La diffusione dei rivelatori passivi nel flusso laminare Shear
1 maggio 2018
Un protocollo per lo studio della diffusione dei rivelatori passivi a flusso laminare di pressione-driven è presentato. La procedura è applicabile per varie geometrie di tubo capillare.
L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di osservare la diffusione di traccianti passivi in tubi capillari di varie sezioni geometriche. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della fluidodinamica su piccola scala, come la diffusione di sostanze chimiche nei flussi laminari e nei tubi capillari. Il vantaggio principale di questa tecnica è che è semplice ed economica da produrre e adatta per tubi capillari di sezione trasversale arbitraria.
Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sulla dinamica del flusso laminare su piccola scala, può essere applicato anche ad altri sistemi come gli esperimenti su scala microfluidica, grazie alle somiglianze dinamiche. Abbiamo tentato questi esperimenti per la prima volta dopo aver ottenuto un risultato teorico ed eseguito simulazioni numeriche. Questi hanno suggerito una relazione tra le asimmetrie nello spargimento del soluto e la geometria della sezione trasversale del tubo.
Costruisci la configurazione sperimentale su una panchina. Alcuni componenti del sistema sono stampati in 3D, tra cui il serbatoio e il perno dell'iniettore dotato di un ago di iniezione. C'è anche un connettore esagonale e tubi, in cui avviene il flusso.
La geometria del tubo è una variabile dell'esperimento. Queste sono due sezioni trasversali campione utilizzate in questo esperimento. Il rapporto tra il lato corto e quello lungo della sezione trasversale è ciò che varia.
Ogni tubo ha due piastre stampate in 3D per supportarlo nella configurazione. L'esperimento richiede due pompe a siringa, una delle quali programmabile. Per i fluidi, tenere a portata di mano una soluzione di colorante di fluoresceina e una fonte di acqua distillata.
Per impostare la pompa programmabile, riempire una siringa di plastica da 12 millilitri con acqua distillata. Quindi inserire una punta di erogazione in plastica sulla siringa. Quindi montare la siringa nella pompa a siringa e collegare un tubo flessibile lungo 30 centimetri alla sua punta.
Riempire una siringa di plastica da tre millilitri con una punta di erogazione con la soluzione di colorante fluoresceina. Spingere manualmente lo stantuffo della siringa per riempire la camera interna del perno dell'iniettore. Fermarsi quando la camera è completamente piena e non c'è aria intrappolata all'interno.
Quindi montare la siringa in una seconda pompa a siringa. Quindi fissare il perno dell'iniettore al banco da laboratorio in modo che il tubo rimanga collegato alla siringa. Inserire quattro viti lunghe con rondelle nei quattro fori che circondano l'ago di erogazione dell'iniettore.
Il prossimo passo è lavorare con il connettore esagonale. Identificare l'intaglio circolare su ciascun lato del connettore e posizionare un O-ring in ciascuno di essi. Quindi portare il connettore esagonale al polo dell'iniettore, orientarlo in modo che il foro più grande sia rivolto verso il polo dell'iniettore, allineare i suoi fori con le quattro viti e inserire le viti.
Al termine, assicurarsi che gli O-ring non si siano spostati fuori posto. Prendi il tubo dalla pompa a siringa, collegalo al raccordo sul fondo del connettore esagonale. Quindi, selezionate la geometria del tubo per l'esperimento.
Il tubo in questo caso è un tubo con una sezione trasversale rettangolare di un millimetro per 10 millimetri. Sul connettore esagonale, utilizzare una piastra terminale con il tubo e assicurarsi che l'ago di iniezione entri nel tubo. Quindi inserire le viti che si estendono dal connettore nella piastra terminale.
Ora prendi il serbatoio. Dovrebbe avere il suo O-ring in posizione. Posizionarlo all'altra estremità del tubo e fissare il tubo al serbatoio utilizzando una piastra terminale, viti e rondelle.
Anche in questo caso, assicurarsi che gli O-ring rimangano nella loro posizione corretta. Allineare il serbatoio con il perno dell'iniettore e fissarlo al tavolo. Nella parte superiore del connettore esagonale inserire una siringa da tre millilitri con una punta di erogazione in plastica.
Per la raccolta dei dati, posizionare due luci a tubo UVA lunghe 61 centimetri su entrambi i lati del tubo. Predisporre una fotocamera sopra il tubo per scattare una foto del tubo ogni secondo. Inizia riempiendo il serbatoio con acqua distillata.
Dovrebbe essere riempito leggermente sopra il tubo. Quindi premere sulla siringa di acqua distillata da 12 millilitri. Questo riempirà il tubo d'acqua.
Accendi le luci del tubo UVA e oscura la stanza. Sciacquare il tubo con la pompa a siringa prima di scattare una singola immagine di riferimento del tubo riempito con acqua distillata pura. Quindi impostare la pompa programmabile per iniettare acqua a una velocità lenta ma non farla funzionare.
Spingere lo stantuffo della siringa del colorante. Questo inietta una cucchiaiata di soluzione di circa tre millimetri di spessore. Quindi far funzionare la pompa a siringa programmabile per cinque minuti.
Dopo questo il bolo è lontano dall'ago. Ora tirare manualmente lo stantuffo della siringa di colorante all'indietro. Questo aspira l'acqua per garantire che il colorante non raggiunga l'ago.
Attendere che il bolo del colorante si diffonda sulla sezione trasversale del tubo. Per questo tubo sottile il tempo di attesa è di oltre 12 ore. La soluzione colorante deve essere iniettata e poi tirata indietro con grande cura.
Questi sono i passaggi più delicati del protocollo. Se si verifica un errore, riavviare la procedura. La pratica lo rende più facile e ripetibile.
Una volta stabilite le condizioni iniziali, studiare il flusso utilizzando una velocità di pompaggio lenta. Avviare contemporaneamente la pompa e la fotocamera. Lasciali correre entrambi per cinque minuti.
Al termine, tieni un righello accanto al tubo e scatta un'immagine di calibrazione. Le immagini dell'esperimento sono al di sopra delle curve di concentrazione dedotte in tre diversi momenti non dimensionali durante l'esperimento. Questi dati si riferiscono a un tubo sottile, per il quale il rapporto tra i lati corti e lunghi della sezione trasversale del tubo è piccolo.
La forma della distribuzione cambia man mano che il bolo del colorante si sposta a valle. La simmetria gaussiana iniziale nella direzione longitudinale viene rapidamente interrotta. Le simulazioni Monte Carlo, con una distribuzione iniziale e una portata corrispondenti, confermano i risultati sperimentali in due diversi tempi adimensionali.
Le linee continue sono dati sperimentali e le linee tratteggiate sono i risultati della simulazione. Questo confronto è per un tubo sottile con un piccolo rapporto tra i lati corti e lunghi della sezione trasversale. Le simulazioni Monte Carlo forniscono anche una conferma nel caso di un tubo spesso, dove il rapporto tra le lunghezze della sezione trasversale è vicino a uno.
Si noti la differenza nell'evoluzione della concentrazione tra i tubi sottili e spessi. Nel tempo il tubo sottile ha soluto con una parte anteriore affilata e una coda affusolata. Il tubo spesso ha il profilo opposto.
Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in circa un'ora se eseguita correttamente. Ciò esclude il tempo di attesa per la diffusione della concentrazione di colorante attraverso la sezione trasversale. Durante il tentativo di eseguire questa procedura è importante ricordarsi di lavare lentamente il tubo prima della prova sperimentale e di prestare la massima attenzione quando si creano le condizioni iniziali.
Dopo aver visto questo video dovresti avere una buona comprensione di come osservare la diffusione del soluto nel flusso laminare attraverso tubi capillari di sezioni d'urto arbitrarie.
Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo per lo studio della diffusione di traccianti passivi in un flusso laminare generato da pressione all'interno di tubi capillari. Il metodo è applicabile a diverse geometrie, fornendo informazioni sulle dinamiche dei fluidi su piccola scala.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Dinamica dei fluidi
- Microfluidica
- Flusso capillare
Sfondo
- Lo studio si concentra sulla diffusione di sostanze chimiche in flussi laminari.
- Esplora la relazione tra la dispersione del soluto e la geometria del tubo.
- La tecnica è semplice ed economica.
- Può essere applicata a sistemi microfluidici grazie alle somiglianze dinamiche.
Scopo dello studio
- Osservare i modelli di diffusione di traccianti passivi in tubi capillari.
- Studiare gli effetti di diverse geometrie della sezione trasversale sulla diffusione.
- Migliorare la comprensione della dinamica dei fluidi su piccola scala.
Metodi Utilizzati
- Costruzione di un impianto sperimentale mediante l'uso di componenti stampati in 3D.
- Utilizzo di pompe per siringhe per l'iniezione di fluidi.
- Iniezione del colorante fluoresceina per visualizzare la diffusione.
- Raccolta dei dati mediante acquisizione di immagini e analisi delle curve di concentrazione.
Risultati principali
- I modelli di diffusione variano notevolmente in base a diverse geometrie dei tubi.
- Le simulazioni Monte Carlo confermano i risultati sperimentali.
- La simmetria gaussiana iniziale nella distribuzione del colorante viene alterata nel tempo.
- Differenze nell'evoluzione della concentrazione osservate tra tubi sottili e spessi.
Conclusioni
- Il protocollo dimostra efficacemente l'impatto della geometria sulla diffusione.
- I risultati contribuiscono alla comprensione della dinamica del flusso laminare.
- Il metodo è ripetibile e può essere adattato per diverse applicazioni.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La comprensione della diffusione di traccianti passivi in un flusso laminare fornisce informazioni meccanicistiche sul trasporto di soluti, rilevante per la somministrazione di farmaci e la progettazione di saggi microfluidici. Il metodo consente di valutare come la geometria del canale influisce sui modelli di dispersione, supportando la modellizzazione predittiva nello sviluppo formulativo iniziale. Questo approccio aiuta a ridurre le incertezze legate al trasporto prima di passare a sistemi biologici complessi.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Chiarisce come il microambiente fluidico influisca sulla distribuzione molecolare, fornendo indicazioni sulle ipotesi di interazione con il bersaglio in condizioni di flusso.
- Valore operativo: Offre un sistema economico e riproducibile per analizzare il comportamento diffusivo senza l'uso di strumentazione complessa.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Permette la standardizzazione dei profili di dispersione del tracciante attraverso diverse geometrie, migliorando l'affidabilità del saggio nelle piattaforme microfluidiche.
- Valore operativo: Favorisce lo sviluppo di dispositivi microfluidici con geometria controllata per una miscelazione costante dei reagenti e una cinetica delle reazioni uniforme.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Collega la dinamica del flusso in vitro ai fenomeni di trasporto in vivo, aumentando la rilevanza traslazionale dei modelli di malattia basati su microfluidica.
- Valore operativo: Facilita l'ottimizzazione dipendente dalla geometria dei profili di rilascio dei farmaci nei sistemi di somministrazione basati sui capillari.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nei flussi di lavoro della fase iniziale di scoperta e di ottimizzazione dei saggi, fornendo dati quantitativi sulla diffusione del soluto in condizioni di flusso laminare, utili per la progettazione di strumenti di screening microfluidici.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi su come il flusso del microambiente influisca sulla distribuzione dei biomarcatori e sull'accessibilità del bersaglio.
- Screening: Fornisce metriche quantitative e riproducibili della dispersione, essenziali per la standardizzazione dei saggi e la conferma dei risultati positivi.
- Analisi: Genera letture di concentrazione nel tempo che permettono il confronto tra coefficienti di diffusione in diverse formulazioni o condizioni.
- Ricerca traslazionale: Collega le osservazioni ottenute con microfluidica agli ambienti fisiologici di flusso, favorendo l'estrapolazione al trasporto a livello tissutale.
- Riutilizzo aziendale: Rappresenta una piattaforma modulare e adattabile, applicabile in diversi progetti che richiedono la caratterizzazione della dinamica dei fluidi.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduce l'ambiguità meccanicistica nel trasporto di soluti isolando gli effetti geometrici sulla diffusione in condizioni di flusso controllato.
- Valore operativo: Garantisce standardizzazione e riproducibilità grazie a un apparato semplice e a basso costo, realizzato con materiali e pompe facilmente reperibili.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione nello sviluppo di formulazioni, prevedendo precocemente le prestazioni legate alla dispersione.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione degli sistemi di somministrazione dei farmaci adeguata al rischio, basata sul comportamento di trasporto previsto in geometrie confinate.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in dinamica dei fluidi e assemblaggio di sistemi microfluidici.
- Si basa su pompe a siringa, componenti stampati in 3D e imaging a fluorescenza per la raccolta dei dati.
- Necessita di una standardizzazione dei protocolli relativi ai tempi di iniezione e diffusione tra diversi utenti e laboratori.
- Richiede considerazioni di adattamento quando si applicano i risultati a rapporti dimensionali diversi dei canali o a matrici biologiche differenti.
- È limitato dalla necessità di tempi prolungati di equilibrazione (ad esempio, >12 ore) per ottenere condizioni iniziali uniformi in canali stretti.
