Микрожидком Модель Biomimetically дыхания Легочная ацинарными Airways
Summary
Soft-lithography was utilized to produce a representative true-scale model of pulmonary alveolated airways that expand and contract periodically, mimicking physiological breathing motion. This platform recreates respiratory acinar flows on a chip, and is anticipated to facilitate experimental investigation of inhaled aerosol dynamics and deposition in the pulmonary acinus.
Abstract
Количественная характеристики дыхательных потока в легочных глубинах ацинарными и как они влияют на ингаляционный аэрозольный транспорт имеет решающее значение в направлении оптимизации методов ингаляции лекарственного средства, а также прогнозирования моделей осаждения потенциально токсичных частиц в воздухе в легочных альвеолах. Здесь методы мягкой литографии используются для изготовления сложных ацинарные-подобных структур в дыхательных путях на правдивых анатомических длины чешуи, которые воспроизводят физиологические явления ацинарной потока в оптически доступной системе. Микрожидкостных устройство имеет 5 поколений бифурцирующих Поликарбонат протоков с периодически расширяющей и сдерживающей стены. Стена приведение в действие достигается за счет изменения давления внутри заполненных водой камер, окружающих тонкие стенки PDMS ацинозный канала и с боков и в верхней части устройства. В отличие от обычных многослойных микрофлюидальных устройств, где требуется укладывание несколько форм PDMS, простой метод представлен изготовить верхнююкамеры путем встраивания секции ствола шприца в форму PDMS. Этот роман Микрожидкостных установка обеспечивает физиологические движения с дыханием, которые в свою очередь, привести к возникновению характерных ацинарными воздушных потоков. В текущем исследовании, микрочастица изображение велосиметрии (μPIV) с жидкими частицами приостановлено использовали для количественной оценки таких потоков воздуха на основе гидродинамического подобия согласования. Хорошее согласие между результатами μPIV и ожидаемыми явлениями ацинарной потока позволяют предположить , что Микрожидкостных платформа может служить в ближайшем будущем , как привлекательный в пробирке инструментом для исследования непосредственно бортовую представительную перенос частиц и осаждение в ацинарных отделах легких.
Introduction
Подробное количественное определение динамики дыхательных потоков в дистальной, Поликарбонат области легких имеет первостепенное значение в понимании смешивания воздушного потока в легких ацинусе и предсказания судьбы вдыхаемых аэрозолей в глубочайшем дыхательные пути 1-3. Этот последний аспект имеет особое значение при рассмотрении с одной стороны , опасности частиц вдыхаемых вредных веществ или , наоборот , в поисках новых стратегий для улучшения и адресной доставки лекарств ингаляционных терапевтических средств для локализованных участков легких 4, 5, а также для системной доставки.
На сегодняшний день, респираторные потоки в глубоких легочных регионах ацинарными были обычно исследованы в силикомарганца с использованием вычислительной гидродинамики (CFD) или , альтернативно , в пробирке с масштабируемых планом экспериментальных моделей следующие гидродинамического подобия соответствия. За последние несколько десятилетий, методы CFD все чаще применяются для изучения явлений ацинарной потока, от Singlе альвеолярных модели 6, 7 и Поликарбонат протоки 8-12 до более сложных в силикомарганца моделях , которые захватывают анатомически реалистичными ацинарной древовидные структуры с несколькими поколениями Поликарбонат протоков и до нескольких сотен отдельных альвеол. 13-15
Вместе численные усилия сыграли ключевую роль в пролить свет на роль и влияние движения стенки при дыхании движения на последующее модели ацинарной потока воздуха. При отсутствии дыхательного движения, статическая альвеолы функция рециркуляционного потоков внутри их полости , которые не обнаруживают конвективный обмен воздуха между ацинарных протоков и альвеол 6, 7; другими словами, альвеолярных потоки будут полностью изолированы от потоков внутри ацинарных деревьев и обмен воздуха приведет однозначно из диффузионных механизмов. С наличием циклических расширений альвеолярной области, однако, альвеолярные топологий потока резко изменяется, а RESUlting структуры потока внутри альвеол тесно связаны с расположением альвеолы по дереву ацинозной (например., проксимальные против дистальных поколений).
В частности, было сделано предположение, при моделировании, что альвеолярные структуры потока сильно зависят от соотношения альвеолярного к протоковой скорости потока таким образом, что проксимальные поколения легких ацинозной дерева, где это соотношение относительно велика следующие сохранения массы по всей древовидной структуре, функции комплекс с рециркуляцией потоков внутри альвеолярных полостей с необратимыми pathlines жидкости. С каждым поколением более глубокого ацинозной, отношение альвеолярной к протоковых скорости потока постепенно уменьшается таким образом, что дистальные ацинарных поколения обладают более радиальными типа линий тока, которые напоминают простые инфляций и дефляций аэростата. С развитием современных методов визуализации, визуализации данных легких 16, 17 грызунов, включая крыс и мышей, привели к некоторым из первого сеанса одновременной CFDференционных анатомически реконструированных потоков ацинарными в реконструированных альвеол. Несмотря на столь многообещающий прогресс, эти недавние исследования по – прежнему ограничены адресации явлений потока воздуха в концевых альвеолярных мешочков только 18, 19 или нескольких альвеол окружающих единственный канал 20. В результате, внедренный исследования явления дыхательных течения в ацинусе остаются во власти исследований с акцентом на общих анатомически Вдохновленных геометрии ацинарных среды 2.
На экспериментальной стороне, различные настройки , показывающие дыхательные пути с одним или несколькими альвеол были разработаны в течение многих лет 21-24. Тем не менее, не существует ни одного экспериментальных моделей бифурцирующих Поликарбонат дыхательные пути, которые способны имитируя физиологическое дыхание за счет расширения и заключения контрактов в дыхательную как мода. Принимая во внимание отсутствие привлекательных экспериментальных площадок под рукой, изучение ацинарной транспортных явлений остается ограниченным в отношении Валидатин расчетные исследования и критически, сохраняется недостаток экспериментальных данных доступна. . В последние годы, Ма и др (2009) построили уменьшенную до модели жесткой стенки с ацинусе , состоящей из трех поколений ацинарными; Однако, отсутствие движения стенки в этой модели ограничена ее способность захватывать реалистичные альвеолярные структуры потока в условиях дыхания.
Другие чешуйчатые дополнительных экспериментов , включая движущейся модели стены на основе анатомических данных из литой реплики были недавно представила 25; Однако, так как модель только захватили два последних ацинарные поколения (то есть., терминальные мешочки), он не смог захватить сложные циркуляторы потоки , которые характеризуют более проксимальных ацинарные поколений. Эти последние примеры реализации широкомасштабных экспериментов дополнительно подчеркивают продолжающиеся ограничения с такими подходами. В частности, ни одна из существующих эксперимент до сих пор продемонстрировал гипотетическое переход от рециркулирующей к радиальным потоков вдольацинуса и тем самым подтверждают численные предсказания топологий потока гипотетически существует в реальных легочных ацинарными деревьев 7, 15. Пожалуй , наиболее критически, чешуйчатые дополнительных экспериментов крайне ограничены в исследовании вдохнул переноса и осаждения динамику 26 частиц из – за трудностей в соответствие всем соответствующим неправительственным организациям мерными параметрами (например., диффузия частиц, критический транспортный механизм для субмикронных частиц, полностью пренебречь).
С текущих экспериментальных задач, новых экспериментальных площадок, которые позволяют исследования дыхательных воздушных потоков и динамики частиц в сложных подвижных стенок ацинарных сети разыскиваются. Здесь анатомически вдохновленный в пробирке модели ацинозной вводится. Это микрофлюидальные подражает платформа легочная ацинарной протекает непосредственно в представительном масштабе ацинозной, и расширяет растущий ассортимент легких микрофлюидальных моделей 27, в том числе бронхиальной жидкости штекером-FloWS 28-30 и альвеолярно-капиллярный барьер 31.
А именно, настоящее конструкция имеет упрощенный пять поколений Поликарбонат дерева в дыхательных путях с циклически расширяться и сжиматься стенки, где циклические движения достигаются за счет регулирования давления внутри водяной камеры, которая окружает тонкие PDMS боковые стенки и где верхняя стенка деформирована путем дополнительной воды камера сидит непосредственно над структурой ацинозной. В отличие от обычных многослойных микрофлюидальных устройств, эта камера просто формируется путем встраивания секции ствола шприца внутри устройства PDMS, и не требует подготовки дополнительной PDMS формы.
Миниатюрная подход, представленный здесь, предлагает простые и универсальные средства для воспроизведения сложных ацинарные структур с движущимися стенками по сравнению с масштабируется вверх моделей во время захвата основные характеристики среды ацинарной потока. Эта платформа может быть использована для флож визуализации с использованием частиц жидкостью подвешен внутри дыхательных путей (см Представитель Результаты ниже). В ближайшем будущем, модель будет использоваться частиц в воздухе для изучения динамики частиц ингаляционных ацинарные.
Protocol
Representative Results
Discussion
Отличительным признаком микрожидкостных ацинозной платформы, представленной здесь является его способность воспроизводить физиологически реалистичные движения с дыханием, которые приводят к физиологическим профилей потока и скоростей внутри ацинарных протоков и в альвеолах. П…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported in part by the European Commission (FP7 Program) through a Career Integration Grant (PCIG09-GA-2011-293604), the Israel Science Foundation (Grant nr. 990/12) and the Technion Center of Excellence in Environmental Health and Exposure Science (TCEEH). Microfabrication of microfluidic chips was conducted at the Micro-Nano Fabrication Unit (MNFU) of the Technion and supported by a seed grant from the Russel Berrie Institute of Nanotechnology (RBNI) at Technion. The authors thank Avshalom Shai for assistance during deep reactive ion etching (DRIE) and Molly Mulligan and Philipp Hofemeier for helpful discussions.
Materials
| 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 | |
| 1mm 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. l. o. f. s. s. o. n., 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).
