Um Modelo de microfluidos de biomimetically respiração pulmonar acinares Airways

Resumo

A litografia suave foi utilizada para produzir um modelo representativo em escala real das vias aéreas alveoladas pulmonares que se expandem e contraem periodicamente, imitando o movimento fisiológico da respiração. Esta plataforma recria fluxos acinares respiratórios em um chip e espera-se que facilite a investigação experimental da dinâmica e deposição de aerossóis inalados no ácino pulmonar.

Resumo

Quantificando as características do fluxo respiratório nas profundezas acinares pulmonares e como elas influenciam o transporte de aerossol inalado é fundamental para otimizar as técnicas de inalação de drogas, bem como prever padrões de deposição de partículas no ar potencialmente tóxicos nos alvéolos pulmonares. Aqui, as técnicas de soft-litografia são utilizados para o fabrico de estruturas complexas das vias aéreas acinares-like nas verdadeiras comprimento escalas anatômicas que reproduzem fenômenos fluxo acinar fisiológicas em um sistema opticamente acessível. O dispositivo microfluídico possui 5 gerações de bifurcando dutos alveoladas com a expansão periodicamente e paredes contratantes. Parede de actuação é conseguida através da alteração da pressão no interior de câmaras cheias de água em torno das paredes do canal acinar finas PDMS tanto a partir dos lados e a parte superior do dispositivo. Em contraste com os dispositivos de microfluidos multicamadas comuns, em que é necessário o empilhamento de vários moldes de PDMS, um método simples é apresentado para fabricar o iníciocâmara incorporando a secção de tubo de uma seringa para dentro do molde PDMS. Este romance configuração microfluídico proporciona movimentos respiratórios fisiológicas que por sua vez dão origem a acinares ar-flows característicos. No estudo atual, micro velocimetria por imagem de partículas (μPIV) com partículas líquidas em suspensão foi utilizada para quantificar tais fluxos de ar com base na correspondência de similaridade hidrodinâmico. A boa concordância entre os resultados μPIV e fenômenos de fluxo acinar esperados sugerem que a plataforma microfluídica pode servir no futuro próximo como um atrativo na ferramenta vitro para investigar directamente transportado por via aérea de transporte de partículas representante e deposição nas regiões acinares dos pulmões.

Introdução

Uma quantificação detalhada da dinâmica do fluxo respiratório no distai, alveoladas regiões dos pulmões é fundamental para compreender a mistura do fluxo de ar em ácino pulmonar e prever o destino de aerossóis inalados na vias aéreas mais profundas ^1-3. Este último aspecto é particularmente preocupante, ao abordar, por um lado os riscos de partículas poluentes inalados ou, inversamente, na busca de novas estratégias para melhorado e direccionado entrega da droga de terapêuticas inaladas para sites localizados pulmonares ^{4, 5,} bem como para a entrega sistémica.

Até à data, os fluxos respiratórios em regiões acinares pulmonares profundos têm sido tipicamente investigados in silico utilizando dinâmica de fluidos computacional (CFD) ou, alternativamente, in vitro com modelos experimentais escalados-up seguintes correspondência semelhança hidrodinâmica. Nas últimas décadas, os métodos de CFD têm sido cada vez mais aplicada para estudar fenômenos de fluxo acinar, do single modelos alveolares ^{6, 7} e alveoladas condutas ^8-12 para mais elaborada em modelos in silico que capturam anatomicamente realista estruturas de árvore acinar com várias gerações de dutos alveoladas e até várias centenas de alvéolos individuais ^13-15.

Juntos, os esforços numéricos foram cruciais para esclarecer o papel ea influência do movimento da parede durante os movimentos de respiração em que se seguiu padrões acinar fluxo de ar. Na ausência de movimento de respiração, de recirculação recurso alvéolos estático flui dentro de suas cavidades que exibem nenhuma troca de convecção de ar entre o duto acinar e do alvéolo ^{6, 7;} Em outras palavras, os fluxos de alveolares seria totalmente isolado a partir de fluxos dentro das árvores acinares e troca de ar iria resultar unicamente a partir de mecanismos de difusão. Com a existência de expansões cíclicos do domínio alveolar, no entanto, as topologias de fluxo alveolares são drasticamente modificado e o resupadrões de escoamento no interior lting alvéolos está intimamente ligada à localização de um alvéolo ao longo da árvore acinar (por ex., proximal vs gerações distais).

Em particular, foi levantada a hipótese em simulações que os padrões de fluxo alveolares são fortemente influenciadas pela proporção de alvéolo para ductal caudais tais que as gerações proximais da árvore acinar pulmonar, em que esta relação é relativamente grande na sequência de conservação da massa através de uma estrutura em árvore, característica recirculação complexo flui no interior das cavidades alveolares com pathlines fluidos irreversíveis. Com cada geração acinar mais profunda, a relação de caudais alveolar para ductais diminui gradualmente de modo a que as gerações acinares distais exibem linhas de corrente mais radiais do tipo que são reminiscentes de insuflações simples e deflations de um balão. Com os avanços em modalidades de imagem modernos, dados de imagem de pulmão ^{16, 17} de roedores, incluindo ratos e camundongos, têm dado origem a alguns dos primeiros simul CFDções de fluxos acinares anatomicamente reconstruído em alvéolos reconstruído. Apesar de tais progressos promissor, estes estudos recentes ainda são limitados para enfrentar fenômenos de fluxo de ar nos terminais sacos alveolares apenas ^{18, 19} ou alguns alvéolos em torno de uma única conduta ^20. Como resultado, as investigações state-of-the-art de fenômenos de fluxo respiratório nos acinus continua dominado pelos estudos sobre geometrias de inspiração anatomicamente genéricos do ambiente acinar ^2.

No lado experimental, várias configurações que caracterizam uma das vias aéreas com um ou vários alvéolos foram desenvolvidos ao longo dos anos ^21-24. No entanto, não existe modelos experimentais de bifurcando vias aéreas alveoladas que são capazes de imitar a respiração fisiológica, expandindo e contraindo em uma forma de respiração-like. Dada a falta de plataformas de experimentação atraentes a lado, o estudo de fenômenos de transporte acinar permanece limitada com relação ao validating estudos computacionais e criticamente, ainda há uma escassez de dados experimentais disponíveis. . Nos últimos anos, Ma et al (2009) construíram um modelo rígido parede escalado-up de um acinus constituído por três gerações acinares; No entanto, a falta de movimento da parede, neste modelo limitado a sua capacidade para capturar os padrões de fluxo alveolares realistas sob condições de respiração.

Outros experimentos em escala-up, incluindo um modelo de parede móvel com base em dados anatômicos de réplica elenco foram recentemente introduzidas ^25; No entanto, uma vez que o modelo só capturou as duas últimas gerações acinares (ie., sacos terminais), que não conseguiu captar os fluxos de recirculação complexos que caracterizam as gerações acinares mais proximais. Estes últimos exemplos de experimentos em escala-up acentuam ainda mais as limitações em curso com essas abordagens. Especificamente, nenhuma experiência existente até agora tem demonstrado a transição hipótese de recirculação e radial flui ao longoácino e, assim, confirmar previsões numéricas de topologias de fluxo hipótese de existir em árvores acinares pulmonares reais ^{7, 15.} Talvez o mais crítico, experimentos em escala-up são extremamente limitados na investigação de inalação de partículas de transporte e deposição dinâmica ²⁶ devido a dificuldades em combinar todos para não relevante parâmetros dimensionais (ex., a difusão de partículas, um mecanismo de transporte fundamental para partículas de retenção, é completamente negligenciada).

Com desafios experimentais em curso, novas plataformas experimentais que permitem investigações de respiratório fluxos de ar e dinâmica de partículas nas paredes móveis complexas redes acinares são procurados. Aqui, um inspirado anatomicamente no modelo acinar vitro é introduzido. Este acinar pulmonar microfluídicos plataforma imita flui diretamente na escala acinar representativa, e amplia a crescente gama de modelos microfluídicos pulmonares ^27, incluindo brônquica líquido plug-flows ^28-30 ea barreira alvéolo-capilar ^31.

Ou seja, apresenta o presente projeto uma árvore vias aéreas alveoladas cinco geração simplificada com ciclicamente expandindo e contraindo paredes, onde os movimentos cíclicos são alcançados pela pressão controlar dentro de uma câmara de água que rodeia o PDMS finas paredes laterais e em que a parede superior é deformado por um adicional de água câmara sentado diretamente acima da estrutura acinar. Ao contrário dos dispositivos de microfluidos multicamadas comuns, esta câmara é formada simplesmente por incorporação de a secção de tubo de uma seringa no interior do dispositivo de PDMS, e não requer a preparação de um molde de PDMS adicional.

A abordagem miniaturizado aqui apresentado oferece um meio simples e versáteis para reproduzir estruturas acinares complicados que se deslocam com paredes em comparação com modelos em escala-up durante a captura das características subjacentes do ambiente de fluxo acinar. Esta plataforma pode ser utilizada para Flow visualização utilizando partículas suspensas de líquido no interior das vias aéreas (ver resultados representativos abaixo). Num futuro próximo, o modelo será usado com partículas transportadas pelo ar para o estudo da dinâmica de partículas acinares inalados.

Protocolo

Fabrication 1. Mestre

1. Use profunda corrosão reativa iônica (DRIE) de um silicone sobre isolante (SOI) wafer de fabricar um wafer de silício mestre como descrito em trabalhos anteriores ^{32, 33.}
   NOTA: DRIE é preferida a norma SU-8 micromaquinagem, devido às características relação de forma elevada (40 m de largura e 90 uM valas profundas).

2. Fundição e vedação do dispositivo micro

1. Misture PDMS e agente de cura a uma proporção de 10: 1 peso dentro de um pequeno recipiente limpo, tal como um prato de pesagem de plástico.
2. Desgaseificar a mistura em um exsicador sob vácuo, até que todas as bolhas de ar são removidas.
   NOTA: Prepare PDMS suficientes para todas as etapas subsequentes. Aqui abaixo, a sigla "PDMS" refere-se sempre aos desgaseificados 10: 1: PDMS mistura curar-agente, que foi preparado nos passos 2.1 e 2.2.
3. Verter a mistura desgaseificada-se a uma altura de aproximadamente 1 mm acima da bolacha mestre. Degas, mais uma vez, pelo menos,40 min para remover todas as bolhas de ar acima da bolacha e minimizar as bolhas abaixo da bolacha.
   Nota: certifique-se de que a bolacha é tão próximo quanto possível do fundo da placa. Se necessário, pressione a bolacha suavemente para o fundo usando 2 varas de agitação e Degas, mais uma vez.
4. Cozer a 65 ° C durante 20 minutos num forno de convecção natural.
   NOTA: Após 20 min o PDMS é endurecido e quase totalmente curado. Enquanto um tempo mais longo do cozimento é possível cozimento durante 20 min poupa tempo e melhora a adesão da segunda camada de PDMS (ver abaixo) para o primeiro.
5. Arquivo da secção barril de um plástico seringa de 2 ml usando uma lixa de grão fino para melhorar a adesão ao PDMS. Além disso, utilizar o papel de areia para achatar a base do tambor da seringa através da colocação da areia papel sobre uma superfície plana e deslizante da base do tambor de seringa em cima dela. Limpar a seringa usando ar pressurizado.
6. Coloque a secção de corpo tubular da seringa no topo da primeira camada de PDMS com a laRGE abertura voltada para a superfície do PDMS, e derramar uma segunda camada de PDMS em cima da primeira para uma altura de ~ 5 mm, e desgaseificar o PDMS, mais uma vez num dessecador.
   NOTA: A segunda camada de PDMS devem ser vertido a partir do recipiente de pequenas dimensões em torno do tambor, e não deverá entrar dentro dela.
7. Asse toda a configuração a 65 ° C durante, pelo menos, 2 h numa estufa de convecção natural.
   NOTA: Não há necessidade de segurar o cano em posição durante os processos de cura uma vez que o peso do PDMS pressionando contra a grande base do tambor prende o cano firmemente no lugar.
8. Cortar o molde PDMS em torno da região modelada da bolacha mestre utilizando um bisturi. Durante o corte, o bisturi deve fracamente tocar a superfície da bolacha. Em seguida, delicadamente inserir um objecto pontiagudo, tal como fórceps wafer no entalhe criado pelo bisturi, e descolar as PDMS expressos do wafer mestre.
9. Coloque o molde sobre uma superfície macia coberta com folha de alumínio com o lado modeladovirada para cima (isto é., o tambor deve cair a partir da extremidade da mesa), e perfurar um furo em PDMS na entrada da câmara e canal de entrada utilizando um perfurador de biópsia de 1 mm.
10. Unte uma lâmina de vidro limpa com um (desgaseificado) 10: 1 PDMS: mistura de curar-agente usando um aplicador de rotação programada a 3.000 rpm durante 30 segundos, e asse por> 1 hora a 65 ° C. Em seguida, limpar o slide e PDMS fundido usando fita adesiva transparente.
11. Tratar a superfície do molde e PDMS revestido lâmina de vidro de PDMS com _O2 do plasma (por exemplo, usando um tratador Corona hand-held) durante 1 min, e, em seguida, pressionar suavemente as superfícies em conjunto e cozer a 65 ° C durante a noite (O / N) .

3. Preenchimento de dispositivos e de atuação

1. Misturar água suspensas partículas de poliestireno fluorescentes com água e glicerol num frasco de vidro para se obter a (v / v) 64/36 mistura de glicerol / água com 0,25% (w / w) partículas ..
2. Coloque uma gota de solução de glicerol na parte superior do canal de entrada e uma gota de DI Water na entrada da câmara, em seguida, coloque o aparelho dentro de um secador e de vácuo para ~ 5 min.
   NOTA: Antes de liberar a espera de vácuo para as bolhas que se formam nas gotas de solução de glicerol e água DI para POP. Após a libertação de vácuo os líquidos são aspirados para dentro dos espaços vazios no interior do dispositivo. Se o ar residual permanece dentro dos canais, eliminá-lo mediante a aplicação de pressão externa sobre os fluidos (por exemplo., Através de uma seringa) e permitindo que o ar se difunda para o PDMS.
3. Injectar ~ 2 ml de água desionizada para a câmara superior (isto é, o tambor de seringa, Fig. 2b) até que esteja completamente cheio de água. Em seguida, cobrir a câmara superior com um calibre 19 ponta da seringa sem corte, corte a ponta da outra ponta da seringa de calibre 19 sem corte e inserir esta dica para a entrada da câmara de lado. Ligar as duas pontas de seringa a uma seringa de 1 ml através de uma tubagem de Teflon fina e um conector em forma de T.
   NOTA: Certifique-se de que a seringa de 1 ml, tubos de Teflon, conector em forma de T e câmara superior (barr seringa de 2 mlel) são todos cheios de água sem bolhas. Isto pode ser conseguido através da abertura de pontos de ligação, empurrando a água através de secções de tubo vazio e voltar a ligar os pontos de ligação.
4. Ligar a seringa de 1 ml para uma bomba de seringa pré-programado para imitar, por exemplo, um ciclo de respiração tidal silencioso (com um período de T = 4 seg) construído de rampas linear, isto é, de zero a 1,8 ml / min em 1 segundo, a partir de 1,8 ml / min para -1,8 ml / min em 2 seg e de -1,8 ml / min de volta a zero em 1 segundo.

4. Experimentos visualização do fluxo: Micro-partículas Velocimetry Imagem (μPIV)

1. Enquanto o dispositivo está a ser actuado, obter uma série de 9 - 12, quadro duplo imagens de bloqueio de fase do fluxo de partículas-semeado, utilizando um sistema (μPIV) micro-partícula imagem velocimetria consistindo por exemplo de um CCD exposição dupla estrutura de múltiplas câmera (por exemplo., 1.600 × 1.200 pixels para alcançar uma resolução suficiente), pulsante a laser duplo Nd-YAG (comprimento de onda: 532 nm, a energia de saída: 400 mJ, duração do impulso: 4 ns), e um microscópio invertido.
   NOTA: Este sistema é capaz de obtenção de pares de quadros com um intervalo de tempo de até alguns microssegundos entre as primeira e segunda armações. Para conseguir imagens duplo quadro de bloqueio de fase, é útil para adquirir uma série do frame duplo no eg., 10 Hz (pares de quadros estão separados por 0,1 segundos um do outro). Em seguida, os dados podem ser reorganizados de modo que todos os pares de quadros que são separados por um tempo de ciclo completo (aqui t = 4 s) formar uma nova série temporal. A aquisição de imagens deve ser repetido várias vezes ao modificar o tempo de atraso entre os primeiro e segundo quadros de cada par armação (isto é., De 100 mseg a 0,1 seg) para a resolução de regiões de fluxo diferentes no interior da cavidade alveolar.
   Nota: configurações alternativas com relação a melhores combinações de sistemas de aquisição de imagem (. Ie, câmera) e de iluminação fontes (ou seja, lasers) para imagem, taismicroflows também estão disponíveis ^{34, 35.}
2. Usar um algoritmo de soma de correlação para calcular os mapas de bloqueio de fase de velocidade do vector de campo de escoamento resultante da série de imagens para cada intervalo de tempo utilizado. Repetir este processo várias vezes com diferentes tempos de atraso entre os primeiro e segundo quadros de cada par de quadros para resolver regiões de fluxo diferentes no interior da cavidade alveolar. Em seguida, use um programa de análise de dados para unir os mapas de fluxos individuais em um mapa completo e de alta detalhada dos padrões de fluxo pela média de sobreposição de pontos de dados ^33.

Resultados

Computer-aided design (CAD) e microscópio imagens do in vitro plataforma acinar são apresentados na Fig. 1. O modelo acinar biomimético apresenta cinco gerações de ramificação canais retangulares alinhados com cavidades cilíndricas alveolares-like (Fig. 1). Aqui, as gerações de modelos são numerados de geração 1 (para a geração mais proximal) para geração 5 (para a geração mais distal). Note-se que apenas o canal de entrada que conduz a uma geração é aberto para o ambiente exte...

Discussão

Uma característica fundamental da plataforma acinar microfluídico aqui apresentada é a sua capacidade de reproduzir movimentos respiratórios fisiologicamente-realistas que dão origem a perfis de fluxo fisiológicos e velocidades no interior das condutas acinares e dentro de alvéolos. Uma vez que os canais de microfluidos são produzidas com uma proporção relativamente baixa (isto é., W _d / h ≈ 3,9, em que w _d representa a largura da conduta ...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Polidimetilsiloxano (PDMS) e agente de cura	Dow Corning	(240)4019862	Sylgard® 184 Kit de Elastômero de Silicone
Plastipak Seringa de 2 ml	BD	300185
Norm-Ject Luer slip Seringa de 1 ml	Henke Sass Wolf	4010-200V0
1 mm Punção de biópsia	Kai Medical	BP-10F
Laboratório Corona Treater	Electro-Technic Products	BD-20AC
PHD Ultra Bomba de seringa	Harvard aparelho 703006
Partículas fluorescentes vermelhas tingidas de vermelho	Thermo-Scientific		Uncatalloged 0.86 µ m foram usadas
Glicerina AR	Gadot	830131320
FlowMaster MITAS micro-partículas de imagem velocimetria (µ PIV)	LaVision	1108630