Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-09T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 39 s
Description: 学ぶ肺胞気道のバイオミメティックマイクロ流体モデルによる呼吸運動の再現とエアロゾル粒子動態の解析。吸入療法の改善に向けた薬物沈着メカニズムの理解を深める。

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この作業は、欧州委員会(FP7プログラム)によって、キャリア統合助成金(PCIG09-GA-2011-293604)、イスラエル科学財団(助成金番号990/12)、およびテクニオン環境衛生および曝露科学センター(TCEEH)を通じて部分的に支援されました。 マイクロ流体チップのマイクロファブリケーションは、テクニオンのマイクロ・ナノ・ファブリケーション・ユニット(MNFU)で実施され、テクニオンのラッセル・ベリー・ナノテクノロジー研究所(RBNI)からのシードグラントの支援を受けました。著者らは、深層反応性イオンエッチング(DRIE)の支援を提供してくれた Avshalom Shai 氏と、有益な議論を提供してくれた Molly Mulligan 氏と Philipp Hofemeier 氏に感謝します。

1.マスター製作<ol><li>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。 </li></ol> 2.鋳造およびマイクロ流体デバイスのシーリング<ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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&gt; 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。 </li><li> 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。 </li></ol> 3.デバイスの充填と作動<ol><li> 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.. </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol> 4.流れの可視化実験：マイクロ粒子画像流速（μPIV） <ol><li>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。 </li><li>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。 </li></ol>

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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

<html>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&quot;&gt;ここでは、レイノルズ数が再として定義され= <su...

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。

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

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

A Microfluidic Model of Biomimetically Breathing Pulmonary Acinar Airways

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。

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...

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。

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

本モデルシステムの全体的な目的は、肺胞管（Pulmonary Acinus）の幾何学的形状と呼吸運動を模倣し、肺胞内の気流パターンおよび空気中の微粒子の軌道を研究することである。この手法は、重力、薬剤、および拡散が粒子の沈着結果に及ぼす影響など、肺胞輸送現象の分野における重要な疑問を解決するのに役立つ。この手法の主な利点は、拡大モデルではなく、1:1スケールのモデル内部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可能になります。エアロゾル化された薬剤の沈着についてより深い理解が得られるため、この手法の意義は吸入療法へと広がります。まず、既述の手法に従い、シリコン・オン・インシュレーター（SOI）ウェハの深掘り反応性イオンエッチングを用いて、マスターシリコンウェハを作製します。次に、清潔な小型容器内でPDMSと硬化剤を10:1の重量比で混合します。混合物をデシケーター内で真空脱気し、すべての気泡を取り除きます。マスターウェハーをペトリ皿に配置し、脱気したPDMS混合液をマスターウェハーより約1 mm高い位置まで注ぎます。注いだPDMSをさらに少なくとも40分間脱気し、ウェハー上の気泡をすべて除去し、ウェハー下の気泡を最小限に抑えます。このとき、ウェハーが皿の底にできるだけ密着していることを確認してください。必要に応じて、2本の撹拌棒を用いてウェハーを底に軽く押し付け、再度脱気を行います。次に、自然対流オーブンを用いてPDMSを65 °Cで20分間加熱します。PDMSの加熱中に、プラスチック製2 mLシリンジのバレル部分を細目のサンドペーパーで研磨し、PDMSへの密着性を向上させます。さらに、サンドペーパーを平らな面に置き、その上でシリンジバレル底部を滑らせることで、底部を平坦にします。加圧空気を用いて、シリンジから異物を清掃してください。その後、シリンジのバレル部分を、開口部の大きい方がPDMS表面を向くように、最初のPDMS層の上に配置します。1層目の上にPDMSをさらに注ぎ、高さ約5 mmまでにします。この際、PDMSがシリンジのバレル内に入らないように注意してください。その後、再びPDMSを脱気します。PDMSを硬化させるため、装置全体を自然対流式オーブンを用いて65 °Cで少なくとも2時間焼成します。メスを用いて、マスターウェハのパターン形成領域の周囲でPDMSモールドを切り離します。切断する際、メスがウェハの表面に軽く触れるようにしてください。その後、ウェハ用ピンセットなどの薄い器具をメスで作成した切り込みにそっと挿入し、マスターウェハからPDMSキャストを剥がします。キャストをアルミホイルで覆った柔らかい表面に、パターン面を上にして置きます。1 mmのバイオプシーパンチを使用して、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、硬化剤を混ぜたPDMSをきれいなガラススライドに滴下し、3,000 RPMで30秒間スピンコートして薄い層を作ります。その後、スライドを65 °Cで少なくとも1時間焼成します。スライドとPDMSキャストをスコッチテープを用いて洗浄します。コーティング済みガラススライドと成形済みPDMSの表面を、コロナ放電処理装置を用いて酸素プラズマ処理します。各表面を少なくとも1分間処理してください。次に、表面をそっと押し合わせ、65 °Cで一晩ベーキングします。ガラスバイアルの中で、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、重量比0.25%の粒子を含む、グリセロールと水の体積比が64:36になるように調製します。次に、チャネル入口の上にグリセロール溶液を1滴、チャンバー入口の上に超純水を1滴滴下します。次に、装置をデシケーター内に入れ、約5分間真空引きします。真空を解除する前に、グリセロール溶液と超純水の液滴内に生じた気泡が消えるまで待ちます。真空を解除すると、液体がデバイス内部の空隙に吸引されます。チャネル内に気泡が残っている場合は、シリンジを用いて液体に外圧をかけ、空気をPDMS中に拡散させることで除去します。次に、上部チャンバーが完全に満たされるまで、脱イオン水を約2 mm注入します。その後、19ゲージの鈍端シリンジチップでチャンバーを覆います。別の19ゲージの鈍針の先端をカットし、このチップをサイドチャンバーの入口に挿入します。2つのシリンジチップを、細いテフロンチューブとT字型コネクタを用いて1 mLシリンジに接続します。1 mLシリンジ、テフロンチューブ、T字型コネクタ、およびトップチャンバーのすべてに、気泡が入らないように水が満たされていることを確認してください。次に、1 mL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に従って静止時の呼吸サイクルを模倣するようにプログラムします。微粒子の速度ベクトル画像を撮影するために、デバイスを倒立顕微鏡のステージ上に配置します。その後、ダブルパルスNd:YAGレーザーの電源を入れ、コンピュータに画像解析ソフトウェアをロードします。デバイスを作動させている間に、製造元の仕様に従ってマイクロ粒子画像流速計（micro-PIV）システムを用い、粒子を散布した流れの位相ロック二重フレーム画像を9枚から12枚の一連の画像として取得します。位相ロック二重フレーム画像を得るには、10 Hzで二重フレームシリーズを取得してください。その後、全サイクル時間で隔てられたすべてのフレームペアが新しい時系列を構成するようにデータを再編成します。相関和アルゴリズムを用いて位相ロック速度ベクトルマップを算出し、画像シリーズから得られる流動場を導出します。肺胞腔内の異なる流動領域を解明するため、各フレームペアの第1フレームと第2フレームの間のラグタイムを変化させ、このプロセスを数回繰り返します。次に、データ解析プログラムを使用して、重複するデータポイントを平均化し、個々の流動マップを統合して、流動パターンの完全で詳細なマップを作成します。本研究で提示するマイクロ流体肺胞プラットフォームの重要な特徴は、生理学的に現実的な呼吸動作を再現でき、それによって肺胞管および肺胞内部に生理学的な流れのプロファイルと速度を生じさせることができる点にあります。チャネル幅方向の流れ速度プロファイルでは、肺胞の世代が深くなるにつれて流速が一定に低下することが示されています。肺胞腔付近および内部の流れプロファイルからは、肺胞の開口部に沿って流速の大きさが急激に低下することが分かります。その結果、肺胞内の流速は導管内に比べて2〜3桁遅くなります。さらに、流動パターンは肺胞嚢の世代数が増えるにつれて大きく変化します。第1世代では、肺胞の中心とほぼ一致する再循環領域が見られますが、第3世代では、再循環領域が肺胞の近位側にシフトし、より開いた流線パターンとなることが特徴です。最終的に、第5世代のデバイスでは再循環領域のない放射状の流れ線が観察されます。習得すれば、適切に実施することでこの手法を数時間で完了させることができます。腺胞形状における流れの可視化を可能にするこの手順に従うことで、このプラットフォームを用いて単一の空中粒子を追跡し、吸入粒子のダイナミクスや位置を探索することが可能になります。

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

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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

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