Um Modelo de microfluidos de biomimetically respiração pulmonar acinares Airways

O objetivo geral deste sistema modelo é imitar a geometria e o movimento respiratório do Acinus pulmonar para estudar os padrões de fluxo de ar Acinar e as trajetórias de micropartículas transportadas pelo ar. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo dos Fenômenos de Transporte Acinar. Tais como, os efeitos da gravidade, droga e difusão nos resultados da deposição de partículas.

A principal vantagem dessa técnica é que os experimentos são feitos dentro de um modelo em escala um-para-um, em vez de um modelo ampliado. Isso permite a observação precisa do movimento browniano das partículas. As implicações dessa técnica se estendem à terapia inalatória, pois é possível obter uma melhor compreensão da deposição de drogas em aerossol.

Para começar, use a gravação de íons reativos profundos de um silício no wafer isolador para fabricar um wafer de silício mestre, conforme descrito anteriormente. Em seguida, misture o PDMS e o agente de cura em uma proporção de peso de dez para um dentro de um pequeno recipiente limpo. Desgaseifique a mistura em um dessecador sob vácuo até que todas as bolhas de ar sejam removidas.

Coloque o wafer mestre em uma placa de Petri e despeje a mistura PDMS desgaseificada a uma altura de aproximadamente um milímetro acima do wafer mestre. Desgaseifique o PDMS derramado mais uma vez por pelo menos 40 minutos, até que todas as bolhas de ar sejam removidas acima do wafer e as bolhas abaixo do wafer sejam minimizadas. Certifique-se de que o wafer esteja o mais próximo possível do fundo da placa.

Se necessário, pressione suavemente o wafer até o fundo usando dois palitos de agitação e desgaseifique novamente. Em seguida, asse o PDMS a 65 graus Celsius por 20 minutos em um forno de convecção natural. Enquanto o PDMS está assando, lixe a seção do cilindro de uma seringa plástica de dois mililitros, usando uma lixa de grão fino para melhorar sua aderência ao PDMS.

Além disso, use a lixa para achatar a base do corpo da seringa, colocando a lixa em uma superfície plana e deslizando a base do corpo da seringa em cima dela. Limpe quaisquer detritos da seringa usando ar pressurizado. Em seguida, coloque a seção do cilindro da seringa em cima da primeira camada de PDMS com a grande abertura voltada para a superfície do PDMS.

Despeje uma segunda camada de PDMS em cima da primeira, a uma altura de cerca de cinco milímetros, garantindo que o PDMS não entre no cilindro da seringa. Em seguida, desgaseifique o PDMS mais uma vez. Asse toda a configuração a 65 graus Celsius por pelo menos duas horas em um forno de convecção natural para endurecer o PDMS.

Corte o molde PDMS ao redor da região padronizada do wafer mestre usando um bisturi. Durante o corte, o bisturi deve tocar fracamente a superfície do wafer. Em seguida, insira suavemente uma ferramenta fina, como uma pinça de wafer, no entalhe criado pelo bisturi e retire o molde PDMS do wafer mestre.

Coloque o molde em uma superfície macia coberta com papel alumínio, de modo que o lado padronizado fique voltado para cima e faça um furo no PDMS na entrada da câmara e na entrada do canal, usando um punção de biópsia de um milímetro. Em seguida, adicione um pouco do PDMS com agente de cura a uma lâmina de vidro limpa e gire uma camada fina a 3.000 RPM por 30 segundos. Em seguida, asse a lâmina a 65 graus Celsius por pelo menos uma hora.

Limpe o slide e o molde PDMS usando fita adesiva. Trate as superfícies da lâmina de vidro revestida e do PDMS moldado com plasma de oxigênio usando um tratador corona. Observe que cada superfície deve ser tratada por pelo menos um minuto.

Em seguida, pressione suavemente as superfícies e leve ao forno durante a noite a 65 graus Celsius. Misture partículas de poliestireno fluorescente suspensas em água com água e glicerol em um vidro vil para obter uma proporção de 64 a 36 volumes de glicerol para água contendo 0,25% de partículas em peso. Em seguida, coloque uma gota da solução de glicerol no topo da entrada do canal e uma gota de água DI na entrada da câmara.

Em seguida, coloque o aparelho dentro de um dessecador e puxe o aspirador por cerca de cinco minutos. Antes de liberar o vácuo, espere que as bolhas que se formam nas gotas de solução de glicerol e água DI estourem. Após a liberação do vácuo, os líquidos são aspirados para os vazios dentro do dispositivo.

Se o ar residual permanecer dentro dos canais, elimine-o aplicando pressão externa sobre os fluidos usando uma seringa e permitindo que o ar se difunda no PDMS. Em seguida, injete cerca de dois milímetros de água deionizada na câmara superior até que esteja totalmente cheia de água. Em seguida, cubra a câmara com uma ponta de seringa romba de calibre 19.

Corte a ponta de outra ponta de seringa romba de calibre 19 e insira esta ponta na entrada da câmara lateral. Conecte as duas pontas da seringa a uma seringa de um mililitro usando um tubo fino de Teflon e um conector em forma de T. Certifique-se de que a seringa de um mililitro, o tubo de Teflon, o conector em forma de T e a câmara superior estejam cheios de água, sem bolhas.

Em seguida, conecte a seringa de um mililitro a uma bomba de seringa e programe-a para imitar um ciclo respiratório silencioso, conforme descrito no protocolo de texto que acompanha. Para obter imagens de micropartículas de simetria vilo, coloque o dispositivo no estágio de um microscópio invertido. Em seguida, ligue o laser Nd:YAG de pulso duplo e carregue o software de análise de imagem no computador.

Enquanto o dispositivo está sendo acionado, obtenha uma série de imagens de quadro duplo bloqueadas de nove a doze fases do fluxo semeado de partículas, usando um sistema de simetria de imagem de micropartículas de acordo com as especificações do fabricante. Para obter imagens de quadro duplo com bloqueio de fase, adquira uma série de quadros duplos a 10 hertz. Em seguida, reorganize os dados para que todos os pares com quadros separados por um tempo de ciclo completo formem uma nova série temporal.

Use o algoritmo de soma de correlação para calcular o mapa vetorial de velocidade bloqueada por fase para o campo de fluxo resultante da série de imagens. Repita esse processo várias vezes com tempos de atraso variados entre o primeiro e o segundo quadros de cada par de quadros para resolver diferentes regiões de fluxo dentro da cavidade alveolar. Em seguida, use um programa de análise de dados para unir os mapas de fluxo individuais em um mapa completo e altamente detalhado de padrões de fluxo, calculando a média dos pontos de dados sobrepostos.

Uma característica crítica da plataforma acinar microfluídica apresentada aqui é sua capacidade de reproduzir movimentos respiratórios fisiologicamente realistas que dão origem a perfis de fluxo fisiológico e velocidades dentro dos ductos acinares e dentro dos alvéolos. Os perfis de velocidade de fluxo em toda a largura dos canais mostram uma queda constante das taxas de fluxo em direção a gerações acinares mais profundas. Os perfis de fluxo próximos e dentro das cavidades alveolares mostram que as magnitudes do fluxo caem acentuadamente ao longo da abertura dos alvéolos.

Resultando em velocidade de fluxo que é duas a três ordens de grandeza mais lenta dentro dos alvéolos em comparação com os dutos. Além disso, os padrões de fluxo mudam consideravelmente com o aumento da geração de acinar. Enquanto a primeira geração apresenta uma zona de recirculação, que coincide aproximadamente com o centro dos alvéolos, a terceira geração é caracterizada por uma zona de recirculação que é deslocada para o lado proximal dos alvéolos com um padrão de linha de fluxo mais aberto.

Finalmente, linhas de fluxo radiais sem zona de recirculação são observadas na geração de dispositivos cinco. Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em poucas horas se for executada corretamente. Seguindo este procedimento, que permite a visualização do fluxo em geometrias acinares, a plataforma pode ser usada para rastrear partículas transportadas pelo ar a fim de explorar a dinâmica e a posição das partículas inaladas.