肺腺房エアウェイズ呼吸バイオミメティックのマイクロ流体モデル

サマリー

Soft-lithographyは、生理的な呼吸運動を模倣して、周期的に膨張および収縮する肺胞の気道の代表的な真のスケールモデルを作成するために利用されました。このプラットフォームは、チップ上に呼吸房の流れを再現し、吸入されたエアロゾルのダイナミクスと肺房への沈着の実験的研究を促進することが期待されています。

要約

肺腺房の深さで呼吸流動特性を定量化し、それらがどのように吸入エアロゾルの輸送に影響を与えることは、薬剤の吸入技術を最適化するだけでなく、肺胞における潜在的に有毒な浮遊粒子の堆積パターンを予測に向けて非常に重要です。ここでは、ソフトリソグラフィ技術は、光学的にアクセス可能なシステム生理腺房流現象を再現真実解剖学的な長さスケールで複雑な腺房様気道構造体を製造するために使用されます。マイクロ流体デバイスは、定期的に伸縮壁とハチの巣状のダクトを分岐の5世代を備えています。壁の作動は、側面と装置の上部から両方薄いPDMS腺房チャネル壁を周囲の水充填チャンバ内の圧力を変化させることによって達成されます。いくつかのPDMSモールドの積層が必要とされる共通の多層マイクロ流体デバイスとは対照的に、簡単な方法は、トップを製造するために提示されていますPDMSモールドの中に注射器の胴部を埋め込むことにより、チャンバ。この小説マイクロ流体セットアップは、順番に特徴的な腺房空気の流れを生じさせる生理的な呼吸運動を実現します。現在の研究では、液体の懸濁粒子とミクロ粒子画像速度測定（μPIV）は、流体力学的類似性マッチングに基づいて、そのような空気の流れを定量しました。 μPIV結果と期待される腺房流動現象の間の良好な一致は、マイクロ流体プラットフォームは、肺の腺房領域に直接空気中の代表的な粒子輸送と沈着を調査する試験管ツールで魅力として近い将来に役立つことができることを示唆しています。

概要

遠位の呼吸器流動力学の詳細な定量化、肺のハチの巣状の領域は、肺腺房に混合し、最も深い気道^1-3の吸入エアロゾルの運命を予測する空気の流れを理解することに向けて非常に重要です。一方で吸入汚染物質粒子の危険性に対処したり、逆にローカライズされた肺サイト^4、5にだけでなく、全身送達のための吸入治療薬の改善されたと標的薬物送達のための新規の戦略を模索中と、この後者の側面は、特に懸念されます。

現在までに、深い肺の腺房領域における呼吸の流れは、典型的には、流体力学的類似性マッチング以下の計算流体力学（CFD）または代わりにスケールアップ実験モデルを用いたin vitroでを使用して、in silicoで研究されてきました。過去数十年では、CFDの方法は、ますますSINGLから、腺房流動現象を研究するために適用されていますハチの巣状のダクトの複数世代で、個々の肺胞^13-15の数百までの解剖学的に現実的な腺房ツリー構造を取り込むシリコモデルで電子肺胞モデル^6、7、ハチの巣状のダクト^8-12に、より精巧な。

一緒に、数値の努力が腺房気流パターンをその後の動きを呼吸の間に壁運動の役割と影響力に光を流しに極めて重要でした。呼吸運動が存在しない場合には、静的な肺胞機能の再循環は、腺房ダクトと歯槽^6、7との間に空気の対流交換を示さないそれらの空洞内を流れます。換言すれば、歯槽フローが完全に腺房ツリー内の流れから単離されるであろう空気の交換は拡散機構から一意に生じます。歯槽ドメインの巡回拡張の​​存在と、しかし、肺胞の流れトポロジは大幅に変更されたとRESUされています肺胞の内部lting流れのパターンは、密接腺房ツリー（ 例えば 、遠位世代対近位）に沿って歯槽の場所に関連付けられています。

特に、それは、肺胞の流れパターンが強く、この比率が比較的大きい肺の腺房ツリーの近位世代ツリー構造を横切る質量保存以下のように導管流量に肺胞の比によって影響されるシミュレーションで機能を仮定されています複雑な再循環は、不可逆的な流体パスラインと歯槽空洞内部を流れます。各深い腺房発生で、乳管の流量に肺胞の比率が徐々に遠位腺房世代はシンプルinflationsとバルーンのデフレーションを連想させるより放射状のような流線を示すように減少します。近代的なイメージングモダリティの進歩により、ラットやマウスなどの肺イメージングデータ^16、げっ歯類の^17は 、最初にCFDサイマルのいくつかに上昇を与えています解剖学的に再構築された腺房のationsが再構築された肺胞に流れます。そのような有望な進歩にもかかわらず、これらの最近の研究では、依然として、端末肺胞嚢のみ^18、19または単一ダクト^20を囲むいくつかの肺胞に気流現象に対処することに限定されています。その結果、腺房の呼吸器流動現象の最先端の研究が腺房環境²の一般的な解剖学的にインスピレーションを得たジオメトリに焦点を当てた研究によって支配されたまま。

実験側では、1つまたはいくつかの肺胞で気道をフィーチャーした各種設定は年間^21-24にわたって開発されてきました。しかし、呼吸状に伸縮することにより、生理的呼吸を模倣することが可能であるハチの巣状の気道を分岐のない実験モデルは存在しません。手元にある魅力的な実験プラットフォームの欠如を考えると、腺房輸送現象の研究はvalidaに関して制限されたままティン計算の研究と批判的に、利用可能な実験データの不足が残っています。 。近年では、馬ら （2009）は、3つの房の世代から成る腺房のスケールアップ剛体壁モデルを構築しました。しかしながら、このモデルにおける壁運動の欠如は、呼吸条件下での現実的な肺胞の流れのパターンを捕捉する能力を制限しました。

最近^25を導入されたキャストレプリカからの解剖学的データに基づいて、移動壁モデルを含む他のスケールアップ実験。モデルは最後の2腺房世代（ すなわち 、ターミナル嚢）を捕捉したので、しかし、それは、より近位の腺房世代を特徴づける複雑な再循環フローをキャプチャするために失敗しました。スケールアップ実験のこれらの後者の実施例は、このようなアプローチとの継続的な限界を強調しています。具体的には、既存の実験はこれまでに沿って半径方向の流れに再循環させるから仮説の移行を示しませんでした腺房、それによって実際の肺の腺房の木^7に存在すると仮定流れトポロジの数値予測^、15を確認。おそらく最も批判的に、スケールアップ実験は極めてにより、関連するすべての非マッチングの難しさに吸入粒子輸送と沈着ダイナミクス^26を捜査に限定されています次元のパラメータ（ 例えば 、粒子拡散、サブミクロン粒子のための重要な輸送機構は、完全に無視されます）。

現在進行中の実験的な課題、複雑な移動壁内の空気の流れと粒子ダイナミクス呼吸の調査を可能にする新しい実験プラットフォームと腺房ネットワークが求められています。ここでは、 生体外房モデルに解剖学的にインスピレーションを得導入されます。このマイクロ流体プラットフォームを模倣肺腺房は、代表的な腺房スケールで直接流れ、気管支液体プラグ-floのを含め、肺微小流体モデル^27、の成長の範囲を広げますWS ^28-30と肺胞毛細血管関門^31。

すなわち、本発明の設計は、環状運動、薄いPDMS側壁を取り囲み、上壁を追加の水で変形される水室の内部圧力を制御することによって達成されて周期的に伸縮壁と簡略化5世代胞状の気道ツリーを備え腺房構造の上に直接座っ室。一般的な多層マイクロ流体デバイスとは異なり、このチャンバは、単純にPDMS装置内の注射器の胴部を埋め込むことにより形成され、追加のPDMSモールドの調製を必要としません。

ここで紹介する小型化されたアプローチは、腺房の流れ環境の基礎となる特性をキャプチャしながらスケールアップモデルと比較して、壁を移動すると、複雑な腺房構造を再生するためのシンプルで汎用性の高い手段を提供しています。このプラットフォームは、FLOのために使用することができます気道内の流体懸濁​​粒子を用いワット可視化（以下代表的な結果を参照してください）​​。近い将来には、モデルは、吸入腺房粒子のダイナミクスを研究するための浮遊粒子に使用されます。

プロトコル

1.マスター製作

1. 前者の作品^32、33に記載されるように、マスターシリコンウェハを製造するために、絶縁体（SOI）ウェハ上にシリコンの深い反応性イオンエッチング（DRIE）を使用します。
   注：DRIEが原因で高アスペクト比の特徴（幅40μmと90μmのディープトレンチ）に標準SU-8微細加工に好適です。

2.鋳造およびマイクロ流体デバイスのシーリング

1. 例えば、プラスチック秤量皿のようにきれいな小さな容器内の1の重量比：10でPDMSと硬化剤を混ぜます。
2. すべての気泡が除去されるまで真空下でデシケーター中の混合物を脱気。
   注：すべての後続のステップのための十分なPDMSを準備します。 1 PDMS：ここでは以下、頭文字「PDMS」は脱気10を常に指しステップ2.1および2.2で調製した硬化剤混合物。
3. マスターウエハ上約1ミリメートルの高さに脱気し、混合物を注ぎます。少なくともため再びドガウェハ上にすべての気泡を除去し、ウエハ下の気泡を最小限にするために40分。
   注：ウエハがプレートの底にできるだけ近いことを確認します。底に緩やかに必要なキーを押したウエハは、再び2攪拌棒と脱ガスを使用している場合。
4. 自然対流オーブン内で20分間65℃で焼きます。
   注：20分後、PDMSが硬化し、ほぼ完全に硬化されます。長い焼成時間は可能であるが20分間ベーキングは、最初の1に（下記参照）、時間を節約し、第二のPDMS層の密着性を向上させます。
5. PDMSへの接着性を向上させるために微細なグリットサンドペーパーを使用してプラスチック2ミリリットルの注射器の胴部をファイル。また、平らな面にサンドペーパーを置き、その上にシリンジバレルのベースをスライドさせることにより、シリンジバレルの底を平らにするサンドペーパーを使用します。加圧された空気を使用して注射器を清掃してください。
6. ラとの最初のPDMS層の上に注射器の胴部を配置RGE開口PDMSの表面に直面し、そして〜5ミリメ​​ートルの高さと第1の上部にPDMSの第二の層を注ぎ、そしてデシケーター中で再びPDMSを脱気。
   注：第PDMS層は、バレルの周りの小容器から注がれるべきであり、その中に入るべきではありません。
7. 自然対流オーブン中で少なくとも2時間、65℃で全体設定を焼きます。
   注：バレルの広いベースに押し付けPDMSの重量が所定の位置にしっかりとバレルを保持しているため、硬化プロセスの間に所定の位置にバレルを保持する必要はありません。
8. メスを使用して、マスターウエハのパターン領域の周りにPDMSモールドカットスルー。切断が、メスは弱く、ウェハの表面に触れなければなりません。そして、静かにメスによって作成されたノッチに、ウェハの鉗子のような薄い工具を挿入して、マスターウェーハからPDMSキャ​​ストをはがします。
9. パターン形成された側とアルミ箔で覆われた柔らかい物の上にキャストを置きます上を向いて（ すなわち 、バレルは、テーブルの端からハングアップする必要があります）、および1ミリメートル生検パンチを使用して、チャンバ入口とチャネル入口でPDMSに穴をパンチ。
10. コー​​ト（脱気）10ときれいなガラススライド：1 PDMS：硬化剤混合物を30秒間3000rpmでプログラムされたスピンコーターを用いて、65℃で> 1時間焼きます。その後、スライドをきれいにし、PDMSは、明確なテープを使用してキャストします。
11. 1分間のO ₂プラズマ（ 例えば、手持ちのコロナ処理機を使用して）とPDMSモールドとPDMSコーティングされたスライドガラスの表面を処理し、その後緩やかに65℃で一晩（O / N）で一緒に焼くの表面を押します。

3.デバイスの充填と作動

1. 0.25％（w / w）の粒子との64/36（v / v）のグリセロール/水混合物を得るために、ガラスバイアル中で水とグリセロールとの蛍光ポリスチレン粒子の懸濁水を混合..
2. チャネル入口の上にグリセロール溶液の液滴とDIワットのドロップを置きますER室入口には、〜5分間デシケーター真空内部の装置を配置します。
   注：ポップするグリセロール溶液及びDI水の液滴に形成泡のための真空待機を解除する前に。真空放出されると、液体は、装置内部の空隙に吸い込まれています。残留空気がチャネル内部のままである場合、（ 例えば 、注射器を用いて）流体に外部圧力を加えることによって、それを除去し、空気をPDMS中に拡散することを可能にします。
3. 上部チャンバーにDI水の約2ミリリットル注入（ すなわち、注射器のバレルは、 図2b）、それは完全に水で満たされるまで。その後、19ゲージの鈍注射器の先端で上部チャンバーをカバーする別の鈍19ゲージの注射器の先端部の先端をカットし、側室の入口にこのヒントを挿入します。薄いテフロンチューブとT字型コネクタを介して1ミリリットル注射器の両方のシリンジの先端を接続します。
   注：することを確認し1ミリリットルの注射器、テフロンチューブ、T字型コネクタと上部チャンバー（2ミリリットルの注射器バールEL）すべての気泡を含まない水で満たされています。これは、接続ポイントをオープン管の空のセクションを通して水を押し、接続点を再接続することによって達成することができます。
4. から、1秒に分/ゼロ1.8ミリリットルから、 すなわち 、例えば線形ランプで構成される（T = 4秒の周期で）静かな潮の呼吸サイクルを模倣するように事前にプログラムされたシリンジポンプに1 mlシリンジを接続します2秒で1秒でゼロに戻るml /分-1.8から-1.8 ml /分1.8 ml /分。

4.流れの可視化実験：マイクロ粒子画像流速（μPIV）

1. 粒子シードの流れの12位相ロックダブルフレーム画像デュアルフレーム多重露光CCDの例については、からなる微小粒子画像速度測定（μPIV）システムを用いて - 装置が作動している間、9の系列を得ますカメラ（ 例えば 、十分な分解能を達成するために1,600×1200ピクセル）、ダブルパルスNd-YAGレーザー（波長532nm、出力エネルギー：400ミリジュール、パルス持続時間：4ナノ秒）、そして倒立顕微鏡。
   注：このようなシステムは、第1および第2のフレームとの間の数マイクロ秒までの時間差でフレーム対を得ることができます。位相ロック二重フレーム画像を達成するために、 例えば、二重フレーム系列を取得するのに有用である。、10ヘルツを（フレーム対は、互いに0.1秒によって分離されます）。完全なサイクル時間（ここではT = 4秒）によって分離されているすべてのフレームペアが新しい時系列を形成するように、その後、データを再編成することができます。各フレームペアの第一及び第二のフレーム間の遅延時間を修正しながら、画像の取得は複数回繰り返されるべきである（ すなわち 、100マイクロ秒秒〜0.1）を歯槽キャビティ内の異なる流れ領域を解決します。
   注：画像取得システムの最高の組み合わせに関して有する代替のセットアップ（。 すなわち 、カメラ）と、照明源（ すなわち 、レーザ）などの画像へマイクロフローはまた^、34、35ご利用いただけます。
2. 使用されるそれぞれのタイムラグのための画像系列から得られた流れ場の位相ロック速度ベクトルマップを計算するために、和の相関アルゴリズムを使用します。歯槽キャビティ内の異なる流れ領域を解決するための各フレームペアの第一及び第二のフレーム間の遅延時間を変化させて、このプロセスを数回繰り返します。次に、重複データ点^33を平均化^することにより、フローパターンの完全かつ高詳細な地図にまとめ、個々のフローマップをステッチするために、データ解析プログラムを使用します。

結果

インビトロ腺房プラットフォームのコンピュータ支援設計（CAD）、顕微鏡画像は、図に示されています。 1。バイオミメティック腺房モデルは、肺胞のような円筒形の空洞（ 図1）と並ぶ長方形のチャネルを分岐の5世代を備えています。ここでは、モデルの世代は（最も遠位の世代のために）（最も近位の世代のための）1世代から第5世代に番号が付けられています。第1世代に通じる唯一のチャネル入口は、PDMSの開口部により、外部環境に開放されていることに注意してください。世代5から離れた大手16ダクトが空気に（ 図1a）を閉じたままにされています。定期的にチャンバ内の水の圧力を調節することによって、歯槽キャビティとダクトを構成する薄い壁が周期的に変形します。同時に、気道の天井は、ダクトの上方に位置する追加の水室によって垂直に変形されます。この上部チャンバーを作成しますシリンジのバレルは、架橋前にPDMSの内側に沈めた追加的な微小流体層の作製せずに、簡単な方法。これは、ハチの巣状のダクトと上部水室を分離する約...

ディスカッション

ここで紹介するマイクロ流体腺房プラットフォームの重要な特徴は、腺房ダクト内および肺胞の中に生理的流れプロファイルと速度を生じさせる生理的に現実的な呼吸の動きを再現する能力です。マイクロ流体チャネルは、比較的低いアスペクト比で製造されているので（ すなわち _、D / H≈3.9、W _dは 、ダクト幅であり、hはダクト高さw）は 、測定されたフローは、に比べて、プラグインのような流量特性を示します円形のチャネルに存在するであろう予想される放物線状の流れプロファイル。それにもかかわらず、測定速度は、生理的範囲内です。特徴次元レイノルズ数が、粘性力と慣性との比較、約0.01半経験的推定²次遠位腺房領域、半ばに対応する最大値をもたらすことがわかりました。

コンテンツ">ここでは、レイノルズ数が再として定義され=

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
ポリジメチルシロキサン(PDMS)および硬化剤	ダウ・コーニング	(240)4019862	シルガード® 184 シリコーンエラストマーキット
Plastipak 2 ml シリンジ	BD	300185
Norm-Ject ルアースリップ 1 ml シリンジ	Henke Sass Wolf	4010-200V0
1 mm バイオプシーパンチ	カイメディカル	BP-10F
ラボ用コロナ治療器	Electro-Technic Products	BD-20AC
PHD Ultra Syringe pump	Harvard apparatus	703006
Dyed red rqueous fluorescent particles	Thermo-Scientific		Uncatalloged 0.86 µmビーズは
グリセリンAR	ガドット	830131320
FlowMaster MITAS微粒子画像速度測定法(µPIV) システム	LaVision	1108630