Name: 폐 선포 항공 호흡 Biomimetically의 미세 유체 모델 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-09T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 39 s
Description: 학습하세요 폐포 기도의 생체 모방적 미세유체 모델을 통해 호흡 운동과 에어로졸 역학을 연구하는 방법을. 이 기술은 흡입 치료 개선을 위한 입자 침착 메커니즘 이해에 활용됩니다.

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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.

1. 마스터 제작 <ol><li> 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. </li></ol> 2. 주조 미세 유동 장치의 씰링 <ol><li> 이러한 플라스틱 칭량 접시로 깨끗한 작은 용기 안에 1 중량 비율 : 10에서 PDMS와 경화제를 혼합한다. </li><li> 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 &quot;PDMS는&quot;탈기 (10)에 항상 의미한다. </li><li> 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 가스 제거를 사용하여 바닥에 필요한 누르면. </li><li> 자연 대류 오븐에서 20 분 동안 65 ° C에서 굽는다. 참고 : 20 분 후, PDMS 경화 거의 완전히 경화시킨다. 20 분의 시간을 저장하고 상기 제 PDMS 층의 밀착성을 향상하기위한 긴 시간 소성 가능한 소성이지만 첫 번째 (아래 참조). </li><li> PDMS에 접착 성을 향상시키기 위해 미세 그릿 사포를 사용하여 플라스틱 2ml의 주사기 배럴 섹션 파일. 또한, 평평한 표면에 사포를 놓고 그 위에 주사기 배럴의 바닥으로 밀어 시린지 외통의베이스 평탄화 할 사포를 사용한다. 압축 공기를 사용하여 주사기를 청소합니다. </li><li> 라와 제 PDMS 층 위에 주사기 배럴 부 배치RGE 상기 PDMS 표면을 향하는 개구 및 ~ 5mm의 높이 첫번째 위에 PDMS의 2 층을 부어 건조기로 다시 PDMS를 탈기. 참고 : 두 번째 PDMS 층 배럴 주변의 작은 용기에서 부되어야하고, 그 안에 입력하지 않아야합니다. </li><li> 자연 대류 오븐에서 적어도 2 시간 동안 65 ° C에서 전체 셋업을 굽는다. 주 : 배럴의 넓은 기재에 대해 압박 PDMS의 가중치가 고정 통 보유 이후 경화 공정 중에 발생에 배럴을 길게 할 필요가 없다. </li><li> 메스를 사용하여 마스터 웨이퍼의 패턴 화 된 영역 주위의 PDMS 몰드의 실수. 절단하는 동안, 메스 약하게 웨이퍼의 표면을 만지지해야합니다. 그런 다음, 부드럽게 같은 메스에 의해 생성 된 노치에서 웨이퍼 집게로 얇은 도구를 삽입하고 마스터 웨이퍼에서 캐스팅 PDMS를 벗겨. </li><li> 패터닝 측과 알루미늄 호일로 덮여 부드러운 표면에 캐스팅 배치위로 향하게하여 (즉. 배럴 테이블의 에지에서 정지한다)과, 1mm 생검 펀치를 사용하여 상기 챔버 입구 채널 유입구에서 PDMS 구멍 펀치. </li><li> 코트 A (탈기) (10)와 깨끗한 유리 슬라이드 : 1 PDMS : 경화 에이전트 30 초 동안 3,000 rpm에서 프로그램 스핀 코터를 이용하여 혼합물을 65 ℃에서&gt; 1 시간 동안 굽는다. 그런 다음 슬라이드를 청소하고 PDMS는 명확 테이프를 사용하여 캐스팅. </li><li> O 2 플라즈마로 PDMS 몰드와 PDMS 코팅 유리 슬라이드의 표면을 처리 (예를 들어, 핸드 헬드 코로나 treater 사용) 1 분 동안, 그리고 부드럽게 함께 표면을 누르면, 65 ° C 밤새 (O / N)에서 구워 . </li></ol> 3. 장치 충전 및 개폐 <ol><li> (w / w) 0.25 % 입자와 64/36 (v / v)의 글리세린 / 물 혼합물을 획득하기 위해 유리 병에 물, 글리세롤과 물 현탁 형광 폴리스티렌 입자를 혼합 .. </li><li> 채널 입구 위에 글리세롤 용액의 드롭 및 DI 와트 방울을 배치어 챔버 입구에, 다음 ~ 5 분 동안 건조기, 진공 내부의 장치를 배치합니다. 참고 : 팝 글리세롤 용액 및 탈 이온수의 방울에 형성하는 거품의 진공 대기를 해제하기 전에. 파괴되면 액체가 장치 내부의 빈 공간에 흡입된다. 잔류 공기가 채널 내부에 남아있는 경우 (주사기를 사용하여, 예를 들면.) 유체에 외부 압력을인가하고 공기는 PDMS로 확산 할 수있게하여 제거한다. </li><li> 상부 챔버로 DI 워터 ~ 2 mL의 주입 (즉, 주사기 배럴도. 2B)이를 물로 완전히 채워질 때까지. 그 후, 19 게이지 무딘 주사기 팁 상단 챔버를 포함 다른 무딘 19 게이지 주사기 팁의 끝을 잘라 사이드 실 입구에이 팁을 삽입합니다. 얇은 테프론 튜브와 T 자형 커넥터를 통해 1 ML의 주사기에 두 주사기의 끝을 연결합니다. 참고 : 확인하는 1 ML의 주사기, 테프론 튜브, T 형 커넥터와 상부 챔버 (2 ML의 주사기의 바엘은) 모든 거품없이 물이 가득합니다. 이는, 연결 지점을 개방 튜브의 빈 부분을 통해 물을 밀어 접속점 재 연결에 의해 달성 될 수있다. </li><li> 주사기 펌프에 한 ML의 주사기를 연결에서, 1 초에 제로 1.8 ml / 분에서, 즉 선형 램프,의 건설 (T의 기간 = 4 초에) 예를 들어 조용한 갯벌 호흡주기를 모방하기 위해 프로그램 된 사전 1.8 ml / 분 -1.8에 ml / 분 2 초와 -1.8 ml의에서 / 다시 제로로 1 초에 분. </li></ol> 4. 경로 시각화 실험 : 마이크로 입자 영상 유속계 (μPIV) <ol><li> 입자 시드 흐름 12 위상 동기 더블 프레임 화상 듀얼 프레임 다중 노출 CCD의 예 이루어진 미세 입자 화상 속도계 (μPIV) 시스템을 이용하여 - 장치가 작동되는 동안,도 9의 시리즈를 얻기 카메라 (더블 펄스 ND-YAG 레이저 (예., 1600 × 1200 픽셀에 충분한 해상도를 달성하기 위해)파장 532 nm의 출력 에너지 : 400 mJ의 펄스 지속 시간 : 4 NSEC), 그리고 거꾸로 현미경. 주 : 이러한 시스템 아래로 제 1 및 제 2 프레임 사이에 몇 마이크로의 타임 래그 프레임 쌍을 얻을 수있다. 위상 동기 두 프레임의 이미지를 달성하기 위해서는 예에서 더블 프레임 계열을 취득하는 것이 유용하다. 10 Hz로는 (프레임 쌍이 서로로부터 0.1 초만큼 분리된다). 전체 사이클 시간 (여기에서는 T = 4 초)에 의해 분리 된 모든 프레임 쌍 새로운 시계열을 이루도록 그 후, 데이터가 재구성 될 수있다. 각각의 프레임 쌍의 제 1 및 제 2 프레임 사이의 지연 시간을 변경하면서 영상 획득이 수회 반복되어야한다 (예. 100 마이크로 초 초 내지 0.1)를 치조골 캐비티 내부의 다른 흐름 영역을 해결하기 위해. 참고 : 이미지 수집 시스템의 최적의 조합에 관해서 다른 설정을 (. 즉, 카메라) 이미지 등 및 조명 소스 (즉, 레이저)마이크로 플로우도 (35) (34)을 사용할 수 있습니다. </li><li> 사용되는 각각의 시간 지연에 대한 이미지 시리즈에서 얻어진 유동장 위상 동기 속도 벡터 맵을 계산하기 위해 합계의 상관 알고리즘을 사용한다. 폐포 캐비티 내부에 다른 흐름 영역들을 해결하기위한 각 프레임 쌍의 제 1 및 제 2 프레임 사이의 지연 시간을 변경하여이 과정을 여러 번 반복. 다음으로, 오버랩 된 데이터 포인트 (33)를 함께 평균함으로써 흐름 패턴의 완전한 높은 상세한지도로 개별 흐름지도 스티치 데이터 분석 프로그램을 사용한다. </li></ol>

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<html> 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 &quot;&gt; 여기에서는, 레이놀즈 수가 재로 정의 =</e...

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 중요한왔다. 호흡 운동 부재에서 정적 폐포 기능 재순환 선포 덕트와 폐포 (6, 7) 사이에는 공기의 대류 교환을 나타낼없는 그들의 공동 내에 흐른다 즉 폐포 흐름은 완전히 선포 나무 내에 유동으로부터 격리 될 공기의 교환은 확산 메커니즘에서 고유하게 발생할 것이다. 폐포 도메인의 순환 확장의 존재로, 그러나, 폐포 흐름 토폴로지 대폭 수정하고 resu된다폐포 내부 lting 흐름 패턴은 밀접하게 (예. 말초 세대 대, 근위) 선포 트리를 따라 폐포의 위치에 묶여있다. 특히, 유량 도관하는 폐포 흐름 패턴 강하게 폐포의 비율에 의해 영향을 시뮬레이션에 가설 갖도록이 비 트리 구조, 기능에 걸쳐 질량 보존 다음 비교적 큰 폐 선포 트리의 인접 세대 복잡한 순환은 돌이킬 수없는 유체 pathlines와 폐포 캐비티 내부에 흐른다. 각각의 깊은 선포 세대, 유관 유량에 폐포의 비율은 점차 말초 선포 세대 간단한 inflations와 풍선의 접힘 연상 더 레이디 얼 같은 유선을 전시하도록 감소한다. 현대 이미징 양식, 폐 영상 데이터 (16), 쥐와 마우스를 포함한 설치류, 17, 진보와 함께 첫 번째 CFD의 SIMUL의 일부에 상승을 준재구성 된 폐포의 해부학 - 재구성 선포 흐름의 관리 포인트. 이러한 유망한 진전에도 불구하고, 이러한 최근의 연구는 계속 단말 폐포 주머니 만 (18, 19) 또는 단일 덕트 (20)를 둘러싸는 몇 폐포 기류 현상 어드레스로 제한된다. 그 결과, acinus 호흡 유동 현상의 최첨단 연구가 선포 환경 2의 일반적인 해부학에서 영감을 형상에 초점을 맞춘 연구에 의해 지배 상태로 유지됩니다. 실험적인 측면에서 하나 또는 여러 개의 폐포와기도를 갖춘 다양한 설정은 년 21 ~ 24에 걸쳐 개발되었다. 그러나, 호흡과 같은 방식으로 신축에 의해 생리 호흡을 모방 할 수있는 alveolated기도 용 분기의 더 실험 모델이 존재하지 않는다. 손 매력적인 실험 플랫폼의 부족을 감안할 때, 선포 수송 현상의 연구는 valida 관련하여 제한 남아팅 계산 연구와 비판적 가능한 실험 데이터의 부족이 남아있다. . 최근, 마 등 (2009) 세 선방 세대 이루어진 acinus의 스케일링 업 강성 벽 모델을 구축했다; 그러나,이 모델의 벽 운동 부족 호흡 조건 현실적인 폐포 흐름 패턴을 캡처하기 위해 능력을 제한했다. 최근 25 도입 캐스트 복제본 해부학 적 데이터에 기초하여 이동 벽을 포함하는 다른 모델 스케일링해서 실험; 모델이 마지막 두 선포 세대 (예., 단말 주머니)를 포착 때문에, 그것은 더 근위 선포 세대 특징 복소 재순환 흐름을 포착하지 못했다. 스케일 업 실험 후자의 예로는 상기와 같은 방식으로 진행 제한 밑줄. 특히, 기존의 실험은 지금까지 따라 방사상하는 재순환에서 가정의 전환을 흐름을 보여 없다acinus하여 가장 비판적으로 아마. 실제 폐 선포 나무 (7), (15)에 존재하는 가정 흐름 토폴로지의 수치 예측을 확인, 스케일 업 실험은 매우 인해 모든 관련 비 일치에 어려움 입자 수송 및 증착 역학 (26)를 흡입 조사에서 제한된다 차원 변수 (예., 확산 입자, 서브 마이크론 입자 임계 전송 메커니즘은 완전히 무시된다). 지속적인 실험 문제, 복잡한 이동 벽에 공기 흐름 및 입자 역학 호흡의 조사를 허용하는 새로운 실험 플랫폼으로 선포 네트워크를 돕고 있습니다. 여기에, 체외 선포 모델에서 해부학 - 영감을 소개한다. 이 미세 유체 플랫폼을 모방 폐 선포는 대표 선포 규모에 직접 흐르고, 기관지 액체 플러그인 플로를 포함하는 폐 미세 유체 모델 (27)의 성장 범위를 넓혀WS 28-30와 폐포 - 모세 혈관 장벽 (31). 즉, 본 설계는 주기적으로 팽창 및 고리 운동 씬 PDMS 측벽을 둘러싸는 상부 벽이 추가로 물에 의해 변형된다 수조 내부의 제어 압력에 의해 달성된다 벽을 수축으로 단순화 다섯 생성 alveolated기도 트리 마련되어 챔버는 선포 구조 바로 위에 앉아. 일반적인 다층 미세 유동 장치와 달리,이 챔버는 단순히 PDMS 장치 안에 주사기의 배럴 부분을 매립하여 형성하고, 추가로 PDMS 몰드의 제조를 필요로하지 않는다. 여기에 제시된 방법은 소형화 선포 유동 환경의 기본 특성을 캡처하는 동안 스케일 업 모델에 비해 벽 움직이는 선포 복잡한 구조를 재생하기위한 간단하고 다양한 수단을 제공한다. 이 플랫폼은 FLO 사용될 수있다시각화 승기도 (아래 대표 결과를 참조) 내부의 유체 부유 입자를 사용하여. 가까운 미래에, 모델은 흡입 선포 입자 동력학 연구를위한 부유 입자가 사용된다.

<table><tbody><tr><td>폴리디메틸실록산(PDMS) 및 경화제</td><td>Dow Corning</td><td>(240)4019862</td><td>Sylgard&reg; 184 실리콘 엘라스토머 키트</td></tr><tr><td>Plastipak 2ml 주사기</td><td>BD</td><td>300185</td><td></td></tr><tr><td>Norm-Ject Luer 슬립 1ml 주사기</td><td>Henke Sass Wolf </td><td>4010-200V0</td><td></td></tr><tr><td>1mm 생검 펀치</td><td>Kai Medical</td><td>BP-10F</td><td></td></tr><tr><td>실험실 코로나 처리기</td><td>Electro-Technic 제품</td><td>BD-20AC</td><td></td></tr><tr><td>PHD 울트라 주사기 펌프</td><td>하버드 장치</td><td>703006</td><td></td></tr><tr><td>염색 된 적색 수성 형광 입자</td><td>Thermo-Scientific</td><td></td><td>Uncatalloged 0.86 &micro; m 비드는</td></tr><tr><td>글리세린, AR</td>, <td>Gadot</td><td>830131320</td><td></td></tr><tr><td>FlowMaster MITAS 마이크로 입자 이미지 속도 측정법(&micro; PIV) 시스템 </td><td>LaVision</td><td>1108630</td><td></td></tr></tbody></table>

폐 선포 항공 호흡 biomimetically의 미세 유체 모델

A Microfluidic Model of Biomimetically Breathing Pulmonary Acinar Airways

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.

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...

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.

폐 선포 항공 호흡 Biomimetically의 미세 유체 모델

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

이 모델 시스템의 전반적인 목표는 폐포낭(Pulmonary Acinus)의 기하학적 구조와 호흡 운동을 모사하여, 폐포낭 내의 공기 흐름 패턴과 공기 중 미세 입자의 궤적을 연구하는 것입니다. 이 방법은 중력, 약물 및 확산이 입자 침착 결과에 미치는 영향과 같이 폐포낭 이동 현상 분야의 핵심 질문들에 대한 답을 얻는 데 도움이 될 수 있습니다.이 기술의 주요 장점은 확장 모델이 아닌 1:1 비율의 정밀 모델 내부에서 실험이 수행된다는 점입니다. 이를 통해 입자의 브라운 운동을 정확하게 관찰할 수 있습니다. 이 기술의 영향은 에어로졸화된 약물 침착에 대한 더 깊은 이해를 가능하게 하여 흡입 치료 분야까지 확장됩니다.먼저, 이전에 설명한 바와 같이 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼의 심해 반응성 이온 식각(deep reactive ion etching)을 사용하여 마스터 실리콘 웨이퍼를 제작합니다. 그다음, 깨끗하고 작은 용기 안에 PDMS와 경화제를 10:1의 중량비로 혼합합니다. 모든 기포가 제거될 때까지 데시케이터 내 진공 상태에서 혼합물의 가스를 제거합니다.마스터 웨이퍼를 페트리 접시에 넣고, 탈기된 PDMS 혼합물을 마스터 웨이퍼 위로 약 1mm 높이까지 붓습니다. 부은 PDMS를 다시 한번 최소 40분 동안 탈기하여 웨이퍼 위의 모든 기포를 제거하고 웨이퍼 아래의 기포를 최소화합니다. 이때 웨이퍼가 플레이트 바닥에 최대한 밀착되었는지 확인하십시오.필요한 경우, 두 개의 교반 막대를 사용하여 웨이퍼를 바닥으로 가볍게 누르고 다시 한번 가스를 제거합니다. 그런 다음, 자연 대류 오븐에서 PDMS를 65 °C로 20분 동안 굽습니다. PDMS가 구워지는 동안, PDMS와의 접착력을 높이기 위해 고운 사포를 사용하여 2 mL 플라스틱 주사기의 배럴 부분을 갈아냅니다.또한, 사포를 평평한 표면에 놓고 그 위에 시린지 배럴의 바닥면을 문질러 바닥을 평평하게 만듭니다. 압축 공기를 사용하여 시린지에서 잔해물을 깨끗이 제거합니다. 그런 다음 시린지의 배럴 섹션을 넓은 개구부가 PDMS 표면을 향하도록 하여 첫 번째 PDMS 층 위에 놓습니다.PDMS가 시린지 바렐 내부로 들어가지 않도록 주의하면서, 첫 번째 층 위에 약 5 mm 높이로 PDMS의 두 번째 층을 붓습니다. 그다음, PDMS의 기포를 다시 한번 제거합니다. PDMS를 경화시키기 위해 전체 장치를 자연 대류 오븐에서 65 °C로 최소 2시간 동안 굽습니다.메스를 사용하여 마스터 웨이퍼의 패턴 영역 주변의 PDMS 몰드를 절개합니다. 절개 시 메스가 웨이퍼 표면에 살짝 닿도록 해야 합니다. 그런 다음 웨이퍼 포셉과 같은 얇은 도구를 메스로 만든 홈에 조심스럽게 삽입하여, 마스터 웨이퍼에서 PDMS 캐스트를 박리합니다.패턴 면이 위를 향하도록 알루미늄 호일로 덮인 부드러운 표면에 캐스트를 놓은 다음, 1 mm 생검 펀치(biopsy punch)를 사용하여 챔버 입구와 채널 입구의 PDMS에 구멍을 뚫습니다. 다음으로, 경화제가 포함된 PDMS 일부를 깨끗한 유리 슬라이드에 도포하고 3,000 RPM에서 30초 동안 스핀 코팅하여 얇은 층을 만듭니다. 그런 다음, 슬라이드를 65 °C에서 최소 1시간 동안 굽습니다.스카치테이프를 사용하여 슬라이드와 PDMS 캐스트를 세척합니다. 코로나 처리기를 사용하여 코팅된 유리 슬라이드와 성형된 PDMS의 표면을 산소 플라스마로 처리합니다. 각 표면을 최소 1분 동안 처리해야 함에 유의하십시오.그런 다음, 표면을 가볍게 눌러 접합하고 65 °C에서 하룻밤 동안 굽습니다. 유리 바이알에 수분산 형광 폴리스티렌 입자를 물 및 글리세롤과 혼합하여, 글리세롤과 물의 부피비가 64:36이며 중량 대비 0.25%의 입자를 포함하는 용액을 제조합니다. 다음으로, 채널 입구 위에 글리세롤 용액 한 방울을 떨어뜨리고 챔버 입구 위에 DI water 한 방울을 떨어뜨립니다.그 후, 장치를 데시케이터 안에 넣고 약 5분 동안 진공을 가합니다. 진공을 해제하기 전에 글리세롤 용액과 초순수(DI water) 방울에서 생성된 기포가 모두 터질 때까지 기다립니다. 진공을 해제하면 액체가 장치 내부의 빈 공간으로 흡입됩니다.채널 내부에 잔류 공기가 남아 있는 경우, 시린지를 사용하여 유체에 외부 압력을 가해 공기가 PDMS로 확산되도록 하여 이를 제거하십시오. 그다음, 상단 챔버가 물로 완전히 채워질 때까지 탈이온수를 약 2mm 주입하십시오. 그런 다음, 19게이지 뭉툭한 시린지 팁(blunt syringe tip)으로 챔버를 덮으십시오.또 다른 19 gauge 뭉툭한 주사기 팁의 끝을 자른 후, 이 팁을 측면 챔버 입구에 삽입하십시오. 얇은 테플론 튜브와 T자형 커넥터를 사용하여 두 주사기 팁을 1 mL 주사기에 연결하십시오. 1 mL 주사기, 테플론 튜브, T자형 커넥터 및 상단 챔버가 기포 없이 모두 물로 채워져 있는지 확인하십시오.그 다음, 1 mL 시린지를 시린지 펌프에 연결하고 동봉된 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 정적인 호흡 주기를 모방하도록 설정합니다. 미세 입자 벨로시메트리(vilo symmetry) 이미지를 얻기 위해 장치를 도립 현미경의 스테이지 위에 놓습니다. 그런 다음, 이중 펄스 Nd:YAG 레이저를 켜고 컴퓨터에 이미지 분석 소프트웨어를 로드합니다.장치가 작동하는 동안, 제조업체 사양에 따라 미세 입자 이미지 속도 측정(micro-particle image velocity) 시스템을 사용하여 입자가 주입된 흐름의 위상 잠금 이중 프레임(phase locked double frame) 이미지 시리즈를 9~12장 획득하십시오. 위상 잠금 이중 프레임 이미지를 얻으려면 10 Hz에서 이중 프레임 시리즈를 획득하십시오. 그 다음, 전체 주기 시간만큼 떨어져 있는 모든 프레임 쌍이 새로운 시계열을 형성하도록 데이터를 재구성하십시오.상관관계 합(sum of correlation) 알고리즘을 사용하여 위상 잠금 속도 벡터 맵(phase locked velocity vector map)을 계산함으로써 이미지 시리즈로부터 결과 유동장을 도출합니다. 폐포강 내부의 서로 다른 유동 영역을 분석하기 위해, 각 프레임 쌍의 첫 번째와 두 번째 프레임 사이의 시차(lag time)를 달리하여 이 과정을 여러 번 반복합니다. 다음으로, 데이터 분석 프로그램을 사용하여 중첩되는 데이터 포인트들을 평균화함으로써 개별 유동 맵들을 하나로 이어 붙여, 유동 패턴의 완전하고 정밀한 맵을 작성합니다.본 연구에서 제시한 미세 유체 폐포 플랫폼의 핵심적인 특징은 폐포관 및 폐포 내부에서 생리학적 흐름 프로파일과 속도를 유발하는, 생리학적으로 실제와 유사한 호흡 운동을 재현할 수 있는 능력입니다. 채널 너비에 따른 흐름 속도 프로파일을 통해 더 깊은 폐포 세대로 갈수록 유량이 지속적으로 감소함을 알 수 있습니다. 폐포강 인근 및 내부의 흐름 프로파일은 폐포의 개구부를 따라 흐름의 크기가 급격히 감소함을 보여줍니다.그 결과, 폐포 내부의 유속은 도관에 비해 2~3배 낮은 차수(orders of magnitude)로 느려집니다. 또한, 폐포 생성 단계가 증가함에 따라 흐름 패턴이 상당히 변화합니다. 1세대에서는 폐포 중심부와 대략 일치하는 재순환 구역이 나타나는 반면, 3세대는 더 개방된 유선 패턴과 함께 폐포의 근위쪽으로 치우친 재순환 구역이 특징입니다.마지막으로, 5세대 장치에서는 재순환 구역이 없는 방사형 유선이 관찰됩니다. 이 기술을 완전히 익히면, 적절하게 수행했을 때 몇 시간 만에 완료할 수 있습니다. 포상 구조에서의 흐름 시각화를 가능하게 하는 이 절차를 따라, 해당 플랫폼을 사용하여 단일 공기 중 입자를 추적함으로써 흡입된 입자의 역학과 위치를 탐구할 수 있습니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

전체 장기 탈세포화는 재생 의학에 사용될 수 있는 자연적인 생물학적 골격을 생성합니다. 폐 재생의 비인간 영장류 모델에 대한 설명이 제시되는데, 이는 전체 폐가 탈세포화되고 성체 줄기 세포와 내피 세포를 파종하여 혈관 순환과 액체 매체 환기를 촉진하는 생물 반응기에 파종되는 것입니다.

Nonhuman Primate Lung Decellularization and Recellularization Using a Specialized Large-organ Bioreactor(특수 대형 장기 생물반응기를 이용한 비인간 영장류 폐 탈세포화 및 재세포화)

점액은 낭포 성 섬유증의기도가 (CF) 환자는 미생물 병원균이 번창 할 수있는 이상적인 환경이다 연결. 원고들은 화학 조건의 질병 및 방법 변경의 원인이 모방 미생물 역학을 구동 할 수있는 환경에서 CF 폐 마이크로 바이 옴을 연구하기위한 새로운 방법을 설명합니다.

WinCF 모델 - 폐렴의 미생물학을 연구하기 위해 점액으로 촘촘하게 밀집된 Bronchiole의 저렴하고 견고한 소우주

이 연구에서 임상 기도 분 비 물이 나선형 관성 마이크로의 폐쇄 루프 작업에서 레이블 없는 호 중구 분리 방법을 설명 합니다. 제안된 된 방법 분석 실험 임상 생체 외에서 다양 한 호흡기 질환에 대 한 확장 이라고 합니다.

폐쇄 루프 관성 마이크로 사용 하 여 환자 파생 기도 분 비에서 레이블 없는 호 중구 농축

설명된 세포 배양 및 생체 내 기관지 모델의 세포 배양 및 노출 방법은 독성 검사를 위한 입자에 대한 사실적이고 반복적인 흡입 노출을 위한 것이다.

독성 테스트를 위해 공기 중 입자에 대한 사실적이고 반복적인 흡입 노출을 위한 공기 액체 인터페이스 기관지 상피 모델

CT 스캔 파생, 3D 프린팅 폐 모델을 튜닝 가능한 공기 흐름 프로파일을 사용하여 로브 수준에서 지역 폐 증착을 정량화하는 고처리량, 시험관 내 방법을 제시한다.

환자 별 3D 인쇄 폐 모델을 사용하여 지역 폐 증착 평가

이 프로토콜은 래트 기관지로부터 내인성 상피의 선택적 제거 및 루멘 표면 상의 외인성 세포의 균질한 분포를 허용하는 이미징-활성화된 생물반응기를 기술하고, 이어서 세포-조직 구축물의 장기 시험관내 배양을 허용한다.

생체 공학 기도 조직 생성을 위한 영상 유도 생물반응기

Lung-on-chip 모델은 공기-액체 계면과 내피 세포 관류를 모방하여 폐 생리학 연구에 중요한 혈류 및 영양소 교환을 시뮬레이션함으로써 기존 2D 배양을 능가합니다. 이는 폐 연구의 관련성을 높여 호흡기 감염에 대한 이해와 치료를 촉진할 수 있는 역동적이고 생리학적으로 정확한 환경을 제공합니다.

폐포 점막 면역 반응을 연구하기 위한 면역 유능한 폐포-온-칩 모델

여기에서는 전폐절제술을 모방하도록 설계된 OOC(Organ-on-Chip) 시스템을 구축하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 이 시스템은 글리코칼릭스 손상과 전폐절제술 후 합병증 사이의 잠재적 상관관계를 조사합니다.

3D 유체 칩에서 폐절제술 후 내피 글리코칼릭스 모델링 - 혈관 기반 장기 온 칩 시스템 제작에 대한 접근 방식

이 프로토콜은 세포외 기질 하이드로겔 스캐폴드 위에서 A549 치포 상피세포와 MRC-5 폐 섬유아세포로부터 오가노이드를 생성한 후, 3D 콜라겐 겔에 삽입하고 세포 신장 바이오리액터를 이용한 기계적 변형에 노출되어 폐포 기계생물학을 연구하는 과정을 설명합니다.

기계적 세포 신장 생물반응기를 이용한 3D 콜라겐 내장형 A549/MRC-5 폐포 오가노이드 생성

이 작품에서 우리는 ~ 8 μs 두 솔루션을 혼합 수 microfluidic 믹서의 제조 및 사용을 설명합니다. 또한 자외선 형광 및 형광 공명 에너지 전달을 (무서워)를 사용 spectroscopic 감지 이러한 믹서의 사용을 보여줍니다.

단백질 접기 유학을위한 Microfluidic 믹서

학습하세요 폐포 기도의 생체 모방적 미세유체 모델을 통해 호흡 운동과 에어로졸 역학을 연구하는 방법을. 이 기술은 흡입 치료 개선을 위한 입자 침착 메커니즘 이해에 활용됩니다.

폐 선포 항공 호흡 Biomimetically의 미세 유체 모델

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