Abstract
Pulmoner asiner derinliklerinde solunum akış özelliklerini miktarının ve nasıl inhale aerosol taşıma ilaç inhalasyon teknikleri optimize yanı sıra akciğer alveol potansiyel toksik havadaki partiküllerin çökelme kalıplarını tahmin eleştirmekte etkilemektedir. Burada, yumuşak litografi teknikleri optik erişilebilir sistemde fizyolojik asiner akış olayları yeniden doğru anatomik uzunluk-ölçeklerde karmaşık asiner benzeri solunum yolu yapıları imal etmek için kullanılır. Mikroakışkan cihaz belirli aralıklarla genişleyen ve taahhüt duvarları ile Hücreli kanalları çatallanan 5 kuşak bulunuyor. Duvar Tetikleme iki cihazın üstten hem de ince PDMS asinar kanal duvarları çevreleyen su ile dolu odacığı içindeki basınç değiştirilmesiyle elde edilir. Birkaç PDMS kalıpların istifleme gerekli ortak tabakalı mikroakışkan cihazlar, aksine, basit bir yöntem üst imal edilmesi için sunulmuşturPDMS kalıp içine şırınga varil bölümünü gömerek odası. Bu yeni mikroakışkan kurulum sırayla karakteristik asiner hava akımlarının ortaya çıkmasına neden fizyolojik solunum hareketleri sunar. Bu çalışmada, bir sıvı süspansiyon halindeki partiküllerin mikro görüntüleme ölçümleri (μPIV) hidrodinamik uygunluğunun göre akışlarının, hava ölçmek için kullanılmıştır. ΜPIV sonuçları ve beklenen asiner akış fenomenler arasında iyi bir anlaşma mikroakışkan platformu akciğerlerin asiner bölgelerinde doğrudan havadan temsilcisi parçacık ulaşım ve birikimini araştırmak için in vitro aracında çekici olarak yakın gelecekte hizmet olabileceğini düşündürmektedir.
Introduction
Distalinde solunum akış dinamikleri ayrıntılı ölçümü, akciğer Hücreli bölgeleri pulmoner acinus hava akımı karıştırma anlamak ve derin solunum yolları 1-3 inhale aerosollerin kaderini tahmin yönelik her şeyden önemlidir. Lokalize akciğer siteleri 4, 5 yanı sıra sistemik teslim inhale tedavilerin geliştirilmesi ve hedeflenen ilaç dağıtım için yeni stratejiler arayan tersine bir yandan solunan kirletici partiküllerin tehlikeleri ele ya da bu ikinci yönü özellikle endişe vericidir.
Bugüne kadar, derin akciğer asiner bölgelerinde solunum akışları genellikle hidrodinamik benzerlik eşleştirme aşağıdaki hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) veya alternatif ölçekli yukarı deneysel modelleri ile in vitro kullanılarak siliko incelenmiştir. Son birkaç on yıl içinde, CFD yöntemleri giderek singl gelen asiner akış olayları incelemek için uygulanmıştıre Alveoler modelleri 6, 7 ve Hücreli kanallar 8-12 bireysel alveol 13-15 birkaç yüz yakalama anatomik-gerçekçi asiner ağaç Hücreli kanalların birden nesiller ile yapıları ve yukarı siliko modellerinde daha ayrıntılı.
Birlikte, sayısal çabalar asiner hava akımı desenleri izleyen on hareketleri nefes sırasında rolü ve duvar hareketi etkisi aydınlatan önemli olmuştur. Solunum hareketinin yokluğunda, statik alveol özelliği sirkülasyon asinar kanal ve alveol 6, 7 arasındaki hava Resim konvektif değişimini gösteren kendi boşlukları içinde akar; diğer bir deyişle, alveoler akımları tamamen asinar ağaç içindeki akışların izole edilecek ve hava değişimi pasif mekanizmalardan benzersiz neden olur. Alveoler etki halkalı açılımları varlığı ile, ancak, alveol akış topolojileri ölçüde değiştirilmiş ve resu vardıralveol içinde sonuçtaki akış modelleri yakından (örn. uzak nesiller vs, proksimal) asiner ağacının boyunca alveol konumuna bağlıdır.
Özellikle, debileri duktal alveoler akış modelleri kuvvetle alveolar oranı etkilenir simülasyonlarda sürülmüştür şekilde bu oranın bir ağaç yapısı, özelliği genelinde kitlesel korunması aşağıdaki nispeten büyük pulmoner asiner ağacının, yakın nesiller karmaşık çevrimli geri dönüşümsüz sıvı yol çizgileri ile alveol boşluklarında içinde akar. Her derin asiner nesil, duktal akış hızlarına alveoler oranının kademeli olarak uzak asiner nesiller basit enflasyon ve bir balonun kapanmalara anımsatan daha radyal gibi akıcılık sergileyen böyle azalır. Modern görüntüleme yöntemleri, akciğer görüntüleme verileri 16, sıçan ve fare gibi kemirgenler, 17, gelişmeler ile ilk CFD Simul bazı yol açmıştıryeniden Alveollerde anatomik-yeniden asiner akışlarının ations. Böyle umut verici gelişmelere rağmen, bu yeni çalışmalar hala terminali alveoler keseler sadece 18, 19 ya da tek bir kanalı 20 çevreleyen birkaç alveol içinde hava akımı olayları ele sınırlıdır. Sonuç olarak, acinus solunum akış olayların state-of-the-art araştırmalar asiner ortamının 2 jenerik anatomik esinlenen geometrileri odaklanarak çalışmalar hakim kalır.
Deneysel tarafında, bir ya da birkaç alveollerin sahip bir hava yolu içeren çeşitli kurulumları yıllar 21-24 fazla geliştirilmiştir. Oysa, bir nefes gibi moda genişleterek ve taahhüt tarafından fizyolojik solunum taklit yeteneğine sahip Hücreli hava yolları çatallanan hiçbir deneysel modeller mevcuttur. eldeki cazip deneysel platformlarda eksikliği göz önüne alındığında, asiner taşınım olayları çalışma VALIDA konusunda sınırlı kalmıştırting hesaplama çalışmaları ve eleştirel, mevcut deneysel veriler bir eksiklik kalır. . Son yıllarda, Ma ve ark (2009) üç asiner nesillerin oluşan acinus bir ölçekli kadar sert duvar modeli inşa ettik; Bununla birlikte, bu modelde duvarı hareket eksikliği solunum koşulları altında gerçekçi alveoler akış modelleri yakalama kapasitesini sınırlamıştır.
Son zamanlarda 25 tanıtıldı döküm kopyadan anatomik verilere dayalı bir hareketli duvar modeli de dahil olmak üzere diğer ölçekli yukarı deneyleri; modeli sadece son iki asiner nesilleri (yani. terminal keseler) yakalanan beri, ancak, daha yakın asiner nesiller belirleyen karmaşık sirkülasyon akışlarını yakalamak için başarısız oldu. ölçekli-up deneyler bu son örnekler, bu tür yaklaşımlarla sürekli sınırlamalar altını çizmektedir. Özellikle, herhangi bir mevcut deney şimdiye kadar birlikte radyal çevrimli gelen hipotezi geçiş akımlarının göstermiştiracinus ve böylece en kritik Belki. gerçek pulmoner asiner ağaçları 7, 15 varolduğu varsayılmış akış topolojileri sayısal tahminler teyit ölçekli-up deneyleri son derece nedeniyle ilgili tüm olmayan eşleşen zorluklara parçacık taşıma ve biriktirme dinamikleri 26 inhale araştıran sınırlıdır boyutlu parametreleri (örn., parçacık yayılması, mikron altı parçacıklar için kritik bir taşıma mekanizması, tamamen ihmal edilmiştir) hazırlandı.
Devam eden deneysel zorluklar, karmaşık hareketli duvarlar hava akımları ve parçacık dinamiği solunum soruşturma izni yeni deneysel platformlarla asiner ağlar aranır. Burada, in vitro asiner modelinde anatomik esinlenen bir tanıtıldı. Bu mikroakışkan platformu taklit pulmoner asiner temsilcisi asiner ölçekte doğrudan akar ve bronş sıvı plug-flo dahil olmak üzere akciğer mikroakışkan modeller 27 büyüyen dizi, genişletmektedirws 28-30 ve alveoler-kapiller bariyer 31.
Yani, mevcut tasarım döngüsel genişleyen ve döngüsel hareketleri ince PDMS yanal duvarlar çevreleyen ve üst duvar ilave su ile deforme nerede bir su haznesi içerisindeki kontrol basıncı ile elde edilir duvarlar, sözleşme ile basitleştirilmiş beş nesil Hücreli havayolu ağacı özellikleri kamara asiner yapısı üzerinde doğrudan oturan. Ortak tabakalı mikroakışkan cihazlar farklı olarak, bu odacık, sadece PDMS cihazın içinde, bir şırınga kefe bölümünü gömme oluşturduğu ve ek bir PDMS kalıp hazırlanması gerekli değildir.
Burada sunulan minyatür yaklaşım asiner akış ortamının temel özelliklerini çekerken ölçekli kadar olan modeller ile karşılaştırıldığında duvarları hareketli karmaşık asiner yapılar çoğaltmak için basit ve çok yönlü bir araç sunmaktadır. Bu platform flo için kullanılabilirgörselleştirme w hava yollarının (aşağıda Temsilcisi Sonuçlar bakınız) içindeki sıvı asılı parçacıklar kullanarak. Yakın gelecekte, model inhale asiner parçacık dinamiği incelemek için havadaki partikülleri ile kullanılacaktır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Ana Fabrikasyon
- Eski eserler 32, 33 anlatıldığı gibi bir ana silikon gofret imal etmek yalıtkan (SOI) gofret bir silikon derin reaktif iyon aşındırma (DRIE) kullanın.
NOT: DRIE nedeniyle yüksek en-boy oranı özellikleri (40 mikron genişliğinde ve 90 mikron derin çukurlar) standart SU-8 mikroişleme tercih edilir.
2. Döküm ve mikroakışkan Aygıt Sızdırmazlık
- örneğin, bir plastik tartım kabına gibi temiz küçük bir kap içinde 1 ağırlık oranı 10 PDMS ve sertleştirme ajanı karıştırılır.
- tüm hava kabarcıkları bertaraf edilinceye kadar, vakum altında bir desikatör içinde karışım gaz çıkışına.
NOT: Tüm sonraki basamaklar için yeterli PDMS hazırlayın. 1 PDMS: kür-agent karışımı adımları 2.1 ve 2.2 hazırlanan İşte aşağıda, kısaltması "PDMS" Gazı alınmış 10 her zaman ifade eder. - ana gofret üzerinde yaklaşık 1 mm yüksekliğe kadar gazdan arındırılmış-karışımı dökün. Gazını bir kez daha en az40 dakika gofret üzerindeki tüm hava kabarcıklarını çıkarmak ve gofret altında kabarcıkları en aza indirmek için.
NOT: gofret plakanın alt mümkün olduğunca yakın olduğundan emin olun. gofret nazikçe bir kez daha 2 karıştırma çubukları ve Degas kullanarak alt gerekli basın edin. - doğal konveksiyon fırınında 20 dakika boyunca 65 ° C'de pişirin.
NOT: 20 dakika sonra PDMS sertleştirilmiş ve neredeyse tamamen tedavi edilir. 20 dakika zaman kazandırır ve ikinci PDMS tabakanın yapışmasını artırır için daha uzun bir pişirme süresi mümkün olan pişirme iken birinci (aşağıya bakınız). - PDMS bağlılığı geliştirmek için iyi bir kum zımpara kağıdı kullanarak plastik 2 ml şırınga namlu bölümünü Dosya. Buna ek olarak, düz bir yüzey üzerine zımpara kağıdı yerleştirerek ve bunun üstüne şırınga haznesinin tabanını kaydırarak şırınga haznesinin tabanını düzleştirmek için kum kağıdı kullanın. Basınçlı hava ile şırınga temizleyin.
- la ilk PDMS tabakanın üzerine şırınganın kefe bölümünü yerleştirinRGE PDMS bakan yüzeyi açılması ve ~ 5 mm bir yüksekliğe birincinin üstüne PDMS ikinci tabaka dökülür, ve bir kurutucuda tekrar PDMS şekilde gaz.
NOT: İkinci PDMS katmanı varil çevresinde küçük kaptan dökülmelidir, ve içinde girmemeniz gerekir. - doğal konveksiyon fırınında, en az 2 saat boyunca 65 ° C'de tüm kurulum fırında.
Not: namlu geniş tabanı karşı bastıran PDMS sıkıca yerinde varil tutacağından sertleştirme işlemleri sırasında yer varil tutmaya gerek yoktur. - Bir neşter kullanılarak ana gofret desenli bölgenin çevresinde PDMS kalıp kesti. kesim sırasında, neşter zayıf gofret yüzeyine temas etmelidir. Sonra, yavaşça böyle neşter tarafından oluşturulan çentik gofret forseps gibi ince bir aracı takın ve ana gofret döküm PDMS soyulabilir.
- desenli tarafı alüminyum folyo ile kaplanmış yumuşak bir yüzeye yerleştirin dökümyukarı bakacak şekilde (yani., namlu masanın kenarına asmak gerekir), ve 1 mm biyopsi yumruk kullanarak odası giriş ve kanal girişinde PDMS bir delik.
- Coat (gazı alınmış) 10 ile temiz bir cam slayt: 1 PDMS: sertleştirme ajan 30 saniye boyunca 3000 rpm'de programlanan bir eğirme kaplayıcı kullanılarak kanşım, 65 ° C'de> 1 saat boyunca pişirilir. Sonra, slayt temizlemek ve PDMS net bant kullanarak attı.
- O 2 plazma PDMS kalıp ve PDMS kaplı cam slayt yüzeyini tedavi (örneğin, elde tutulan bir korona işleyicisinde kullanılarak) 1 dakika süre ile ve daha sonra yavaşça bir araya yüzeyleri basın, 65 ° C'de, gece boyunca (O / N) fırında .
3. Cihaz Dolum ve Aktivasyon
- (Ağırlık / ağırlık) partikülleri% 0.25 ile 64/36 (h / h) gliserol / su karışımı elde etmek için, bir cam şişe içinde, su ve gliserin su süspanse flüoresan polistiren partikülleri karıştırın ..
- kanal giriş üstünde gliserol çözeltisi, bir damla DI wat bir damla yerleştirinER odası girişine, daha sonra ~ 5 dakika boyunca bir kurutucu ve vakum içinde cihazı yerleştirin.
NOT: pop gliserol çözeltisi ve DI su damlaları formu kabarcıkları vakum bekleyin bırakmadan önce. Vakum serbest bırakıldıktan sonra sıvılar cihazın içindeki boşluklara emilir. Artık hava kanalları içinde kalırsa, (bir şırınga kullanılarak, örneğin.) Sıvıların dış baskı uygulayarak ve hava PDMS içine yayılmasını sağlayarak ortadan kaldırmak. - En odasına DI su ~ 2 ml enjekte edilir (örneğin, şırınga haznesi, Şek. 2b) tamamen su ile doldurulur kadar. Sonra, bir 19 gauge künt şırınga ucu ile üst odasını kapak başka künt 19 gauge enjektör ucu ucu kesilmiş ve yan odası girişine bu uç takın. İnce teflon tüp ve bir T-şekilli bir konektör yoluyla bir 1 ml şırınga iki şırınga uçlarının bağlayın.
NOT: emin olun 1 ml şırınga, teflon tüp, T şeklinde konnektör ve üst kamara (2 ml şırınga barrel) tüm kabarcıklar olmadan su ile doldurulur. Bu, bağlantı noktalarının açılması borunun boş bölümleri ile su itme ve bağlantı noktalarını yeniden bağlantı sağlanabilir. - Bir şırınga pompasına 1 ml şırınga Connect, 1 saniye sıfır 1.8 ml / dak, yani doğrusal rampa, inşa (T bir süre = 4 sn), örneğin bir normal nefes alıp döngüsü taklit etmek için önceden programlanan 1.8 mL / dakika -1.8 ml / dak 2 saniye ve -1.8 ml / sıfıra 1 sn dak.
4. Akış Görselleştirme Deneyleri: Mikro-parçacık Görüntü Akımları (μPIV)
- parçacık numaralı seribaşı akışının 12 faz-kilitli, çift çerçeve görüntüleri çift çerçeve çoklu pozlama CCD örneğin oluşan mikro-parçacık görüntüleyerek hız ölçümü (μPIV) sistemi kullanılarak - Cihaz harekete edilirken, 9 bir dizi elde kamera (bir çift darbeli Nd-YAG lazer (örneğin., 1600 × 1200 piksel yeterli çözünürlük elde etmek için)dalga boyu: 532 nm, çıkış enerjisi: 400 mJ, darbe süresi: 4 nsn) ile nano ve bir ters mikroskop.
NOT: Böyle bir sistem aşağı birinci ve ikinci kare arasında birkaç mikrosaniye kadar bir gecikme ile çerçeve çiftleri elde yeteneğine sahiptir. Faz-kilitli çift çerçeve görüntüleri elde etmek için, örneğin bir çift çerçeve serisi elde etmek yararlıdır., 10 Hz (çerçeve çiftleri birbirinden 0,1 saniye ile ayrılır). Tam bir döngü süresi (burada T = 4 sn) ayrılır tüm çerçeve çiftleri yeni bir zaman serisi oluşturmak, böylece daha sonra veri yeniden olabilir. Her kare çifti birinci ve ikinci kareler arasındaki gecikme süresini değiştirirken görüntü elde etme birkaç kez tekrarlanması gerekir (yani., 100 mikro-sn sn ile 0.1) alveol boşluğunun içine farklı akış bölgeleri çözmek için.
Not: görüntü alma sistemlerinin en iyi kombinasyonları açısından alternatif kurulumları (., Yani kamera) görüntü gibi ve aydınlatma kaynakları (yani, lazerler)Mikroakışlar, aynı zamanda 35 34 mevcuttur. - kullanılan her zaman gecikme için resim serisi kaynaklanan akış alanının faz-kilitli hız vektör haritaları hesaplamak için bir miktar-of-korelasyon algoritması kullanın. Alveoler boşluğunun içine farklı akış bölgeleri çözülmesi için her kare çifti birinci ve ikinci kare arasındaki gecikme sürelerinin Bu işlemi birkaç kez tekrarlayın. Sonra, üst üste veri noktalarını 33 ortalama ile birlikte akış modelleri tam ve yüksek detaylı harita içine bireysel akış haritaları dikiş için bir veri analizi programı kullanın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
In vitro asiner platformunun bilgisayar destekli tasarım (CAD) ve mikroskop görüntüleri Şekil sunulmaktadır. 1. Biomimetic asiner modeli alveoler gibi silindirik boşluklar ile kaplı dikdörtgen kanallar (Şek. 1) dallanma beş nesildir sahiptir. Burada model nesil nesil 5 kuşağa 1 (en yakın nesil için) numaralandırılmıştır (en distal nesil için). Kuşak 1 giden sadece kanal girişi PDMS bir açıklık vasıtası ile dış ortama açık olduğunu not edin. Kuşaktan 5 uzağa lider 16 kanallar havaya (Şek. 1a) kapalı kalır. periyodik odaları içindeki su basıncı modüle ederek, alveol boşlukları ve kanalları oluşturan ince duvarlar döngüsel deforme olmaktadır. Aynı zamanda, hava yollarının tavan kanalları üstünde yer alan ek bir su haznesi vasıtasıyla dikey olarak deforme edilir; Bir de bu üst bölmeyi oluşturmak içinBir şırınga varil çapraz bağlama önce PDMS içinde batık bir ek mikroakışkan tabakasının hazırlık yapmadan basit bir şekilde. Bu Hücreli oluklar ve üst Su ayırma odası, yaklaşık 1 mm'lik bir PDMS tabakası ile sonuçlanmıştır (Şek. 2).
Su hacimli 4 sn çevrim süresi (T), bir ortalama yetişkin insan ağır Tidal solunum senaryoya normal taklit etmek için doğrusal rampalı akış oranlarının bir dizi tekrar programlanmış bir şırınga pompasına bağlanır. Bu periyodik azalma ve solunum yolu hacminin artmasına neden olur; yerleri kapatılır ve sadece giriş çevreye açık olduğu ve bu, boru içindeki akışkan inhale ve doğal solunum işlemine benzer bir şekilde, giriş ile cihazdan dışarı verilen. Burada, hava yolu kanalı floresan parçacıkların (Protokolü) ve mikro parçacık görüntülemeli hız (μPIV) ile tohumlandı bir gliserol çözeltisi ile doldurulmuştur resulti eşlemek için kullanılan hava yolları ağacının 33 karşısında ng akış alanları.
Akım içerisinde normalize hızı büyüklüğü (U x / U X, max) (yani., Eksenel) kanal genişliği boyunca yönü Şekil l'de gösterilmiştir. 3.. Sonuçlar 5 cihaz nesiller her biri için pik inhalasyon hızında sunulan ve kanal midplane yakın ince bir levha içinde akış 2D projeksiyon temsil etmektedir. Karşılaştırma için, bir sonsuz uzun kanal 36 için kalıcı hal, laminer akış analitik çözümü de Şekil l'de sunulmuştur. 3..
Şekil 4. Tepe inhalasyon de solunum yollarının midplane de b Şekiller 4a, alveol boşlukları içinde desen ve hız büyüklükleri düzene ve asiner nesilleri sırasıyla 1, 3 ve 5, tasvir c.
şekil 1 "src =" / files / ftp_upload / 53588 / 53588fig1.jpg "/>
Şekil 1: Asiner Ağacı Ağı mikroakışkan Modeli tam cihazın (a) CAD-Çizimi.. (B) asiner ağaç yapısının Close-up anlık kanalları, odaları ve aralarına ince duvarlar gösteren. Mor oklar Şekil sunulan akış profillerinin karşılık gelen yerleri ve pozitif y -directions göstermektedir. 3.. Ref izniyle uyarlanmıştır. 33.
Şekil 2:. Mikroakışkan Aygıt CAD Tasarım, (a) kesik çizgilerle T-şeklinde bir konnektör aracılığıyla şırınga pompasına yan ve üst odalarından gelen tüpler göstermektedir. (B) yan PDMS döküm içinde şırınga yerini gösteren cihaz merkezi aracılığıyla kesti. birref izni ile uyarlandı. 33.
Şekil 3: Asiner Akış Hızları Şekil l'de gösterilen konumlarda 5 arasındaki kuşak 1 kanalın genişliği boyunca PIV elde Normalleştirilmiş duktal hız profilleri (U x / U X, maksimum).. 1;, max y kanal genelinde orta konuma sahip 0 çakıştığını = u x = 0,0104 m / sn cihaz üretimi 1. PIV ölçümleri ölçülen pik akım içerisinde hızına burada tekabül zirve inhalasyon burada gösterilmektedir (t = 0.6 sn) ve siyah çizgi W, d = 345 um ve dikdörtgen bir kanal içinde akışını sürünen analitik hız profiline karşılık gelen <em> h = 92 um. ref izniyle uyarlanmıştır. 33.
Şekil 4: Hız büyüklükler ve İlgili Streamline Desenler. Veriler 1, 3 ve 5. Akış alanları gösterilmektedir cihaz nesillere bulunan bir alveol midplane ekstre akışının bir projeksiyon yaklaşık tepe inhalasyon (t = 0.6 sn) için mikro-PIV elde edilir. Hız büyüklükleri logaritmik ölçekte gösterilir. ref izniyle uyarlanmıştır. 33.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Burada sunulan mikroakışkan asiner platformunun kritik bir özelliği asiner kanalları içinde ve alveoller içinde fizyolojik akım profilleri ve hızları doğuran fizyolojik gerçekçi nefes hareketleri çoğaltmak için yeteneğidir. Mikroakışkan kanal nispeten düşük bir en boy oranına sahip üretildiği (örn., D / h ≈ 3.9, G D kanalı genişliği ve H kanalı yükseltir w), ölçülen akımları kıyasla daha fazla düzensiz benzeri akış özellikleri göstermektedir dairesel kanallar var olurdu beklenen parabolik akış profilleri. Bununla birlikte, ölçülen hızları fizyolojik sınırlar dahilinde kalmaktadır; Karakteristik boyutsuz Reynolds sayısı, viskoz kuvvetlere atalet karşılaştırılması, yaklaşık 0.01 yari empirik tahminler 2 Aşağıdaki uzak asinar bölgelere ortasına kadar gelen bir maksimum verimlerle olduğu bulunmuştur.
içerik "> Burada, Reynolds sayısı Re olarak tanımlanır = ¾ x ¾ x, maksimum maksimal akış hızının anda kanal midplane genelinde ortalama akım içerisinde hızı maksimum D h / ν gliserol çözeltisi, D h kanal ve ν gliserol çözüm hidrolik çapı ν ~ 24 ° C (ν hava havanın kinematik viskozitesi eşleşmiş akış görselleştirme için kullanılan gliserol çözeltisi, kinematik viskozite = 2 / sn 1.55 × 10 -5 m olduğu gliserol çözeltisi = 1.51 x 10 -5 m2 / sn). Buna ek olarak, yaklaşık iki faktörü beklendiği gibi, her çatallanma sonra görülmektedir akış büyüklükte bir azalmaasiner modelinin dichotomous dallanma modelleri. Yani, akış hızlarının bu kaskad asiner önemli bir özelliği havayolu ağaçları akar olduğunu.(Şekil. 4) yakın ve alveol boşlukları içinde akış profilleri duktal hızları yavaş yavaş derin asiner kuşaklara karşı azalan olduğunu göstermektedir. Buna ek olarak, akış büyüklükleri kanallarına kıyasla büyüklüğü yavaş iç alveol iki üç emirleridir akım hızları ile sonuçlanan alveol açılması boyunca dik damla; Böyle akış topolojileri önce birkaç sayısal çalışmalarda 1, 9, 15 bildirilmiştir simülasyonlar 7 tahmin Buna ek olarak, akış modelleri, tek asiner nesilden diğerine önemli bir değişiklik 15:. kuşak 1 kabaca çakışan bir sirkülasyon bölgesi sahipken alveolun merkezi (Şek. 4, sol), kuşak 3 vücuda yakın tarafına doğru kaymış bir devridaim bölümünün ile karakterize edilirdaha açık bir düzene desen (Şek. 4, orta) ile alveol. Son olarak, devridaim bölümü ile radyal Kolaylaştırıyor cihaz nesil 5 (Şek. 4, sağda) görülmektedir. Yazarların bilgimize göre, bu alveol akış modelleri geniş bir yelpazede varlığı deneysel olarak yakalanır olduğunu ilk kez.
sunulan yöntemin başarısı mikroimalat protokolünde bir kaç kritik adımlar bağlıdır. İlk olarak, ana gofret serbest bırakılması üzerine düz duvarlara sahip olmalıdır gofret yüzeyinde kazınmış desen yırtılmasını ince PDMS duvarlar önlemek ve tedavi PDMS bağlı olmamalıdır. Dolayısıyla, bu Fishler vd de tarif edildiği gibi, bir SOI gofret DRIE ile gofret üretilmesi önerilir. (2013). Bu tür bir ana gofret, dayanıklı ve kolayca Fishler diğerleri de tarif edildiği gibi bir yüzey Silanizing da bir anti-yapışkan bir tabaka ile kaplanabilir. (2013) ya da sağlayarak tşapka DRIE işleminin son adımı olduğunu CF 4 ile pasivasyon taşımaktadır. Diğer önemli adım (adım 2.5) dosyalama ve üst bölmeyi oluşturmak için (2.6 adım) şırınga namlu gömme olduğunu. Hava şırınga tabanı ve büyük ölçüde imal cihazın bütünlüğünü ve dayanıklılığını azaltabilir ilk PDMS katmanı arasında yakalanan kabarcıklar. kabarcık oluşumunu önlemek için, şırınga haznesinin tabanı düz ve eşit yayımlandı olduğu önemlidir.
Mevcut tasarım, iki tabaka cihazın imalatı yalnızca bir ana gofret kullanarak sağlar iken, bunun değişik bir şekli En bölmeyi oluşturmak üzere dairesel bir girinti ihtiva eden ilave bir PDMS tabaka oluşturma içerebilir. bu ikinci PDMS katmanı için bir dairesel çıkıntı içeren ek bir usta gofret standart SU-8 fotolitografi kullanılarak imal edilebilir. protokol ek modifikasyonu bir korona işleyicisinde gerektirmez PDMS birleştirilmesi için farklı bir yöntem içerebilir. cama PDMS kalıp uymak içinslayt, ilk kat 5 Protokol aşamasında 2.10 açıklandığı ama kullanımı olarak cam slayt: 1 PDMS: yerine 10 1 kür ajan ağırlık oranı. doğal konveksiyon fırınında 65 ° C sıcaklıkta 15 dakika boyunca kaplanmış camın fırında, cam kaplı PDMS PDMS kalıp pres ve doğal konveksiyon fırınında 65 ° C'de gece boyunca fırında.
PDMS kalıp ve aşağıdaki önlemler alınabilir cam arasındaki yapışma yüzeyine sıvı sızıntı vesilesiyle: çıkış gerilimi artırmak değilse (1), korona treater tedavisi sırasında elektrik kıvılcım üreten emin olun (2) korona işleyicisi ve cama PDMS kalıp yapıştırılması için (3) kullanmak alternatif bir yöntem ile tedavi süresini uzatmak (yukarıdaki paragrafa bakın). Genellikle su haznesi girişine ince teflon boru bağlantısı üzerinden akabilir. Bu tür sızıntı aşmak için, 19 gauge künt şırınga ucu girişine teflon boru bağlamak için kullanılır emin olun. Eğer PDMS kalıp ve inci arasındaki su sızıntılarıe üst kamara (2 ml şırınga varil) şırınga haznesinin tabanı düzgün (Protokolde adım 2.5) açılmıştı emin olun ve PDMS ikinci tabaka yeterince yüksek döküldü ki (~ ilk PDMS katman üzerinde 5 mm ).
duvar deformasyon derecesi PDMS mekanik özellikleri üzerinde son derece bağımlı olduğuna dikkat edin. cihazların hazırlama prosedürüne hafif değişiklikler farklı cihazlar arasında ölçülen hızları önemli ölçüde değişkenlik neden olabilir. Maksimal tekrarlanabilirlik kullanımı sabit hazırlık koşulları sağlamak için (nem, pişirme süreleri vb.). Buna ek olarak, cihaz, harekete geçirme sırasında hacim değişimi ince ayar kanalı üst yüzeyi istenen mesafeye saptırılır, böylece faz kontrast mikroskopisi kullanılarak kanal üst yüzeyini görselleştirme ve şırınga pompasının hızı rampaları ayarlanması ile elde edilebilir mikroskop aşamasının Z-hareketi ile ölçüldüğü gibidir.
Önemli bir kısıtlamalarlaGeçerli tekniğin yon akciğerlerin tam morfolojik özellikleri (örneğin, anatomi, morfometri) doğru yeniden edilemez olmasıdır. Asiner çatallanmalar ve duktal hacmine alveoler oranı 37 değerleri vivo ölçülen çok daha düşük çıkış düzlem-Nitekim, asiner modelinin düzlemsel tasarım, örneğin yakalama değildir. Buna ek olarak, basit bir mikroakışkan geometrisi sadece tam acinus küçük bir kısmını çeker. Bu kısıtlamalara rağmen, mevcut modeli doğrudan gerçek anatomik uzunluk ölçeklerinde beklenen akış modelleri ve hızları çoğaltmak mümkün ve bu nedenle asiner taşınım olayları için değerli bir test platformu temsil eder.
Pulmoner acinus özellikli mikroakışkan modelleri nefes alıp verme kalıpları taklit akımlarının solunum asiner nicel araştırmalar için bir in vitro aracı olarak büyük gelecek vaat, sonuçlandırmak. Burada, basit asiner modeli beş g oluşurgenişleyen ve Hücreli kanalları sözleşme, böylece beklenen önemli yatan akış özelliklerinden bazıları üreyen enerations akciğerlerin asiner bölge içinde var olmaya. Alveoler boşluklar karmaşık çevrimli ve asiner ağacının boyunca radyal alveol akışlarının aralığının ilk kez deneysel kanıt sağlar içinde, mikro-PIV kullanarak, görselleştirme akış. Bu mikroakışkan yaklaşım nispeten basit bir prosedür izlenerek hareketli duvar karmaşık asiner yapıların üretilmesine imkan ölçekli yukarı asiner modellerine cazip bir alternatif sunuyor. Özellikle, bir tek-bir ölçekte bir model sunma ana avantajı ile, gerçek inhale asiner parçacık dinamiği dinamik benzerlik uyumu için daha fazla ihtiyaç duymadan araştırılabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) and curing agent | Dow Corning | (240)4019862 | Sylgard® 184 Silicone Elastomer Kit |
| Plastipak 2 ml syringe | BD | 300185 | |
| Norm-Ject Luer slip 1 ml syringe | Henke Sass Wolf | 4010-200V0 | |
| 1 mm Biopsy punch | Kai Medical | BP-10F | |
| Laboratory Corona Treater | Electro-Technic Products | BD-20AC | |
| PHD Ultra Syringe pump | Harvard apparatus | 703006 | |
| Dyed red rqueous fluorescent particles | Thermo-Scientific | Uncatalloged 0.86 µm beads were used | |
| Glycerin AR | Gadot | 830131320 | |
| FlowMaster MITAS micro-particle image velocimetry (µPIV) system | LaVision | 1108630 |
References
- Kleinstreuer, C., Zhang, Z. Airflow and Particle Transport in the Human Respiratory System. Annu. Rev. Fluid Mech. 42 (1), 301-334 (2010).
- Sznitman, J. Respiratory microflows in the pulmonary acinus. J. Biomech. 46 (2), 284-298 (2013).
- Tsuda, A., Henry, F. S., Butler, J. P. Gas and aerosol mixing in the acinus. Respir. Physiol. Neurobiol. 163 (1-3), 139-149 (2008).
- Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Donohue, J. F. Targeted Drug-Aerosol Delivery in the Human Respiratory System. Annu. Rev. Biomed. Eng. 10 (1), 195-220 (2008).
- Semmler-Behnke, M., Kreyling, W. G., Schulz, H., Takenaka, S., Butler, J. P., Henry, F. S., Tsuda, A. Nanoparticle delivery in infant lungs. Proc. Natl. Acad. Sci. 109 (13), 5092-5097 (2012).
- Sznitman, J., Heimsch, F., Heimsch, T., Rusch, D., Rosgen, T. Three-Dimensional Convective Alveolar Flow Induced by Rhythmic Breathing Motion of the Pulmonary Acinus. J. Biomech. Eng. 129 (5), 658-665 (2007).
- Tsuda, A., Henry, F. S., Butler, J. P. Chaotic mixing of alveolated duct flow in rhythmically expanding pulmonary acinus. J. Appl. Physiol. 79 (3), 1055-1063 (1995).
- Henry, F. S., Butler, J. P., Tsuda, A. Kinematically irreversible acinar flow: a departure from classical dispersive aerosol transport theories. J. Appl. Physiol. 92 (2), 835-845 (2002).
- Kumar, H., Tawhai, M. H., Hoffman, E. A., Lin, C. L. The effects of geometry on airflow in the acinar region of the human lung. J. Biomech. 42 (11), 1635-1642 (2009).
- Lee, D. Y., Lee, J. W. Characteristics of particle transport in an expanding or contracting alveolated tube. J. Aerosol Sci. 34 (9), 1193-1215 (2003).
- Tsuda, A., Butler, J. P., Fredberg, J. J. Effects of alveolated duct structure on aerosol kinetics. I. Diffusional deposition in the absence of gravity. J. Appl. Physiol. 76 (6), 2497-2509 (1994).
- Tsuda, A., Butler, J. P., Fredberg, J. J. Effects of alveolated duct structure on aerosol kinetics. II. Gravitational sedimentation and inertial impaction. J. Appl. Physiol. 76 (76), 2510-2516 (1994).
- Ma, B., Darquenne, C. Aerosol bolus dispersion in acinar airways—influence of gravity and airway asymmetry. J. Appl. Physiol. 113 (3), 442-450 (2012).
- Ma, B., Darquenne, C. Aerosol deposition characteristics in distal acinar airways under cyclic breathing conditions. J. Appl. Physiol. 110 (5), 1271-1282 (2011).
- Heimsch, J., Sznitman, T., Wildhaber, J. H., Tsuda, A., Rösgen, T. Respiratory Flow Phenomena and Gravitational Deposition in a Three-Dimensional Space-Filling Model of the Pulmonary Acinar Tree. J. Biomech. Eng. 131 (3), 031010 (2009).
- Litzlbauer, H. D., Korbel, K., Kline, T. L., Jorgensen, S. M., Eaker, D. R., Bohle, R. M., Ritman, E. L., Langheinrich, A. C. Synchrotron-Based Micro-CT Imaging of the Human Lung Acinus. Anat. Rec. Adv. Integr. Anat. Evol. Biol. 293 (9), 1607-1614 (2010).
- Tsuda, A., Filipovic, N., Haberthür, D., Dickie, R., Matsui, Y., Stampanoni, M., Schittny, J. C. Finite element 3D reconstruction of the pulmonary acinus imaged by synchrotron X-ray tomography. J. Appl. Physiol. 105 (3), 964-976 (2008).
- Berg, E. J., Weisman, J. L., Oldham, M. J., Robinson, R. J. Flow field analysis in a compliant acinus replica model using particle image velocimetry (PIV). J. Biomech. 43 (6), 1039-1047 (2010).
- Sznitman, J., Sutter, R., Altorfer, D., Stampanoni, M., Rösgen, T., Schittny, J. C. Visualization of respiratory flows from 3D reconstructed alveolar airspaces using X-ray tomographic microscopy. J. Vis. 13 (4), 337-345 (2010).
- Henry, F. S., Haber, S., Haberthür, D., Filipovic, N., Milasinovic, D., Schittny, J. C., Tsuda, A. The Simultaneous Role of an Alveolus as Flow Mixer and Flow Feeder for the Deposition of Inhaled Submicron Particles. J. Biomech. Eng. 134 (12), 121001 (2012).
- Chhabra, S., Prasad, A. K. Flow and Particle Dispersion in Lung Acini: Effect of Geometric and Dynamic Parameters During Synchronous Ventilation. J. Fluids Eng. 133 (7), 071001 (2011).
- Cinkotai, F. F. Fluid flow in a model alveolar sac. J. Appl. Physiol. 37 (2), 249-251 (1974).
- Karl, A., Henry, F. S., Tsuda, A. Low reynolds number viscous flow in an alveolated duct. J. Biomech. Eng. 126 (4), 420-429 (2004).
- Tippe, A., Tsuda, A. recirculating flow in an expanding alveolar model: experimental evidence of flow-induced mixing of aerosols in the pulmonary acinus. J. Aerosol Sci. 31 (8), 979-986 (2000).
- Berg, E. J., Robinson, R. J. Stereoscopic particle image velocimetry analysis of healthy and emphysemic alveolar sac models. J. Biomech. Eng. 133 (6), 061004 (2011).
- Ma, B., Ruwet, V., Corieri, P., Theunissen, R., Riethmuller, M., Darquenne, C. CFD simulation and experimental validation of fluid flow and particle transport in a model of alveolated airways. J. Aerosol Sci. 40 (5), 403-414 (2009).
- Kumar Mahto, S., Tenenbaum-Katan, J., Sznitman, J. Respiratory Physiology on a Chip. Scientifica. 2012, e364054 (2012).
- Huh, D., Fujioka, H., Tung, Y. C., Futai, N., Paine, R., Grotberg, J. B., Takayama, S. Acoustically detectable cellular-level lung injury induced by fluid mechanical stresses in microfluidic airway systems. Proc. Natl. Acad. Sci. 104 (48), 18886-18891 (2007).
- Song, Y., Baudoin, M., Manneville, P., Baroud, C. N. The air–liquid flow in a microfluidic airway tree. Med. Eng. Phys. 33 (7), 849-856 (2011).
- Tavana, H., Huh, D., Grotberg, J. B., Takayama, S. Microfluidics, Lung Surfactant, and Respiratory Disorders. Lab Med. 40 (4), 203-209 (2009).
- Huh, D., Matthews, B. D., Mammoto, A., Montoya-Zavala, M., Hsin, H. Y., Ingber, D. E. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip. Science. 328 (5986), 1662-1668 (2010).
- Pihl, J., Sinclair, J., Sahlin, E., Karlsson, M., Petterson, F., J, O. lofsson, Orwar, O. Microfluidic Gradient-Generating Device for Pharmacological Profiling. Anal. Chem. 77 (13), 3897-3903 (2005).
- Fishler, R., Mulligan, M. K., Sznitman, J. Acinus-on-a-chip: A microfluidic platform for pulmonary acinar flows. J. Biomech. 46 (16), 2817-2823 (2013).
- Lindken, R., Rossi, M., Grosse, S., Westerweel, J. Micro-Particle Image Velocimetry (microPIV): recent developments, applications, and guidelines. Lab. Chip. 9 (17), 2551-2567 (2009).
- Wereley, S. T., Meinhart, C. D. Recent Advances in Micro-Particle Image Velocimetry. Annu. Rev. Fluid Mech. 42 (1), 557-576 (2010).
- Bruus, H. Theoretical Microfluidics. Oxford Master Series in Condensed Matter Physics. , (2008).
- Haefeli-Bleuer, B., Weibel, E. R. Morphometry of the human pulmonary acinus. Anat. Rec. 220 (4), 401-414 (1988).
