Un modello di Microfluidic Biomimetically respirazione polmonare acinose Airways

L'obiettivo generale di questo sistema modello è quello di imitare la geometria e il movimento respiratorio dell'acino polmonare per studiare i modelli di flusso d'aria acinare e le traiettorie delle microparticelle sospese nell'aria. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dei fenomeni di trasporto acinar. Ad esempio, gli effetti della gravità, del farmaco e della diffusione sui risultati della deposizione di particelle.

Il vantaggio principale di questa tecnica è che gli esperimenti vengono eseguiti all'interno di un modello in scala uno-a-uno piuttosto che di un modello in scala. Ciò consente un'osservazione accurata del moto browniano delle particelle. Le implicazioni di questa tecnica si estendono alla terapia inalatoria, perché è possibile ottenere una migliore comprensione della deposizione di farmaci aerosolizzati.

Per iniziare, utilizzare l'incisione ionica reattiva profonda di un wafer di silicio su isolante per fabbricare un wafer di silicio master come descritto in precedenza. Quindi, mescolare il PDMS e l'agente indurente con un rapporto di peso di dieci a uno all'interno di un piccolo contenitore pulito. Degassare la miscela in un essiccatore sotto vuoto fino a rimuovere tutte le bolle d'aria.

Mettere il master wafer in una capsula di Petri e versare la miscela PDMS degassata a un'altezza di circa un millimetro sopra il master wafer. Degassare nuovamente il PDMS versato per almeno 40 minuti, fino a quando tutte le bolle d'aria non vengono rimosse sopra il wafer e le bolle sotto il wafer sono ridotte al minimo. Assicurarsi che il wafer sia il più vicino possibile al fondo della piastra.

Se necessario, premere delicatamente la cialda sul fondo con due bastoncini per mescolare e degassare nuovamente. Quindi, cuocere il PDMS a 65 gradi Celsius per 20 minuti in forno a convezione naturale. Mentre il PDMS cuoce, limare la sezione del cilindro di una siringa di plastica da due millilitri, utilizzando una carta vetrata a grana fine per migliorarne l'aderenza al PDMS.

Inoltre, utilizzare la carta vetrata per appiattire la base del cilindro della siringa posizionando la carta vetrata su una superficie piana e facendo scorrere la base del cilindro della siringa sopra di essa. Pulire eventuali detriti dalla siringa utilizzando aria pressurizzata. Quindi posizionare la sezione del cilindro della siringa sopra il primo strato del PDMS con l'ampia apertura rivolta verso la superficie del PDMS.

Versare un secondo strato di PDMS sopra il primo, ad un'altezza di circa cinque millimetri, facendo attenzione che il PDMS non entri nel fusto della siringa. Quindi, degassare nuovamente il PDMS. Cuocere l'intero set-up a 65 gradi Celsius per almeno due ore in forno a convezione naturale per indurire il PDMS.

Tagliare lo stampo PDMS attorno alla regione modellata del wafer master utilizzando un bisturi. Durante il taglio, il bisturi dovrebbe toccare debolmente la superficie del wafer. Quindi, inserire delicatamente uno strumento sottile, come una pinza per wafer, nella tacca creata dal bisturi e staccare il calco PDMS dal wafer master.

Posizionare il calco su una superficie morbida ricoperta di un foglio di alluminio, in modo che il lato modellato sia rivolto verso l'alto e praticare un foro nel PDMS all'ingresso della camera e all'ingresso del canale, utilizzando un punzone per biopsia da un millimetro. Quindi, aggiungere un po' di PDMS con agente indurente a un vetrino pulito e centrifugare uno strato sottile a 3.000 giri/min per 30 secondi. Quindi, cuocere lo scivolo a 65 gradi Celsius per almeno un'ora.

Pulire il vetrino e il calco PDMS con nastro adesivo. Trattare le superfici del vetrino rivestito e del PDMS stampato con plasma ad ossigeno utilizzando un trattamento corona. Si noti che ogni superficie deve essere trattata per almeno un minuto.

Quindi, premere delicatamente le superfici insieme e cuocerle per una notte a 65 gradi Celsius. Mescolare le particelle di polistirene fluorescente sospese in acqua con acqua e glicerolo in una fiala di vetro per ottenere un rapporto volume/volume di 64 a 36 di glicerolo rispetto all'acqua contenente lo 0,25% di particelle in peso. Quindi, posizionare una goccia della soluzione di glicerolo sopra l'ingresso del canale e una goccia di acqua deionizzata sull'ingresso della camera.

Quindi, posizionare l'apparecchio all'interno di un essiccatore e aspirare per circa cinque minuti. Prima di rilasciare il vuoto, attendere che le bolle che si formano nelle gocce di soluzione di glicerolo e acqua deionizzata scoppino . Al rilascio del vuoto, i liquidi vengono aspirati nei vuoti all'interno del dispositivo.

Se all'interno dei canali rimane aria residua, eliminarla applicando una pressione esterna sui fluidi utilizzando una siringa e lasciando che l'aria si diffonda nel PDMS. Quindi, iniettare circa due millimetri di acqua deionizzata nella camera superiore fino a riempirla completamente d'acqua. Quindi, coprire la camera con una punta di siringa smussata calibro 19.

Tagliare la punta di un'altra punta smussata della siringa calibro 19 e inserire questa punta nell'ingresso laterale della camera. Collegare entrambe le punte della siringa a una siringa da un millilitro utilizzando un tubo sottile in teflon e un connettore a forma di T. Assicurarsi che la siringa da un millilitro, il tubo in teflon, il connettore a forma di T e la camera superiore siano tutti pieni d'acqua, senza bolle.

Quindi, collegare la siringa da un millilitro a una pompa a siringa e programmarla in modo da imitare un ciclo di respirazione silenzioso come descritto nel protocollo di testo allegato. Per ottenere immagini di simmetria del vilo di microparticelle, posizionare il dispositivo sul tavolino di un microscopio invertito. Quindi, accendere il laser Nd:YAG a doppia pulsazione e caricare il software di analisi delle immagini sul computer.

Durante l'azionamento del dispositivo, è possibile ottenere una serie di immagini a doppio fotogramma ad aggancio di fase da nove a dodici del flusso inseminato di particelle, utilizzando un sistema di simmetria vilo con immagini a microparticelle in conformità con le specifiche dei produttori. Per ottenere immagini a doppio fotogramma ad aggancio di fase, acquisire una serie di fotogrammi doppi a 10 hertz. Quindi, riorganizzare i dati in modo che tutte le coppie incorniciate separate da un tempo di ciclo completo formino una nuova serie temporale.

Utilizza la somma dell'algoritmo di correlazione per calcolare la mappa vettoriale della velocità ad aggancio di fase in modo che il campo di flusso risultante dalla serie di immagini. Ripetere questo processo più volte con tempi di ritardo variabili tra il primo e il secondo fotogramma di ciascuna coppia di fotogrammi per risolvere diverse regioni di flusso all'interno della cavità alveolare. Successivamente, utilizzare un programma di analisi dei dati per unire le singole mappe di flusso in una mappa completa e altamente dettagliata dei modelli di flusso calcolando la media dei punti dati sovrapposti.

Una caratteristica fondamentale della piattaforma acinar microfluidica qui presentata è la sua capacità di riprodurre movimenti respiratori fisiologicamente realistici che danno origine a profili di flusso fisiologici e velocità all'interno dei dotti acinari e all'interno degli alveoli. I profili di velocità del flusso lungo la larghezza dei canali mostrano un calo costante delle velocità di flusso verso le generazioni di acinari più profonde. I profili di flusso vicino e all'interno delle cavità alveolari mostrano che le magnitudini del flusso scendono ripidamente lungo l'apertura degli alveoli.

Il risultato è una velocità del flusso che è da due a tre ordini di grandezza più lenta all'interno degli alveoli rispetto ai condotti. Inoltre, i modelli di flusso cambiano considerevolmente con l'aumentare della generazione di acinari. Mentre la prima generazione presenta una zona di ricircolo, che coincide approssimativamente con il centro degli alveoli, la terza generazione è caratterizzata da una zona di ricircolo che è spostata verso il lato prossimale degli alveoli con un modello di linea di flusso più aperto.

Infine, nella quinta generazione di dispositivi si osservano linee di flusso radiali senza zona di ricircolo. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in poche ore se eseguita correttamente. Seguendo questa procedura, che consente la visualizzazione del flusso in geometrie acinose, la piattaforma può essere utilizzata per tracciare singole particelle sospese nell'aria al fine di esplorare la dinamica e la posizione delle particelle inalate.