Микрожидком Модель Biomimetically дыхания Легочная ацинарными Airways

Общая цель этой модельной системы состоит в том, чтобы имитировать геометрию и дыхательное движение легочной артерии для изучения ацинарных воздушных потоков и траекторий воздушных микрочастиц в воздухе. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области явлений ацинарного переноса. Например, влияние гравитации, лекарственных препаратов и диффузии на результаты осаждения частиц.

Основное преимущество этого метода заключается в том, что эксперименты проводятся внутри масштабной модели «один к одному», а не в масштабной модели. Это позволяет точно наблюдать броуновское движение частиц. Применение этого метода распространяется и на ингаляционную терапию, поскольку может быть достигнуто лучшее понимание осаждения наркотиков в аэрозолях.

Для начала используйте глубокое реактивное ионное травление кремния на изоляторной пластине, чтобы изготовить мастер-кремниевую пластину, как описано ранее. Затем смешайте PDMS и отвердитель в соотношении десять к одному в чистой небольшой емкости. Дегазируйте смесь в эксикаторе под вакуумом до тех пор, пока не будут удалены все пузырьки воздуха.

Поместите мастер-пластину в чашку Петри и вылейте дегазированную смесь PDMS на высоту примерно одного миллиметра над мастер-пластиной. Еще раз дегазируйте залитый PDMS в течение не менее 40 минут, пока все пузырьки воздуха не будут удалены над пластиной, а пузырьки под пластиной не сводятся к минимуму. Следите за тем, чтобы вафля находилась как можно ближе к дну пластины.

При необходимости аккуратно прижмите ко дну с помощью двух палочек для перемешивания и еще раз дегазируйте. Затем выпекайте PDMS при температуре 65 градусов Цельсия в течение 20 минут в естественной конвекционной печи. Пока PDMS выпекается, подпилите цилиндрическую секцию пластикового двухмиллилитрового шприца, используя мелкозернистую наждачную бумагу, чтобы улучшить его адгезию к PDMS.

Кроме того, с помощью наждачной бумаги разровняйте основание цилиндра шприца, положив наждачную бумагу на плоскую поверхность и сдвинув основание цилиндра шприца поверх нее. Очистите шприц от мусора с помощью сжатого воздуха. Затем поместите цилиндрическую секцию шприца поверх первого слоя PDMS большим отверстием, обращенным к поверхности PDMS.

Насыпьте второй слой PDMS поверх первого, на высоту около пяти миллиметров, следя при этом, чтобы PDMS не попал в цилиндр шприца. Затем снова дегазируйте PDMS. Выпекайте всю установку при температуре 65 градусов Цельсия не менее двух часов в естественной конвекционной печи, чтобы затвердеть PDMS.

Разрежьте форму PDMS вокруг узорчатой области мастер-пластины с помощью скальпеля. Во время резки скальпель должен слабо касаться поверхности пластины. Затем аккуратно введите тонкий инструмент, например, межфланцевые щипцы, в выемку, созданную скальпелем, и снимите слепок PDMS с мастер-пластины.

Поместите гипс на мягкую поверхность, покрытую алюминиевой фольгой, так, чтобы сторона с рисунком была обращена вверх, и проделайте отверстие в PDMS на входе камеры и входе канала с помощью одномиллиметрового пуансополии для биопсии. Затем добавьте немного PDMS с отвердителем на чистое предметное стекло и нанесите тонкий слой со скоростью 3000 об/мин в течение 30 секунд. Затем выпекайте горку при температуре 65 градусов Цельсия не менее одного часа.

Очистите затвор и слепок PDMS с помощью скотча. Обработайте поверхности предметного стекла с покрытием и формованного PDMS кислородной плазмой с помощью коронного протравителя. Обратите внимание, что каждая поверхность должна обрабатываться не менее одной минуты.

Затем аккуратно прижмите поверхности друг к другу и запекайте их в течение ночи при температуре 65 градусов Цельсия. Смешайте взвешенные в воде частицы флуоресцентного полистирола с водой и глицерином в стакане для получения соотношения 64 к 36 объему и объему глицерина к воде, содержащей 0,25% частиц по весу. Затем нанесите каплю раствора глицерина на входное отверстие канала и каплю деионизионной воды на входное отверстие камеры.

Затем поместите аппарат внутрь эксикатора и потяните вакуум примерно на пять минут. Прежде чем выпустить вакуум, подождите, пока лопнут пузырьки, образующиеся в каплях раствора глицерина и деионизированной воды. При выпуске вакуума жидкости втягиваются в пустоты внутри устройства.

Если остаточный воздух остается внутри каналов, устраните его, оказывая внешнее давление на жидкости с помощью шприца и позволяя воздуху диффундировать в PDMS. Далее впрыскиваем около двух миллиметров деионизированной воды в верхнюю камеру до тех пор, пока она полностью не заполнится водой. Затем накройте камеру тупым наконечником шприца 19 калибра.

Отрежьте кончик другого тупого наконечника шприца 19 калибра и вставьте этот наконечник в боковое входное отверстие камеры. Подсоедините оба наконечника шприца к шприцу объемом один миллилитр с помощью тонкой тефлоновой трубки и Т-образного соединителя. Убедитесь, что одномиллилитровый шприц, тефлоновая трубка, Т-образный соединитель и верхняя камера заполнены водой без пузырьков.

Затем подключите одномиллилитровый шприц к шприцевому насосу и запрограммируйте его на имитацию тихого цикла дыхания, как описано в прилагаемом текстовом протоколе. Чтобы получить изображения симметрии вило микрочастиц, поместите устройство на предметный столик инвертированного микроскопа. Затем включите двойной импульсный лазер Nd:YAG и загрузите программное обеспечение для анализа изображений на компьютер.

Во время приведения устройства в действие можно получить серию двухкадровых изображений засеянного потока частиц с фазовой автоподстройкой частоты от 9 до 12 с использованием системы симметрии микрочастиц в соответствии со спецификациями производителя. Для получения изображений с двойной функцией фазовой автоподстройки частоты кадров приобретайте серию двойных кадров с частотой 10 Гц. Затем реорганизуйте данные таким образом, чтобы все пары кадров, разделенные временем полного цикла, образовали новый временной ряд.

Используйте алгоритм корреляции суммы для вычисления векторной карты фазовой автоподстройки скорости, то есть результирующего поля потока из серии изображений. Повторите этот процесс несколько раз с различным временем задержки между первым и вторым кадрами каждой пары кадров для разрешения различных областей потока внутри альвеолярной полости. Затем используйте программу анализа данных, чтобы объединить отдельные карты потоков в полную и детализированную карту потоков путем усреднения перекрывающихся точек данных.

Важнейшей особенностью представленной здесь микрофлюидной ацинарной платформы является ее способность воспроизводить физиологически реалистичные дыхательные движения, которые обуславливают физиологические профили и скорости течения в ацинарных протоках и в альвеолах. Профили скоростей потока по всей ширине каналов показывают устойчивое снижение скорости потока в направлении более глубоких ацинарных генераций. Профили потока вблизи и внутри альвеолярных полостей показывают, что величины потока резко падают вдоль отверстия альвеол.

В результате скорость потока внутри альвеол на два-три порядка медленнее по сравнению с протоками. Кроме того, схемы течения значительно изменяются с увеличением генерации ацинаров. В то время как первое поколение характеризуется зоной рециркуляции, которая примерно совпадает с центром альвеол, третье поколение характеризуется зоной рециркуляции, которая смещена к проксимальной стороне альвеол с более открытой линией потока.

Наконец, радиальные линии потока без зоны рециркуляции наблюдаются в устройстве пятого поколения. После освоения этой техники ее можно сделать за несколько часов, если она выполнена правильно. После этой процедуры, которая позволяет визуализировать поток в ацинарной геометрии, платформу можно использовать для отслеживания отдельных частиц в воздухе с целью изучения динамики и положения вдыхаемых частиц.