Een microfluïdische Model van Biomimetically Breathing Pulmonary Acinaire Airways

Het algemene doel van dit modelsysteem is om de geometrie en ademhalingsbeweging van de pulmonaire acinus te imiteren voor het bestuderen van acinale luchtstroompatronen en trajecten van microdeeltjes in de lucht. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van acinale transportverschijnselen. Zoals de effecten van zwaartekracht, medicijnen en diffusie op de resultaten van deeltjesdepositie.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat experimenten worden uitgevoerd in een model op ware grootte in plaats van een opgeschaald model. Dit maakt nauwkeurige observatie van de Brownse beweging van deeltjes mogelijk. De implicaties van deze techniek reiken tot inhalatietherapie, omdat een beter begrip van de depositie van aerosoliseerde medicijnen kan worden bereikt.

Om te beginnen, gebruikt u diepe reactieve ionen-etsen van een silicium-op-isolator-wafer om een master-siliciumwafer te fabriceren zoals eerder beschreven. Meng vervolgens de PDMS en het uithardingsmiddel in een gewichtsverhouding van tien-op-een in een schone kleine container. Ontgast het mengsel in een exsiccator onder vacuüm totdat alle luchtbellen zijn verwijderd.

Plaats de master-wafer in een petrischaal en giet het ontgaste PDMS-mengsel tot een hoogte van ongeveer één millimeter boven de master-wafer. Ontgast de gegoten PDMS nogmaals gedurende minimaal 40 minuten, totdat alle luchtbellen boven de wafer zijn verwijderd en de bellen onder de wafer zijn geminimaliseerd. Zorg ervoor dat de wafer zo dicht mogelijk bij de bodem van de plaat ligt.

Indien nodig, drukt u de wafer voorzichtig naar de bodem met behulp van twee roerstokken en ontgast nogmaals. Bak vervolgens de PDMS gedurende 20 minuten op 65 graden Celsius in een oven met natuurlijke convectie. Terwijl de PDMS aan het bakken is, slijp de vatsectie van een plastic twee milliliter spuit, met behulp van fijnkorrelig schuurpapier om de hechting aan PDMS te verbeteren.

Gebruik bovendien het schuurpapier om de basis van de spuitschaal af te vlakken door het schuurpapier op een vlakke ondergrond te plaatsen en de basis van de spuitschaal erop te glijden. Reinig eventuele puinhopen van de spuit met behulp van perslucht. Plaats vervolgens de vatsectie van de spuit op de eerste PDMS-laag met de grote opening naar de oppervlakte van de PDMS.

Plaats een tweede laag PDMS bovenop de eerste, tot een hoogte van ongeveer vijf millimeter, terwijl u ervoor zorgt dat de PDMS niet in de vatsectie van de spuit komt. Ontgast vervolgens de PDMS opnieuw. Bak de hele opstelling gedurende ten minste twee uur op 65 graden Celsius in een oven met natuurlijke convectie om de PDMS uit te harden.

Snijd door de PDMS-mal rond het gepatroneerde gebied van de master-wafer met behulp van een scalpel. Tijdens het snijden zou de scalpel zwak de oppervlakte van de wafer moeten aanraken. Steek vervolgens voorzichtig een dun gereedschap, zoals waferpincetten, in de inkeping die door de scalpel is gemaakt en trek de PDMS-afgietsel van de master-wafer af.

Plaats het afgietsel op een zachte ondergrond bedekt met aluminiumfolie, zodat de gepatroonte zijde naar boven wijst en prik een gat in de PDMS bij de kamerinlaat en kanaalerlaat, met behulp van een een millimeter biopsie-pons. Plaats vervolgens enkele PDMS met uithardingsmiddel op een schone glasplaat en draai een dunne laag op 3.000 RPM's gedurende 30 seconden. Bak vervolgens de glasplaat gedurende ten minste een uur op 65 graden Celsius.

Reiniging van de glasplaat en het PDMS-afgietsel met scotchtape. Behandel de oppervlakken van de gecoate glasplaat en het gegoten PDMS met zuurstofplasma met behulp van een coronabehandelaar. Merk op dat elk oppervlak gedurende minimaal één minuut moet worden behandeld.

Druk vervolgens de oppervlakken samen en bak ze een nacht lang op 65 graden Celsius. Meng water gesuspendeerde fluorescerende polystyreen deeltjes met water en glycerol in een glazen fles om een 64-tot-36 volume-op-volume-verhouding van glycerol tot water te verkrijgen die 0,25% deeltjes per gewicht bevat. Plaats vervolgens een druppel van de glyceroloplossing op de kanaalerlaat en een druppel DI-water op de kamerinlaat.

Plaats vervolgens het apparaat in een exsiccator en trek gedurende ongeveer vijf minuten een vacuüm. Voordat u het vacuüm loslaat, wacht u tot de bubbels die zich in de druppels glyceroloplossing en DI-water vormen, barsten. Bij het loslaten van het vacuüm worden de vloeistoffen naar de holtes in het apparaat getrokken.

Als er nog restlucht in de kanalen aanwezig is, verwijdert u deze door externe druk op de vloeistoffen uit te oefenen met behulp van een spuit en laat u de lucht in het PDMS diffunderen. Injecteer vervolgens ongeveer twee millimeter gedeïoniseerd water in de bovenste kamer totdat deze volledig met water is gevuld. Bedek vervolgens de kamer met een stompe 19 gauge spuittip.

Snijd de punt van een andere stompe 19 gauge spuittip af en steek deze punt in de zijkanaalerlaat. Verbind beide spuitpunten met een spuit van één milliliter met behulp van dunne Teflon-buisjes en een T-vormige connector. Zorg ervoor dat de spuit van één milliliter, Teflon-buisjes, T-vormige connector en de bovenste kamer allemaal gevuld zijn met water, zonder enige bellen.

Verbind vervolgens de spuit van één milliliter met een spuitpomp en programmeer deze om een rustige ademhalingscyclus te imiteren zoals beschreven in het bijbehorende tekstprotocol. Om micro-deeltjes vilosymmetriebeelden te verkrijgen, plaatst u het apparaat op de trap van een omgekeerde microscoop. Schakel vervolgens de dubbel gepulseerde Nd: YAG-laser in en laad de beeldanalysesoftware op de computer.

Terwijl het apparaat wordt aangedreven, verkrijgt u een reeks van negen-tot-twaalf fase-locked dubbele beelden van de deeltjesgespleten stroom, met behulp van een micro-deeltjes beeld vilosymmetriesysteem in overeenstemming met de specificatie