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

このモデルシステムの全体的な目標は、肺腺房の形状と呼吸運動を模倣して、腺房の気流パターンと浮遊微粒子の軌跡を研究することです。この方法は、Acinar Transport Phenomena の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。例えば、重力、薬物、拡散が粒子の堆積結果に及ぼす影響などです。

この手法の主な利点は、スケールアップされたモデルではなく、1対1のスケールモデル内で実験が行われることです。これにより、粒子のブラウン運動を正確に観察することができます。この技術の意味は、エアロゾル化された薬物沈着の理解を深めることができるため、吸入療法にまで及びます。

まず、絶縁体ウェーハ上のシリコンの深層反応性イオンエッチングを使用して、前述のようにマスターシリコンウェーハを作製します。次に、PDMSと硬化剤を10対1の重量比で、清潔な小さな容器内で混合します。デシケーターで真空下で混合物を脱気し、すべての気泡が除去されるまで脱気します。

マスターウェーハをシャーレにセットし、脱気したPDMS混合物をマスターウェーハから約1mmの高さまで注ぎます。ウェハの上の気泡がすべて除去され、ウェハの下の気泡が最小限に抑えられるまで、注がれたPDMSを少なくとも40分間再度脱気します。ウェーハがプレートの底にできるだけ近づいていることを確認してください。

必要に応じて、2本の攪拌棒を使用してウェーハを静かに底に押し込み、もう一度脱気します。次に、PDMSを摂氏65度で自然対流式オーブンで20分間焼きます。PDMSをベーキングしている間に、プラスチック製の2ミリリットルシリンジのバレルセクションをヤスリで削り、細かいグリットサンドペーパーを使用してPDMSへの接着を改善します。

さらに、サンドペーパーを使用して、サンドペーパーを平らな面に置き、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で、シリンジバレルのベースを平らにします。シリンジから破片を加圧空気で取り除きます。次に、シリンジのバレル部分を最初のPDMSレイヤーの上に置き、大きな開口部をPDMSの表面に向けています。

PDMSがシリンジのバレルに入らないようにしながら、最初の層の上にPDMSの2番目の層を約5ミリメートルの高さまで注ぎます。その後、PDMSを再度脱気します。セットアップ全体を摂氏65度で自然対流式オーブンで少なくとも2時間焼き、PDMSを硬化させます。

マスターウェーハのパターン化された領域の周りのPDMSモールドをメスで切り抜きます。切断中、メスはウェーハの表面に弱く触れる必要があります。次に、メスでできた切り込みにウェーハ鉗子などの細い工具をそっと挿入し、マスターウェーハからキャストされたPDMSを剥がします。

アルミホイルで覆われた柔らかい表面にキャストを置き、パターン化された面が上を向くようにし、1ミリメートルの生検パンチを使用して、チャンバー入口とチャネル入口のPDMSに穴を開けます。次に、硬化剤を含むPDMSの一部をきれいなスライドガラスに加え、3、000RPMで30秒間薄層をスピンコートします。次に、スライドを摂氏65度で少なくとも1時間焼きます。

スライドとPDMSキャストをスコッチテープで清掃します。コーティングされたスライドガラスと成形されたPDMSの表面を、コロナ処理装置を使用して酸素プラズマで処理します。各表面は少なくとも1分間処理する必要があることに注意してください。

次に、表面をそっと押し合わせ、摂氏65度で一晩焼きます。ガラスバイル中の水懸濁蛍光ポリスチレン粒子を水およびグリセロールと混合して、0.25重量%の粒子を含む水に対するグリセロールの体積比が64対36になるようにします。次に、グリセロール溶液をチャネル入口の上に一滴、チャンバー入口に一滴の脱イオン水を置きます。

次に、装置をデシケーター内にセットし、約5分間真空を引きます。真空を解放する前に、グリセロール溶液と脱イオン水の滴に形成される気泡がはじけるのを待ちます。真空放出されると、液体はデバイス内部の空隙に引き込まれます。

チャネル内に残留空気が残っている場合は、シリンジを使用して流体に外圧を加え、空気をPDMSに拡散させることで空気を排除します。次に、上部チャンバーに約2mmの脱イオン水を注入し、水で完全に満たされるまで注入します。次に、チャンバーを19ゲージの鈍いシリンジチップで覆います。

別の鈍い19ゲージシリンジチップの先端を切り取り、この先端をサイドチャンバーインレットに挿入します。細いテフロンチューブとT字型コネクタを使用して、両方のシリンジチップを1ミリリットルのシリンジに接続します。1ミリリットルのシリンジ、テフロンチューブ、T字型コネクタ、および上部チャンバーがすべて水で満たされ、気泡がないことを確認してください。

次に、1 ミリリットルのシリンジをシリンジ ポンプに接続し、付属のテキスト プロトコルで説明されているように、静かなタイトル呼吸サイクルを模倣するようにプログラムします。微粒子のビロ対称画像を取得するには、デバイスを倒立顕微鏡のステージに置きます。次に、ダブルパルスNd:YAGレーザーをオンにし、画像解析ソフトウェアをコンピューターにロードします。

デバイスが作動している間に、製造元の仕様に従って微粒子画像バイロ対称システムを使用して、粒子播種流れの一連の9〜12フェーズロックダブルフレーム画像を取得します。位相同期されたダブルフレームイメージを実現するには、10 ヘルツのダブルフレームシリーズを取得します。次に、完全なサイクル時間で区切られたすべてのフレーム化されたペアが新しい時系列を形成するように、データを再編成します。

相関アルゴリズムの合計を使用して、位相ロック速度ベクトル マップを計算し、画像系列から結果として得られる流れ場を計算します。このプロセスを数回繰り返し、各フレームペアの1フレーム目と2フレーム目の間で遅延時間を変化させながら、歯槽腔内の異なる流れ領域を解決します。次に、データ分析プログラムを使用して、重なり合うデータポイントを平均化することにより、個々のフローマップをつなぎ合わせて、フローパターンの完全で詳細なマップを作成します。

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、腺房管内および肺胞内で生理学的の流れプロファイルと速度を生じさせる生理学的に現実的な呼吸運動を再現する能力です。チャネルの幅を横切る流速プロファイルは、より深い腺房世代に向かって流量が着実に低下することを示しています。肺胞腔の近くおよび内部の流れプロファイルは、肺胞の開口部に沿って流れの大きさが急激に低下することを示しています。

その結果、肺胞内の流速は管に比べて2〜3桁遅くなります。さらに、腺房の生成が増加すると、フローパターンは大幅に変化します。第1世代は、肺胞の中心とほぼ一致する再循環帯を特徴とし、第3世代は、より開放的な河川線パターンで肺胞の近位側にシフトする再循環帯を特徴としています。

最後に、再循環ゾーンのない放射状の流線は、デバイス第5世代で観察されます。このテクニックを習得すると、適切に実行すれば数時間で完了します。この手順により、腺房形状での流れの可視化が可能になり、このプラットフォームを使用して単一の空中浮遊粒子を追跡し、吸入された粒子のダイナミクスと位置を調べることができます。