Method Article

폐 선포 항공 호흡 Biomimetically의 미세 유체 모델

DOI:

10.3791/53588

⸱

May 9th, 2016

 , 
1Department of Biomedical Engineering, Technion - Israel Institute of Technology

In This Article

Summary

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소프트 리소그래피는 생리적 호흡 움직임을 모방하여 주기적으로 확장 및 수축하는 폐폐포폐포기도의 대표적인 실제 크기 모델을 생성하는 데 사용되었습니다. 이 플랫폼은 칩에서 호흡 아시나르 흐름을 재현하며, 흡입된 에어로졸 역학 및 폐 아시누스의 침착에 대한 실험적 조사를 용이하게 할 것으로 예상됩니다.

Abstract

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폐 선포 깊이 호흡기 유동 특성을 정량화 어떻게 흡입 에어로졸 수송 약물 흡입 기술을 최적화뿐만 아니라 폐의 폐포 잠재적 독성 부유 입자의 침착 패턴을 예측 향해 중요한 영향을 미친다. 여기서, 소프트 리소그래피 기술은 광 액세스 시스템 생리 선포 유동 현상을 재현 진실 해부학 길이 규모에서 복잡한 형상 선포기도 구조를 제조하는데 사용된다. 미세 유체 장치는 주기적으로 신축 벽에 alveolated 덕트 용 분기의 5 세대를 갖추고 있습니다. 벽은 구동 측면과 상기 장치의 위에서 두 얇은 PDMS 선포 채널 벽을 둘러싸고있는 물이 채워진 챔버 내부의 압력을 변경함으로써 달성된다. 여러 PDMS 몰드의 적층이 필요 일반적인 다층 미세 유동 장치와 달리 간단한 방법 가기를 제조 제시PDMS의 금형에 주사기 배럴 부분을 포함하여 실. 이 소설 미세 유체 설치 차례로 특성 선포 공기 흐름을 야기 할 생리 학적 호흡 운동을 제공합니다. 현재 연구에서, 액체 현탁 입자와 미세 입자 화상 속도계 (μPIV)는 유체 유사도 매칭에 기초하여 공기 흐름을 정량화 하였다. μPIV 결과와 예상 선포 흐름 현상 사이의 좋은 계약은 미세 유체 플랫폼은 폐의 선포 지역에서 직접 공수 대표 입자 수송 및 증착을 조사하기 위해 체외 도구에서 매력적인으로 가까운 장래에 될 수 있음을 시사한다.

Introduction

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원심 호흡기 유동 역학의 상세한 정량화, 폐의 alveolated 영역은 폐 acinus에 공기 혼합을 이해하고 깊은기도 1-3 흡입 에어로졸의 운명을 예측으로 중요합니다. 국소 폐 위치 (4, 5)뿐만 아니라 대한 전신적 전달로 흡입 치료제의 개선 표적 약물 전달을위한 새로운 전략을 추구에 반대로 한편 흡입 오염 입자의 위험을 해결하거나 후자의 특징은 특히 관심이다.

지금까지 깊은 폐 선포 영역 호흡 흐름은 일반적으로 유체 유사성 정합 다음 전산 유체 역학 (CFD) 또는 대안 적으로 축소해서 실험 관내 모델을 사용 실리 조사되었다. 지난 몇 십 년간, CFD 방법은 점점 자장하게에서 선포 흐름 현상을 연구하기 위해 적용되었습니다전자 폐포 모델 6, 7, alveolated 덕트 8-12 개별 폐포 13-15의 수백 캡처 해부학 적 사실적인 선방 트리 alveolated 덕트의 여러 세대 구조와 최대 실리 모델에서 더 정교한.

함께 수치 노력이 선포 공기 흐름 패턴을 계속되는에 움직임을 호흡하는 동안 역할과 벽 운동의 영향에 빛을 흘리기에 중....

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Protocol

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1. 마스터 제작

  1. 전 작품 (32, 33)에 기재된 마스터 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위해 절연체 (SOI) 웨이퍼상의 실리콘 딥 반응성 이온 에칭 (DRIE)를 사용한다.
    주 : DRIE 인해 고 종횡비 피쳐 (40 ㎛ 폭, 90 ㎛의 깊이의 트렌치)을 표준 SU-8 마이크로 것이 바람직하다.

2. 주조 미세 유동 장치의 씰링

  1. 이러한 플라스틱 칭량 접시로 깨끗한 작은 용기 안에 1 중량 비율 : 10에서 PDMS와 경화제를 혼합한다.
  2. 모든 기포가 제거 될 때까지 진공 데시 케이 터에서 혼합물을 탈기.
    주 : 이후의 모든 단계에 대한 충분한 PDMS를 준비합니다. 1 PDMS : 경화 에이전트 혼합물 단계 2.1 및 2.2에서 제조 한 다음 아래의 약어 "PDMS는"탈기 (10)에 항상 의미한다.
  3. 마스터 웨이퍼 위 대략 1 mm의 높이로 탈기 - 혼합물을 붓는다. 드가 다시 한번위한 최소40 분은 웨이퍼 위의 모든 기포를 제거하고 웨이퍼 아래에서 기포를 최소화한다.
    참고 : 웨이퍼 플레이트의 바닥에 최대한 가까이 있는지 확인합니다. 웨이퍼 부드럽게 다시 한 번 2 교반 스틱 및 가....

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Results

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체외 선포 플랫폼의 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 및 현미경 사진도 제시된다. 1. 생체 모방 선포 모델은 폐포와 같은 원통형 공동 늘어서 직사각형 채널을 (그림. 1) 분기의 다섯 세대를 갖추고 있습니다. 여기에, 모델 세대는 세대 5 세대 (1)에서 (가장 인접 세대) 번호가 (가장 말단 세대). 1 세대로 이어지는 전용 채널 입구는 PDMS의 개구부에 의해 외부 환경에 열려 있습니다. 5 세대에서 멀리 선도 (16) 덕트는 공기 (그림. 1A)를 폐쇄 남아 있습니다. 정기적으로 챔버 내 수압을 조절함으로써, 폐포와 공동 관을 구성하는 얇은 벽은 주기적으로 변형된다. 동시에,기도의 천정 덕트 위에있는 추가적인 수조에 의해 수직으로 변형되고; A의이 상부 챔버를 만들려면주사기의 배럴 가교 전에 PDMS 내부에 침수 된 추가 미세 유체 층의 준비없이 간단한 방법. 이것은 alveolated 덕트 상단 수조를 분리하기 약 1.......

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Discussion

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여기에 제시된 미세 유체 선포 플랫폼의 중요한 기능은 선포 덕트 내에서 폐포 내에서 생리적 흐름 프로파일과 속도로 야기 생리 학적 사실적인 호흡 동작을 재현하는 기능입니다. 미세 유체 채널이 비교적 낮은 종횡비로 제작되어 있기 때문에 (즉., D / H ≈ 3.9, w (D)가 덕트의 폭이고, H는 덕트 높이 W), 측정 된 흐름과 비교하여보다 플러그 형 유동 특성을 보여 원형 채널에 존재하는 것입니다 예상 포물선 흐름 프로필. 그럼에도 불구하고, 측정 속도는 생리 학적 범위 내에서 잘이고; 이를 특성 차원 레이놀즈 수는 점성력에 관성을 비교 약 0.01 반 경험적 추정이 다음 원심 소엽 지역, 중간에 대응하는 최대 얻을 수있는 것을 알 수있다.

콘텐츠 "> 여기에서는, 레이놀즈 수가 재로 정의 =

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Disclosures

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저자는 공개할 것이 없습니다.

Acknowledgements

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이 작업은 Career Integration Grant(PCIG09-GA-2011-293604), Israel Science Foundation(Grant nr. 990/12) 및 Technion Center of Excellence in Environmental Health and Exposure Science(TCEEH)를 통해 유럽연합 집행위원회(FP7 Program)의 일부 지원을 받았습니다. 미세유체 칩의 미세가공은 테크니온의 MNFU(Micro-Nano Fabrication Unit)에서 수행되었으며 테크니온의 RBNI(Russel Berrie Institute of Nanotechnology)의 종자 보조금으로 지원되었습니다. 저자는 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 동안 도움을 준 Avshalom Shai와 유용한 토론을 해준 Molly Mulligan과 Philipp Hofemeier에게 감사를 표합니다.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
폴리디메틸실록산(PDMS) 및 경화제Dow Corning(240)4019862Sylgard® 184 실리콘 엘라스토머 키트
Plastipak 2ml 주사기BD300185
Norm-Ject Luer 슬립 1ml 주사기Henke Sass Wolf 4010-200V0
1mm 생검 펀치Kai MedicalBP-10F
실험실 코로나 처리기Electro-Technic 제품BD-20AC
PHD 울트라 주사기 펌프하버드 장치703006
염색 된 적색 수성 형광 입자Thermo-ScientificUncatalloged 0.86 µ m 비드는
글리세린, ARGadot830131320
FlowMaster MITAS 마이크로 입자 이미지 속도 측정법(µ PIV) 시스템 LaVision1108630
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References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kleinstreuer, C., Zhang, Z. Airflow and Particle Transport in the Human Respiratory System. Annu. Rev. Fluid Mech. 42 (1), 301-334 (2010).
  2. Sznitman, J. Respiratory microflows in the pulmonary acinus. J. Biomech. 46 (2), 284-298 (2013).
  3. Tsuda, A., Henry, F. S., Bu....

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