40 דקות כדי להסיר את כל בועות האוויר מעל הפרוסות ולמזער את הבועות מתחת הרקיק. הערה: ודא כי רקיק הוא קרוב ככל האפשר אל תחתית הצלחת. אם העיתונות צורך רקיק בעדינות לתחתית באמצעות 2 בחישה מקלות דגה שוב. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אופים בחום של 65 מעלות צלזיוס במשך 20 דקות בתנור הסעה טבעית. הערה: אחרי 20 דקות את PDMS הוא התקשה וכמעט לחלוטין נרפא. בעוד זמן אפייה ארוכה יותר היא אפייה אפשרית עבור 20 דקות חוסכות זמן ומשפרות את הדבקות של שכבת PDMS השנייה (ראה להלן) הראשון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קובץ החבית קטע מזרק פלסטיק 2 מ&quot;ל להשתמש בנייר חול חצץ דק לשפר דבקות PDMS. בנוסף, השתמש בנייר חול לשטח את הבסיס של חבית מזרק על ידי הנחת נייר חול על משטח שטוח ומחליקים בבסיס חבית מזרק על גבי זה. נקה את המזרק באמצעות אוויר דחוס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניח את החבית קטעה את המזרק על גבי שכבת PDMS הראשונה עם large הפתיחה מול פני השטח של PDMS, ויוצקים שכבה שנייה של PDMS על גבי הראשון עד לגובה של ~ 5 מ&quot;מ, ודגה את PDMS שוב ייבוש. הערה: שכבת PDMS השנייה צריכה להיות שפך מן המכל הקטן מסביב לחבית, ולא צריך להיכנס בתוכו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אופים את ההתקנה כולה על 65 מעלות צלזיוס לפחות 2 שעות בתנור הסעה טבעית. הערה: אין צורך להחזיק את הקנה במקום במהלך תהליכי הריפוי מאז המשקל של PDMS שלחץ את הבסיס הרחב של החבית מחזיק בחבית במקומו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותכים דרך עובש PDMS רחבי האזור בדוגמת של פרוסות סיליקון מאסטר באמצעות אזמל. בעוד חיתוך, אזמל צריך לגעת במשטח בחולשה של פרוסות סיליקון. לאחר מכן, הכנס בעדינות כלי רזה כגון מלקחי רקיק החריץ שנוצר על ידי האזמל, לקלף את PDMS שנוצק רקיק האמן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את הגבס על משטח רך מכוסה בנייר אלומיניום עם הצד בדוגמתפונה כלפי מעלה (כלומר., הקנה צריך לתלות מקצה השולחן), ולהכות את חור PDMS על כניסת כניסת ערוץ קאמרית באמצעות אגרוף ביופסיה 1 מ&quot;מ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מעיל זכוכית שקופית נקי עם (degassed) 10: 1 PDMS: תערובת סוכן ריפוי באמצעות coater ספין מתוכנת בסל&quot;ד 3000 למשך 30 שניות, ואופים&gt; שעה 1 ב 65 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, לנקות את השקופית PDMS יצוק באמצעות קלטת ברורה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פנקו את פני השטח של שקופיות זכוכית מצופה עובש PDMS PDMS עם פלזמה O 2 (למשל, באמצעות treater קורונה כף יד) 1 דקות, ולאחר מכן לחץ בעדינות על משטחים יחד ואופים ב 65 מעלות צלזיוס למשך הלילה (O / N) . </li></ol> מילוי Device 3. Actuation <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערבבים מושעה מים חלקיקי פוליסטירן פלורסנט במים גליצרול בבקבוקון זכוכית כדי לקבל תערובת 64/36 (v / v) גליצרול / מים עם 0.25% (w / w) חלקיקים .. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים ירידה של הפתרון גליצרול על גבי כניסת ערוץ וירידה של DI וואטאה על צינור הכניסה לתא, ואז למקם את המנגנון בתוך תא ייבוש ואקום עבור ~ 5 דקות. הערה: לפני שחרור ואקום לחכות הבועות כי הטופס טיפות של תמיסת גליצרול ומים DI פופ. עם ואקום שחרור הנוזלים נשאבים לתוך החללים בתוך המכשיר. אם אוויר שיורית נשאר בתוך הערוצים, לחסל אותו על ידי הפעלת לחץ חיצוני על הנוזלים (למשל., באמצעות מזרק) ומאפשר באוויר כדי לפזר את PDMS. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להזריק ~ 2 מיליליטר מי DI לתוך התא העליון (כלומר, את קנה המזרק, איור. 2b) עד שהוא מתמלא באופן מלא עם מים. ואז לכסות את התא העליון עם קצה מזרק 19 מד בוטה, לחתוך את הקצה עוד טיפ 19 מד מזרק בוטה וכנס הטיפ הזה אל צינור הכניסה לתא בצד. חבר את שני טיפים מזרק מזרק 1 מ&quot;ל דרך צינורות טפלון דק מחבר בצורת האות T. הערה: ודא כי מזרק 1 מ&quot;ל, צינורות טפלון, מחבר בצורת T קאמרית העליון (Barr מזרק 2 מ&quot;לאל) הם כל מלא מים ללא בועות. זה עשוי להיות מושגת על ידי פתיחת נקודות חיבור, דוחפים מים דרך חלקים ריקים של צינורות וחיבור מחדש עם נקודות חיבור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את מזרק 1 מ&quot;ל ל משאבת מזרק מראש מתוכנת לחקות למשל מחזור הנשימה גאות שקט (עם תקופה של T = 4 שניות) בנוי רמפות ליניארי, כלומר, מאפס עד 1.8 מ&quot;ל / דקה ב 1 שניות, מ 1.8 מ&quot;ל / דקה כדי -1.8 מ&quot;ל / דקה ב 2 שניות ו מ -1.8 מ&quot;ל / דקה חזרה לאפס ב 1 שניות. </li></ol> 4. ניסויים ויזואליזציה זרימה: velocimetry תמונה מיקרו-חלקיקים (μPIV) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כאשר המכשיר נמצא ומונעת, להשיג סדרה של 9 - 12 שלב נעול, כפל תמונה מסגרת של זרימת החלקיקים זרע באמצעות velocimetry תמונה מיקרו-חלקיקים (μPIV) מערכת המורכבת למשל של CCD חשיפה מסגרת מספר כפול המצלמה (למשל., 1,600 × 1,200 פיקסלים כדי להשיג רזולוציה מספיק), לייזר פעמו Nd-YAG כפול (גל: 532 ננומטר, אנרגית פלט: 400 MJ, משך דופק: 4 NSEC), ו מיקרוסקופ הפוכה. הערה: מערכת כזו היא מסוגלת להשיג זוגות מסגרת עם זמן שהייה של עד כמה מייקרו שני בין המסגרות הראשונות ושניות. כדי להשיג תמונות מסגרת נעל פעמיים שלב, כדאי לרכוש סדרה מסגרת כפולה למשל., 10 הרץ (זוגות מסגרת מופרדים ב -0.1 שניות זה מזה). לאחר מכן, הנתונים עשויים להיות מחדש כך שכל זוגות המסגרת כי הם מופרדים על ידי זמן מחזור מלא (כאן T = 4 שניות) יוצרים סדרת זמן חדשה. תמונת רכישה יש לחזור מספר פעמים תוך שינוי זמן ההשהיה בין המסגרות הראשונות ושניות בכל זוג מסגרת (כלומר., 100 μsec ל -0.1 שניות) לפתרון אזורי זרימה שונים בתוך חלל המכתשית. הערה: הגדרות חלופיות לגבי שילובים הטובים ביותר של מערכות רכישת תמונה (. כלומר, מצלמה) ומקורות תאורה (כלומר, לייזרים) לדימוי כזהmicroflows זמין גם 34, 35. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש באלגוריתם של סכום קורלציה לחשב מפות וקטור מהירות שלב נעולה של שדה זרימת נובעות הסדרת התמונה עבור כל בפיגור זמן בשימוש. חזור על תהליך זה מספר פעמים עם משתנה פעמים בפיגור בין המסגרות הראשונות ושניות בכל זוג מסגרת לפתרון אזורי זרימה שונים בתוך חלל המכתשית. לאחר מכן, להשתמש בתוכנית ניתוח נתונים לאחות את מפות זרימה בודדות לתוך מפה מושלמת גבוהה מפורט של תבניות זרימה על ידי חישוב ממוצע נקודות נתונים חופפים 33. </li></ol>

<ol><li>Kleinstreuer, C., Zhang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Airflow+and+Particle+Transport+in+the+Human+Respiratory+System%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Airflow and Particle Transport in the Human Respiratory System.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 42 (1), 301-334 (2010).</li>
<li>Sznitman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Respiratory+microflows+in+the+pulmonary+acinus%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomech%22%5BJournal%5D)">Respiratory microflows in the pulmonary acinus.</a> J. Biomech. 46 (2), 284-298 (2013).</li>
<li>Tsuda, A., Henry, F. S., Butler, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gas+and+aerosol+mixing+in+the+acinus%5BTitle%5D)+AND+%22Respir.+Physiol.+Neurobiol%22%5BJournal%5D)">Gas and aerosol mixing in the acinus.</a> Respir. Physiol. Neurobiol. 163 (1-3), 139-149 (2008).</li>
<li>Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Donohue, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Targeted+Drug-Aerosol+Delivery+in+the+Human+Respiratory+System%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Biomed.+Eng%22%5BJournal%5D)">Targeted Drug-Aerosol Delivery in the Human Respiratory System.</a> Annu. Rev. Biomed. Eng. 10 (1), 195-220 (2008).</li>
<li>Semmler-Behnke, M., Kreyling, W. G., Schulz, H., Takenaka, S., Butler, J. P., Henry, F. S., Tsuda, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle+delivery+in+infant+lungs%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle delivery in infant lungs.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 109 (13), 5092-5097 (2012).</li>
<li>Sznitman, J., Heimsch, F., Heimsch, T., Rusch, D., Rosgen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+Convective+Alveolar+Flow+Induced+by+Rhythmic+Breathing+Motion+of+the+Pulmonary+Acinus%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomech.+Eng%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional Convective Alveolar Flow Induced by Rhythmic Breathing Motion of the Pulmonary Acinus.</a> J. Biomech. Eng. 129 (5), 658-665 (2007).</li>
<li>Tsuda, A., Henry, F. S., Butler, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chaotic+mixing+of+alveolated+duct+flow+in+rhythmically+expanding+pulmonary+acinus%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Chaotic mixing of alveolated duct flow in rhythmically expanding pulmonary acinus.</a> J. Appl. Physiol. 79 (3), 1055-1063 (1995).</li>
<li>Henry, F. S., Butler, J. P., Tsuda, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinematically+irreversible+acinar+flow%3A+a+departure+from+classical+dispersive+aerosol+transport+theories%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Kinematically irreversible acinar flow: a departure from classical dispersive aerosol transport theories.</a> J. Appl. Physiol. 92 (2), 835-845 (2002).</li>
<li>Kumar, H., Tawhai, M. H., Hoffman, E. A., Lin, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effects+of+geometry+on+airflow+in+the+acinar+region+of+the+human+lung%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomech%22%5BJournal%5D)">The effects of geometry on airflow in the acinar region of the human lung.</a> J. Biomech. 42 (11), 1635-1642 (2009).</li>
<li>Lee, D. Y., Lee, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characteristics+of+particle+transport+in+an+expanding+or+contracting+alveolated+tube%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Aerosol+Sci%22%5BJournal%5D)">Characteristics of particle transport in an expanding or contracting alveolated tube.</a> J. Aerosol Sci. 34 (9), 1193-1215 (2003).</li>
<li>Tsuda, A., Butler, J. P., Fredberg, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+alveolated+duct+structure+on+aerosol+kinetics.+I.+Diffusional+deposition+in+the+absence+of+gravity%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Effects of alveolated duct structure on aerosol kinetics. I. Diffusional deposition in the absence of gravity.</a> J. Appl. Physiol. 76 (6), 2497-2509 (1994).</li>
<li>Tsuda, A., Butler, J. P., Fredberg, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+alveolated+duct+structure+on+aerosol+kinetics.+II.+Gravitational+sedimentation+and+inertial+impaction%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Effects of alveolated duct structure on aerosol kinetics. II. Gravitational sedimentation and inertial impaction.</a> J. Appl. Physiol. 76 (76), 2510-2516 (1994).</li>
<li>Ma, B., Darquenne, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aerosol+bolus+dispersion+in+acinar+airways%E2%80%94influence+of+gravity+and+airway+asymmetry%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Aerosol bolus dispersion in acinar airways—influence of gravity and airway asymmetry.</a> J. Appl. Physiol. 113 (3), 442-450 (2012).</li>
<li>Ma, B., Darquenne, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aerosol+deposition+characteristics+in+distal+acinar+airways+under+cyclic+breathing+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Aerosol deposition characteristics in distal acinar airways under cyclic breathing conditions.</a> J. Appl. Physiol. 110 (5), 1271-1282 (2011).</li>
<li>Heimsch, J., Sznitman, T., Wildhaber, J. H., Tsuda, A., Rösgen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Respiratory+Flow+Phenomena+and+Gravitational+Deposition+in+a+Three-Dimensional+Space-Filling+Model+of+the+Pulmonary+Acinar+Tree%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomech.+Eng%22%5BJournal%5D)">Respiratory Flow Phenomena and Gravitational Deposition in a Three-Dimensional Space-Filling Model of the Pulmonary Acinar Tree.</a> J. Biomech. Eng. 131 (3), 031010(2009).</li>
<li>Litzlbauer, H. D., Korbel, K., Kline, T. L., Jorgensen, S. M., Eaker, D. R., Bohle, R. M., Ritman, E. L., Langheinrich, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synchrotron-Based+Micro-CT+Imaging+of+the+Human+Lung+Acinus%5BTitle%5D)+AND+%22Anat.+Rec.+Adv.+Integr.+Anat.+Evol.+Biol%22%5BJournal%5D)">Synchrotron-Based Micro-CT Imaging of the Human Lung Acinus.</a> Anat. Rec. Adv. Integr. Anat. Evol. Biol. 293 (9), 1607-1614 (2010).</li>
<li>Tsuda, A., Filipovic, N., Haberthür, D., Dickie, R., Matsui, Y., Stampanoni, M., Schittny, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Finite+element+3D+reconstruction+of+the+pulmonary+acinus+imaged+by+synchrotron+X-ray+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Finite element 3D reconstruction of the pulmonary acinus imaged by synchrotron X-ray tomography.</a> J. Appl. Physiol. 105 (3), 964-976 (2008).</li>
<li>Berg, E. J., Weisman, J. L., Oldham, M. J., Robinson, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow+field+analysis+in+a+compliant+acinus+replica+model+using+particle+image+velocimetry+%28PIV%29%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomech%22%5BJournal%5D)">Flow field analysis in a compliant acinus replica model using particle image velocimetry (PIV).</a> J. Biomech. 43 (6), 1039-1047 (2010).</li>
<li>Sznitman, J., Sutter, R., Altorfer, D., Stampanoni, M., Rösgen, T., Schittny, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visualization+of+respiratory+flows+from+3D+reconstructed+alveolar+airspaces+using+X-ray+tomographic+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis%22%5BJournal%5D)">Visualization of respiratory flows from 3D reconstructed alveolar airspaces using X-ray tomographic microscopy.</a> J. Vis. 13 (4), 337-345 (2010).</li>
<li>Henry, F. S., Haber, S., Haberthür, D., Filipovic, N., Milasinovic, D., Schittny, J. C., Tsuda, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Simultaneous+Role+of+an+Alveolus+as+Flow+Mixer+and+Flow+Feeder+for+the+Deposition+of+Inhaled+Submicron+Particles%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomech.+Eng%22%5BJournal%5D)">The Simultaneous Role of an Alveolus as Flow Mixer and Flow Feeder for the Deposition of Inhaled Submicron Particles.</a> J. Biomech. Eng. 134 (12), 121001(2012).</li>
<li>Chhabra, S., Prasad, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow+and+Particle+Dispersion+in+Lung+Acini%3A+Effect+of+Geometric+and+Dynamic+Parameters+During+Synchronous+Ventilation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluids+Eng%22%5BJournal%5D)">Flow and Particle Dispersion in Lung Acini: Effect of Geometric and Dynamic Parameters During Synchronous Ventilation.</a> J. Fluids Eng. 133 (7), 071001(2011).</li>
<li>Cinkotai, F. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fluid+flow+in+a+model+alveolar+sac%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Fluid flow in a model alveolar sac.</a> J. Appl. Physiol. 37 (2), 249-251 (1974).</li>
<li>Karl, A., Henry, F. S., Tsuda, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low+reynolds+number+viscous+flow+in+an+alveolated+duct%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomech.+Eng%22%5BJournal%5D)">Low reynolds number viscous flow in an alveolated duct.</a> J. Biomech. Eng. 126 (4), 420-429 (2004).</li>
<li>Tippe, A., Tsuda, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((recirculating+flow+in+an+expanding+alveolar+model%3A+experimental+evidence+of+flow-induced+mixing+of+aerosols+in+the+pulmonary+acinus%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Aerosol+Sci%22%5BJournal%5D)">recirculating flow in an expanding alveolar model: experimental evidence of flow-induced mixing of aerosols in the pulmonary acinus.</a> J. Aerosol Sci. 31 (8), 979-986 (2000).</li>
<li>Berg, E. J., Robinson, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stereoscopic+particle+image+velocimetry+analysis+of+healthy+and+emphysemic+alveolar+sac+models%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomech.+Eng%22%5BJournal%5D)">Stereoscopic particle image velocimetry analysis of healthy and emphysemic alveolar sac models.</a> J. Biomech. Eng. 133 (6), 061004(2011).</li>
<li>Ma, B., Ruwet, V., Corieri, P., Theunissen, R., Riethmuller, M., Darquenne, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CFD+simulation+and+experimental+validation+of+fluid+flow+and+particle+transport+in+a+model+of+alveolated+airways%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Aerosol+Sci%22%5BJournal%5D)">CFD simulation and experimental validation of fluid flow and particle transport in a model of alveolated airways.</a> J. Aerosol Sci. 40 (5), 403-414 (2009).</li>
<li>Kumar Mahto, S., Tenenbaum-Katan, J., Sznitman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Respiratory+Physiology+on+a+Chip%5BTitle%5D)+AND+%22Scientifica%22%5BJournal%5D)">Respiratory Physiology on a Chip.</a> Scientifica. 2012, e364054(2012).</li>
<li>Huh, D., Fujioka, H., Tung, Y. C., Futai, N., Paine, R., Grotberg, J. B., Takayama, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustically+detectable+cellular-level+lung+injury+induced+by+fluid+mechanical+stresses+in+microfluidic+airway+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci%22%5BJournal%5D)">Acoustically detectable cellular-level lung injury induced by fluid mechanical stresses in microfluidic airway systems.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 104 (48), 18886-18891 (2007).</li>
<li>Song, Y., Baudoin, M., Manneville, P., Baroud, C. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+air%E2%80%93liquid+flow+in+a+microfluidic+airway+tree%5BTitle%5D)+AND+%22Med.+Eng.+Phys%22%5BJournal%5D)">The air–liquid flow in a microfluidic airway tree.</a> Med. Eng. Phys. 33 (7), 849-856 (2011).</li>
<li>Tavana, H., Huh, D., Grotberg, J. B., Takayama, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidics%2C+Lung+Surfactant%2C+and+Respiratory+Disorders%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Med%22%5BJournal%5D)">Microfluidics, Lung Surfactant, and Respiratory Disorders.</a> Lab Med. 40 (4), 203-209 (2009).</li>
<li>Huh, D., Matthews, B. D., Mammoto, A., Montoya-Zavala, M., Hsin, H. Y., Ingber, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reconstituting+Organ-Level+Lung+Functions+on+a+Chip%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip.</a> Science. 328 (5986), 1662-1668 (2010).</li>
<li>Pihl, J., Sinclair, J., Sahlin, E., Karlsson, M., Petterson, F., J, O. lofsson, Orwar, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+Gradient-Generating+Device+for+Pharmacological+Profiling%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Microfluidic Gradient-Generating Device for Pharmacological Profiling.</a> Anal. Chem. 77 (13), 3897-3903 (2005).</li>
<li>Fishler, R., Mulligan, M. K., Sznitman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acinus-on-a-chip%3A+A+microfluidic+platform+for+pulmonary+acinar+flows%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomech%22%5BJournal%5D)">Acinus-on-a-chip: A microfluidic platform for pulmonary acinar flows.</a> J. Biomech. 46 (16), 2817-2823 (2013).</li>
<li>Lindken, R., Rossi, M., Grosse, S., Westerweel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-Particle+Image+Velocimetry+%28microPIV%29%3A+recent+developments%2C+applications%2C+and+guidelines%5BTitle%5D)+AND+%22Lab.+Chip%22%5BJournal%5D)">Micro-Particle Image Velocimetry (microPIV): recent developments, applications, and guidelines.</a> Lab. Chip. 9 (17), 2551-2567 (2009).</li>
<li>Wereley, S. T., Meinhart, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+Advances+in+Micro-Particle+Image+Velocimetry%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Recent Advances in Micro-Particle Image Velocimetry.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 42 (1), 557-576 (2010).</li>
<li>Bruus, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theoretical+Microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Oxford+Master+Series+in+Condensed+Matter+Physics%22%5BJournal%5D)">Theoretical Microfluidics.</a> Oxford Master Series in Condensed Matter Physics. , (2008).</li>
<li>Haefeli-Bleuer, B., Weibel, E. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphometry+of+the+human+pulmonary+acinus%5BTitle%5D)+AND+%22Anat.+Rec%22%5BJournal%5D)">Morphometry of the human pulmonary acinus.</a> Anat. Rec. 220 (4), 401-414 (1988).</li>
</ol>

למחברים אין מה לחשוף.

<html> תכונה קריטית של פלטפורמת acinar microfluidic המוצגת כאן היא יכולתו להתרבות תנועות נשימה מציאותיות פיסיולוגי שיוצרות פרופילי זרימה פיסיולוגיים מהירויות בתוך צינוריות acinar ובתוך alveoli. מאז ערוצי microfluidic מיוצרים עם יחס רוחב-גובה נמוך יחסית (כלומר., W ד / h ≈ 3.9, שבו w ד הוא רוחב צינור ו- h הוא גובה דביק), תזרימי נמדד להראות יותר מאפייני תזרימי דמוי תקע לעומת פרופילי זרימת פרבוליות צפו...

כימותים מפורטים של דינמיקת זרימת נשימת דיסטלי, אזורי כוורת של הריאות הם בעל חשיבות עליונה להבנת ערבוב זרימת אוויר בתוך acinus ריאתי וחיזוי גורלם של אירוסולים בשאיפת 1-3 דרכי הנשימה העמוקה. ההיבט השני הזה הוא מדאיג במיוחד כאשר פונים מצד אחד המפגעים של חלקיקים מזהמים בשאיפה או לחילופין בחיפוש אסטרטגיות חדשניות משלוח סמי שיפור הממוקד של תרופות בשאיפה לאתרי ריאות מקומיות 4, 5, כמו גם עבור משלוח מערכתי. נכון להיום, תזרים נשימה באזורי acinar העמוקים ריאתי נחקר בדרך כלל סיליקון באמצעות דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD) או לחלופין במבחנה עם דגמים ניסיוניים מדורגים ומעקב אחר התאמת דמיון הידרודינמית. בעשורים האחרונים, שיטות CFD יושמו ויותר ללמוד תופעות זרימת acinar, מן Singlדואר מודלים המכתשית 6, 7 ו כוורת צינוריות 8-12 ליותר משוכללים במודלי סיליקון הלוכדים אנטומית מציאותי מבני עץ acinar עם מספר דורות של צינוריות כוורת ועד כמה מאה alveoli פרט 13-15. יחד, מאמצים מספריים היו מרכזיים ושופך אור על התפקיד ומידת ההשפעה של תנועת קיר במהלך נשימת תנועות על שהתפתח דפוסי זרימת אוויר acinar. בהעדר תנועת נשימה, הסירקולציה מחודשת תכונת alveoli סטטי זורמת בתוך החללים שלהם כי התערוכה לא חליפי הסעה של אוויר בין צינור acinar ואת נֹאדִית 6, 7; במילות אחרות, יהיה מבודד תזרים המכתשית טהרת תזרים בתוך עצי acinar וחילופי האוויר יגרמו שיהיו שונים מזה של מנגנונים מתרחבים. עם קיומה של רחבות המחזורית של תחום המכתשית, לעומת זאת, טופולוגיות זרימת המכתשית הם שונים באופן דרסטי ואת resulting תבניות זרימה בתוך alveoli קשורות באופן הדוק למיקום של נֹאדִית לאורך עץ acinar (למשל., הפרוקסימלי לעומת דורות הדיסטלית). בפרט, זה כבר שער בסימולציות כי תבניות זרימה המכתשית מושפעות במידה רבה על ידי היחס בין מכתשים כדי ductal ספיקות כאלה שדורות הפרוקסימלי של עץ acinar ריאתי, שבו יחס זה הוא גדול יחסית באי שימור מסה על פני מבנה עץ, תכונה הסירקולציה מחודשת מורכבת זורמת בתוך החללים המכתשית עם pathlines נוזל בלתי הפיך. עם כל דור acinar עמוק, היחס בין מכתשים כדי ספיקות ductal הולך ופוחת כזה שדורות acinar דיסטלי להפגין יותר רדיאלי דמוי מייעלים שמזכירים inflations ו deflations פשוט של בלון. עם התקדמות שיטות הדמיה מודרניות, נתוני הדמית ריאות 16, 17 של מכרסמים, כולל חולדה ועכבר, עוררו חלק מכשירי כושר CFD הראשוןations תזרים acinar אנטומית-משוחזר alveoli המשוחזר. למרות התקדמות מבטיחה כזה, המחקרים האחרונים אלה עדיין מוגבלים לטיפול תופעות זרימת אוויר בתוך צקי המכתשית מסוף רק 18, 19 או כמה alveoli סביב צינור יחיד 20. כתוצאה מכך, המדינה- of-the-art חקירות של תופעות זרימה נשימתיות של acinus להישאר בשליטתה של מחקרים התמקדות הגיאומטריות בהשראת אנטומית הגנרית של הסביבה acinar 2. בצד הניסיון, setups השונה שמציע דרכי נשימה עם alveoli אחד או כמה פותח במשך שנתי 21-24. עם זאת, אין בנמצא דגמים ניסיוניים של מתפצל איירווייז כוורת המסוגלים מחקו נשימה פיזיולוגית ידי ההרחבה מתקשרת באופן נשימה דמוית. בהינתן חוסר פלטפורמות ניסיוני אטרקטיביים בהישג היד, חקר תופעות מעבר acinar נותר מוגבל לגבי validaטינג מחקרים חישובית ובביקורתיות נותר מחסור של נתוני הניסוי זמין. . בשנים האחרונות, מא ואח &#39;(2009) יש לבנות מודל שעבר גדלה, נוקשה-קיר של acinus המורכב משלושה דורות acinar; עם זאת, חוסר תנועת קיר במודל זה מוגבל ביכולת שלו כדי ללכוד תבניות זרימה המכתשית מציאותיות בתנאי נשימה. ניסויים שעברו גדלה, אחרים כוללים דגם קיר נע המבוסס על נתונים אנטומיים מן ההעתק יצוק הוכנסו לאחרונה 25; עם זאת, מאז המודל היחיד שנתפס הדורות שני acinar האחרון (כלומר., שקי מסוף), היא לא הצליחה ללכוד את תזרימי הסירקולציה המחודשת מורכבות המאפיינות דורות acinar הפרוקסימלי יותר. דוגמאות אלה אחרונים של ניסויים בקנה מידה-אפ נוספת להדגיש את המגבלות המתמשכות עם גישות כאלה. באופן ספציפי, לא ניסוי קיים עד כה הדגים את מעבר שיערותיו מן הסירקולציה מחודשת כדי רדיאלי תזרים יחדacinus ובכך לאשר תחזיות מספריות של טופולוגיות זרימת שיערותיו להתקיים עצי acinar ריאתי אמיתיים 7, 15. אולי הכי קריטי, ניסויים שעברו גדלה, מוגבלים מאוד בחקירה בשאיפת דינמיקת תחבורה בתצהיר חלקיקי 26 בשל קשיים בהתאמה כל הלא הרלוונטיים פרמטרי ממדים (למשל., דיפוזיה של חלקיקים, מנגנון תחבורה קריטי עבור חלקיקים תת-מיקרון, מוזנחת לחלוטין). עם אתגרים הניסיונות מתמשכים, פלטפורמות ניסיוני חדשות המתירות חקירות של נשימת תזרימי אוויר חלקיקי דינמיקה בקירות מרגשים מורכבי רשתות acinar הם בקשו. הנה, בהשראת אנטומית במודל acinar במבחנה הוא הציג. מחק פלטפורמת microfluidic זה acinar ריאתי זורם ישירות בקנה מידת acinar הנציג, ומרחיב את המגוון הולך וגדל של דגמי microfluidic ריאתי 27, כוללים-פלה תקע נוזלי סימפונותWS 28-30 ואת מחסום-נימי המכתשית 31. כלומר, העיצוב הנוכחי כולל עץ דרכי נשימת כוורת פשוטה חמישה דור עם הרחבת מחזור והתקשרות קירות, שבו תנועות מחזוריות מושגות על ידי לחץ שליטה בתוך חדר מים המקיף את הקירות הדק PDMS לרוחב והיכן הקיר העליון מעווה על ידי מים נוספים תא יושב ישירות מעל מבנה acinar. שלא כמו במכשירים microfluidic multilayer משותפים, תא זה נוצר פשוט על ידי טבעת סעיף חבית מזרק בתוך מכשיר PDMS, ואינו דורש הכנה של עובש PDMS נוסף. גישת מיניאטורי שהוצגה כאן מציעה באמצעים פשוטים צדדיים לשחזור מבני acinar מסובכים עם הזזת קירות לעומת דגמים שעברו גדלה, בעת לכידה את תכונות יסוד של סביבת זרימת acinar. פלטפורמה זו יכולה לשמש עבור פלוw להדמיה באמצעות חלקיקים-מושעה נוזל בתוך דרכי הנשימה (ראה תוצאות נציג להלן). בעתיד הקרוב, המודל ישמש עם חלקיקים הנישאים באוויר ללימוד דינמיקת חלקיקי acinar בשאיפה.

<table><tbody><tr><td>פולידימתילסילוקסן (PDMS) וחומר ריפוי</td><td>Dow Corning</td><td>(240)4019862</td><td>Sylgard&reg; 184 ערכת אלסטומר סיליקון</td></tr><tr><td>פלסטיפק 2 מ"ל מזרק</td><td>BD</td><td>300185</td><td></td></tr><tr><td>Norm-Ject Luer slip 1 מ"ל מזרק</td><td>Henke Sass Wolf </td><td>4010-200V0</td><td></td></tr><tr><td>1 מ"מ ביופסיה אגרוף</td><td>Kai Medical</td><td>BP-10F</td><td></td></tr><tr><td>מעבדה מטפל</td> <td>בקורונהמוצרי אלקטרו-טכניק</td><td>BD-20AC</td><td></td></tr><tr><td>PHD משאבת מזרק אולטרה</td><td>מכשיר הרווארד 703006</td><td></td><td></td></tr><tr><td>חלקיקי פלורסנט צבועים באדום</td><td>תרמו-מדעי</td><td></td><td>Uncatalloged 0.86 ומיקרו; נעשה שימוש בחרוזי m</td></tr><tr><td>גליצרין AR</td><td>Gadot</td><td>830131320</td><td></td></tr><tr><td>FlowMaster MITAS מהירות תמונה מיקרו-חלקיקים (&micro; PIV) מערכת </td><td>LaVision</td><td>1108630</td><td></td></tr></tbody></table>

מודל microfluidic של biomimetically נשימה ריאתי acinar איירווייס

A Microfluidic Model of Biomimetically Breathing Pulmonary Acinar Airways

כימות מאפייני תזרים נשימה במעמקי acinar ריאתי וכיצד הם משפיעים תחבורת אירוסול בשאיפה היא קריטית לקראת אופטימיזציה טכניקות שאיפת תרופה וכן לניבוי דפוסים בתצהיר של חלקיקים הנישאים באוויר רעיל בתוך alveoli ריאתי. כאן, שיטות-ליתוגרפיה רך משמשות לפברק מבנים דרך הנשימה acinar הדמוי מורכבים על אורך-הקשקשים אנטומיים האמת שמתרבים תופעות זרימת acinar פיסיולוגיות במערכת נגישה אופטי. המכשיר microfluidic כולל 5 דורות של מתפצל צינוריות כוורת עם הרחבת מעת לעת וקירות קבלנות. להפעלה ללא קיר מושגת על ידי לשנות את הלחץ בתוך תאים מלאי מים הסובבים חומות ערוץ acinar הדקות PDMS היא מן הצדדים וחלקו העליון של המכשיר. בניגוד מכשירי microfluidic multilayer משותפים, שבו הערמה של תבניות מספר PDMS נדרשה, שיטה פשוטה מוצגת לפברק העליוןקאמרי על ידי טבעת סעיף חבית מזרק לתוך תבנית PDMS. ההתקנה microfluidic הרומן הזה מספק תנועות נשימה פיזיולוגיות אשר בתורו להצמיח אוויר-תזרימי acinar מאפיין. במחקר הנוכחי, velocimetry תמונה החלקיקים מיקרו (μPIV) עם חלקיקי הנוזל מושעה שימש לכמת אוויר כזה תזרימי על פי התאמת דמיון הידרודינמית. ההסכם הטוב בין תוצאות μPIV ותופעות זרימת acinar צפויות מראה כי פלטפורמת microfluidic עשויה לשמש בעתיד הקרוב כמו אטרקטיביים כלי במבחנה לחקור תחבורת חלקיקי נציג מוטסת ישירות בתצהיר באזורי acinar של הריאות.

תמונות תכנון בעזרת מחשב (CAD) ומיקרוסקופ של פלטפורמת acinar במבחנה מוצגות באיור. 1. מודל acinar biomimetic כולל חמישה דורות של הסתעפות ערוצים מלבניים מצופה חללים גליליים דמוי המכתשית (איור. 1). הנה, דורות המודל ממוספרים מדור 1 (עבור הדור הפרוקסימלי ביותר) לדור 5 (עבור הדור הדיסטלי ביותר). שימו לב שרק כניסת הערוץ מובילה לדור 1 פתוחה לסביבה החיצונית באמצעות פתח PDMS. 16 הצינורות המובילים הרחק דור 5 נותרים סגורים לאוויר (איור. 1a).</...

נעשה שימוש בליתוגרפיה רכה כדי לייצר מודל מייצג בקנה מידה אמיתי של דרכי נשימה ריאתיות המתרחבות ומתכווצות מעת לעת, ומחקות תנועת נשימה פיזיולוגית. פלטפורמה זו משחזרת זרימות אצינריות נשימתיות על שבב, וצפויה להקל על חקירה ניסויית של דינמיקת אירוסול בשאיפה ושקיעה באצינוס הריאתי.

מודל Microfluidic של Biomimetically נשימה ריאתי acinar איירווייס

Quantifying respiratory flow characteristics in the pulmonary acinar depths and how they influence inhaled aerosol transport is critical towards ...

המטרה הכוללת של מערכת מודל זו היא לדמות את הגאומטריה ואת תנועת הנשימה של ה-Pulmonary Acinus לצורך חקר דפוסי זרימת אוויר ב-Acinus ומסלולי תנועה של מיקרו-חלקיקים נישאים באוויר. שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתחום של תופעות הובלה ב-Acinus, כגון השפעות כוח הכבידה, תרופות ודיפוזיה על תוצאות שיקוע של חלקיקים.היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שהניסויים מבוצעים בתוך מודל בקנה מידה של 1:1 ולא במודל מוגדל. דבר זה מאפשר תצפית מדויקת על תנועת בראון של חלקיקים. להשלכות של טכניקה זו יש השפעה על טיפולי שאיפה, שכן היא מאפשרת הבנה טובה יותר של שיקוע תרופות בארוסול.בתחילה, השתמש בתהליך של תעיית יונים ריאקטיבית עמוקה (deep reactive ion etching) של פרוסת סיליקון על בידוד (silicon on insulator) כדי לייצר פרוסת סיליקון מאסטר כפי שתואר בעבר. לאחר מכן, ערבב את ה-PDMS ואת חומר ההקשחה ביחס משקלי של עשרה לאחד בתוך מכל קטן ונקי. בצע ניקוי גזים (degassing) לתערובת בתוך דסיקטור תחת ואקום עד להסרת כל בועות האוויר.הניחו את פרוסת המאסטר בתוך צלחת פטרי, ושפכו את תערובת ה-PDMS לאחר ניקוי הגזים עד לגובה של כמילימטר אחד מעל פרוסת המאסטר. בצעו ניקוי גזים שוב לתערובת ה-PDMS שנשפכה למשך 40 דקות לפחות, עד שכל בועות האוויר מעל הפרוסה יוסרו, ובועות האוויר מתחת לפרוסה ימועטו. ודאו שהפרוסה נמצאת קרוב ככל האפשר לתחתית הצלחת.במידת הצורך, לחצו בעדינות על פרוסת הסיליקון לתחתית באמצעות שני מקלו ערבוב ובצעו ניקוי בועות (degas) פעם נוספת. לאחר מכן, אפו את ה-PDMS בטמפרטורה של 65 degrees Celsius למשך 20 דקות בתנור עם הסעה טבעית. בזמן אפיית ה-PDMS, שייפו את חלק הגליל של מזרק פלסטיק בנפח שני milliliters, באמצעות נייר זכוכית בעל גרעין עדין כדי לשפר את היצמדותו ל-PDMS.בנוסף, השתמש בנייר זכוכית כדי להחליק את בסיס גוף המזרק על ידי הנחת נייר הזכוכית על משטח שטוח והחלקת בסיס גוף המזרק מעליו. נקה שאריות מהמזרק באמצעות אוויר דחוס. לאחר מכן, הנח את חלק הגוף של המזרק על שכבת ה-PDMS הראשונה, כאשר הפתח הגדול פונה אל פני השטח של ה-PDMS.שפכו שכבה שנייה של PDMS מעל הראשונה, לגובה של כחמישה מילימטרים, תוך וידוא ש-PDMS אינו חודר לתוך גוף המזרק. לאחר מכן, בצעו ניתון גזים (degas) ל-PDMS פעם נוספת. אפו את כל המערך בטמפרטורה של 65 °C למשך שעתיים לפחות בתנור קונבקציה טבעית כדי להקשות את ה-PDMS.חתוך את תבנית ה-PDMS מסביב לאזור התבנית של פרוסת המאסטר באמצעות סכין מנתחים. בזמן החיתוך, סכין המנתחים צריכה לגעת קלות במשטח הפרוסה. לאחר מכן, הכנס בעדינות כלי דק, כגון פינצטה לפרוסות, לתוך החריץ שנוצר על ידי סכין המנתחים, וקלף את יציקת ה-PDMS מפרוסת המאסטר.הניחו את התבנית על משטח רך המכוסה בנייר אלומיניום, כך שהצד בעל התבנית פונה כלפי מעלה, ונקבו חור ב-PDMS בכניסה לתא ובכניסה לערוץ, באמצעות מחץ ביופסיה של 1 mm. לאחר מכן, הוסיפו מעט PDMS עם חומר מקשה לשקופית זכוכית נקייה ובצעו ציפוי סיבוב (spin coat) של שכבה דקה במהירות של 3,000 RPM למשך 30 שניות. לאחר מכן, אפו את השקופית בטמפרטורה של 65 °C למשך שעה אחת לפחות.נקה את העגלה ואת יציקת ה-PDMS באמצעות סרט דביק (scotch tape). טפל במשטחים של העגלה המצופה בזכוכית וב-PDMS המעוצב באמצעות פלזמה של חמצן באמצעות מכשיר corona treater. שים לב שיש לטפל בכל משטח במשך דקה אחת לפחות.לאחר מכן, הלחץ בעדינות את המשטחים זה אל זה ואפה אותם למשך הלילה בטמפרטורה של 65 degrees Celsius. ערבב חלקיקי פוליסטירן פלואורסצנטיים תלויים במים עם מים וגליצרין בתוך מבחנה מזכוכית כדי לקבל יחס נפח לנפח של 64 ל-36 של גליצרין למים, המכיל 0.25% חלקיקים לפי משקל. לאחר מכן, הנח טיפה מתמיסת הגליצרין מעל פתח הכניסה של התעלה וטיפה של DI water מעל פתח הכניסה של התא.לאחר מכן, הניחו את המערך בתוך דסיקטור ובצעו ואקום למשך כחמש דקות. לפני שחרור הוואקום, המתינו עד שהבועות שנוצרו בטיפות תמיסת הגליצרול ובמים מזוקקים (DI water) יתפוצצו. עם שחרור הוואקום, הנוזלים נשאבים אל תוך החללים בתוך המכשיר.אם נותר אוויר בתוך התעלות, יש להסירו על ידי הפעלת לחץ חיצוני על הנוזלים באמצעות מזרק, תוך מתן אפשרות לאוויר לדפף אל תוך ה-PDMS. לאחר מכן, הזרקו כ-2 mm של מים דאיוניים אל התא העליון עד שיתמלא במים לחלוטין. לאחר מכן, כסו את התא בעזרת קצה של מזרק קהה בכיול 19 gauge.גזרו את הקצה של קצה מזרק קהה נוסף בכיול 19 gauge והכניסו קצה זה לפתח הכניסה של התא הצדדי. חברו את שני קצאי המזרקים למזרק של 1 mL באמצעות צינורית טפלון דקה ומחבר בצורת T. ודאו כי המזרק של 1 mL, צינורית הטפלון, המחבר בצורת T והתא העליון מלאים כולם במים, ללא בועות.לאחר מכן, חברו את המזרק של 1 mL למשאבת מזרקים ותכנתו אותה כך שתדמה מחזור נשימה שקט כפי שמתואר בפרוטוקול הטקסט הנלווה. כדי לקבל תמונות של סימטריה של חלקיקים מיקרוסקופיים, הניחו את המכשיר על הבמה של מיקרוסקופ הפוך. לאחר מכן, הפעילו את לייזר ה-Nd:YAG בעל הפולס הכפול וטענו את התוכנה לניתוח תמונות במחשב.בזמן הפעלת המכשיר, השג סדרה של תשעה עד שנים-עשר תמונות כפולות במסגרות נעולות פאזה (phase locked double frame images) של הזרימה המזוהה בחלקיקים, באמצעות מערכת micro-particle image vilo symmetry בהתאם למפרטי היצרן. כדי להשיג תמונות כפולות במסגרות נעולות פאזה, רכוש סדרת מסגרות כפולות בתדר של 10 hertz. לאחר מכן, ארגן מחדש את הנתונים כך שכל זוגות המסגרות המופרדים על ידי זמן מחזור מלא יגבשו סדרת זמן חדשה.השתמש באלגוריתם sum of correlation לחישוב מפת וקטורי מהירות מסונכרנת (phase locked velocity vector map), כדי להפיק את שדה הזרימה מסדרת התמונות. חזור על תהליך זה מספר פעמים עם זמני השהיה (lag times) משתנים בין הפריים הראשון לשני בכל זוג פריימים, במטרה להבחין באזורי זרימה שונים בתוך החלל האלבאולרי. לאחר מכן, השתמש בתוכנה לניתוח נתונים כדי לחבר את מפות הזרימה הבודדות למפה מלאה ומפורטת של דפוסי הזרימה, באמצעות מיצוע של נקודות נתונים חופפות.מאפיין קריטי של פלטפורמת ה-acinar המיקרו-פלואידית המוצגת כאן, הוא יכולתה לשחזר תנועות נשימה ריאליסטיות מבחינה פיזיולוגית, אשר יוצרות פרופילי זרימה ומהירויות פיזיולוגיות בתוך תעלות ה-acinar ובתוך הנאדיות (alveoli). פרופילי מהירות הזרימה לרוחב הערוצים מראים ירידה עקבית בקצבי הזרימה לעבר דורות acinar עמוקים יותר. פרופילי זרימה בסמיכות ובתוך חללי הנאדיות מראים כי עוצמת הזרימה יורדת בחדות לאורך פתחי הנאדיות.דבר זה מוביל למהירות זרימה הנמוכה בשלושה עד שני סדרי גודל בתוך הנאבקים (alveoli) בהשוואה לתעלות. בנוסף, דפוסי הזרימה משתנים באופן ניכר עם הגברת הדור האצינרי (acinar generation). בעוד שדור ראשון מאופיין באזור של זרימה חוזרת (re-circulation zone), החופף בקירוב למרכז הנאבקים, דור שלישי מאופיין באזור זרימה חוזרת המוסט לכיוון הצד הפרוקסימלי של הנאבקים, עם דפוס קווי זרימה פתוח יותר.לבסוף, בדור החמישי של המכשיר נצפו קווי זרימה רדיאליים ללא אזור רסיקולציה. לאחר השליטה בשיטה, ניתן לבצעה תוך מספר שעות אם היא מבוצעת כראוי. בעקבות פרוצדורה זו, המאפשרת ויזואליזציה של זרימה בגיאומטריות אצינריות, ניתן להשתמש בפלטפורמה למעקב אחר חלקיקים בודדים נישאים באוויר כדי לחקור את הדינמיקה ואת המיקום של חלקיקים שנשאפו.

a-microfluidic-model-biomimetically-breathing-pulmonary-acinar

Research

JoVE Journal

Bioengineering

הנדסה ביולוגית

דה-סלולריזציה של איברים שלמים מייצרת פיגומים ביולוגיים טבעיים שעשויים לשמש לרפואה רגנרטיבית. מוצג תיאור של מודל פרימטים לא אנושי של התחדשות ריאות שבו ריאות שלמות עוברות דה-סלולריזציה ולאחר מכן נזרעות עם תאי גזע בוגרים ותאי אנדותל בביו-ריאקטור המאפשר זרימת כלי דם ואוורור מדיה נוזלית.

דה-סלולריזציה של ריאות פרימטים לא אנושיים ורסלולריזציה באמצעות ביו-ריאקטור מיוחד לאיברים גדולים

דרכי הנשימה המחוברות לריר של חולי סיסטיק פיברוזיס (CF) הן סביבה אידיאלית לפטוגנים חיידקים לשגשג. כתב היד מתאר שיטה חדשה לחקר מיקרוביום הריאות CF בסביבה שבה מחקה את המחלה, וכיצד שינויים בתנאים כימיים יכולים להניע דינמיקה מיקרוביאלית.

מודל ה- WinCF - מיקרוסקוס הזול והבלתי נסבל של ברונכייל מחובר ריר לחקר המיקרוביולוגיה של זיהומי ריאות

במחקר זה, נדגים שיטה ללא תווית נויטרופילים ההפרדה מן הפרשות דרכי הנשימה קליניים באמצעות לולאה סגורה הפעולה של ספירלה מיקרופלואידיקה אינרציאלית. השיטה המוצעת ירחיב את מבחני קליניים במבחנה למחלות בדרכי הנשימה שונים.

העשרה ללא תווית נויטרופילים של הפרשת נגזר המטופל דרכי הנשימה באמצעות לולאה סגורה אינרציאלית מיקרופלואידיקה

המתוארת היא תרבות התא ושיטת החשיפה של מודל הסימפונות במבחנה לחשיפה מציאותית וחוזרת ונשנית לשאיפת חלקיקים לבדיקות רעילות.

מודל אפיתל ממשק נוזלי אוויר לחשיפה מציאותית וחוזרת ונשנית לחלקיקים מוטסים לבדיקות רעילות

אנו מציגים תפוקה גבוהה, בשיטת במבחנה לכימות תצהיר ריאתי אזורי ברמת האונה באמצעות CT סריקה נגזר, מודלים של ריאות מודפסות 3D עם פרופילי זרימת אוויר מתכווננת.

הערכת תצהיר ריאתי אזורי באמצעות דגמי ריאות מודפסים תלת-ממדיים ספציפיים למטופל

הפרוטוקול מתאר ביוריאקטור התומך בהדמיה המאפשר הסרה סלקטיבית של האפיתל האנדוגני מקנה הנשימה של החולדה והתפלגות הומוגנית של תאים אקסוגניים על פני השטח של לומן, ולאחר מכן תרבית חוץ גופית ארוכת טווח של מבנה רקמת התא.

ביוריאקטור מונחה הדמיה ליצירת רקמת נתיב אוויר מהונדסת ביולוגית

מודלים של ריאות על שבב עולים על תרביות דו-ממדיות מסורתיות על ידי חיקוי ממשק אוויר-נוזל וזילוח תאי אנדותל, המדמים זרימת דם וחילופי חומרים מזינים החיוניים למחקרים בפיזיולוגיה של הריאות. זה משפר את הרלוונטיות של מחקר הריאות, ומציע סביבה דינמית ומדויקת פיזיולוגית לקידום ההבנה והטיפול בזיהומים בדרכי הנשימה.

מודל Alveolus-on-Chip חיסוני לחקר תגובות חיסוניות של נאדיות

כאן אנו מציגים פרוטוקול לבניית מערכת איבר-על-שבב (OOC) שנועדה לחקות כריתת ריאות. מערכת זו חוקרת את המתאם הפוטנציאלי בין פגיעה בגליקוקליקס לסיבוכים לאחר כריתת ריאות.

מידול הגליקוקליקס האנדותל לאחר כריתת ריאות בשבב נוזלי תלת מימדי - גישה לייצור מערכת איבר-על-שבב מבוססת כלי דם

פרוטוקול זה מתאר את יצירת האורגנואידים מתאי אפיתל אלוואולרי A549 ופיברובלסטים ריאתיים MRC-5 על פיגום הידרוג'ל חוץ-תאי, ולאחר מכן הטמעה בג'לים קולגן תלת-ממדיים וחשיפה למאמץ מכני באמצעות ביוריאקטור מתיח תאים לחקר מכנוביולוגיה אלוואולרית.

יצירת אורגנידים אלוואולריים A549/MRC-5 משובצים בקולגן בתלת-ממד באמצעות ביוריאקטור מכני המתיח תאים

בעבודה זו נסביר את ייצור ושימוש במיקסר microfluidic מסוגל ערבוב שני פתרונות ~~~HEAD=NNS 8 μs. כמו כן, אנו מדגימים את השימוש מערבלי אלה עם זיהוי ספקטרוסקופיות באמצעות הקרינה UV ותהודה הקרינה העברת אנרגיה (סריג).

מערבלים microfluidic ללימוד קיפול חלבונים

חקור דינמיקת זרימה ומיקרו-חלקיקים בדרכי הנשימה האקינריות באמצעות מודל מיקרו-נוזלי בקנה מידה אמיתי. שיטה זו מאפשרת תצפית מדויקת של תנועת חלקיקים ומשפרת הבנת משקעי תרופות מרוססות לטיפול נשימתי.

מודל Microfluidic של Biomimetically נשימה ריאתי acinar איירווייס

גלה סרטונים נוספים