En mikroflödes Modell av Biomimetically Andning Pulmonell körtel 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
Kvantifiera andningsflödesegenskaper i lung acinära djup och hur de påverkar transport inhalerad aerosol är kritisk till att optimera läkemedels inandning tekniker samt att förutsäga deponeringsmönster av potentiellt giftiga luftburna partiklar i lungblåsorna. Här är mjuk litografitekniker som används för att tillverka komplexa körtelliknande luftvägsstrukturer på sanningsenliga anatomiska längdskalor som reproducerar fysiologiska acinar strömningsfenomen i ett optiskt tillgängligt system. Mikroflödessystem enhet har 5 generationer av bifurcating i celler kanaler med jämna mellanrum expanderande och upphandlande väggar. Vägg aktivering uppnås genom att ändra trycket inuti vattenfyllda kammare som omger den tunna PDMS acinar kanalväggarna både från sidorna och toppen av enheten. Till skillnad från vanliga flerskiktsmikroflödessystem enheter, där det krävs stapling av flera PDMS formar, är en enkel metod som presenteras för att tillverka toppenkammare genom att bädda pippartiet av en spruta in i PDMS formen. Denna nya mikroflödesinställnings levererar fysiologiska andningsrörelser som i sin tur ger upphov till karakteristiska acinära luftkapacitet. I den aktuella studien var mikropartikel bild Velocimetry (μPIV) med flytande suspenderade partiklar som används för att kvantifiera en sådan luftflöden baserat på hydrodynamisk likhet matchning. Den god överensstämmelse mellan μPIV resultat och förväntade acinar flödesfenomen antyder att mikroflödes plattformen kan tjänstgöra inom en snar framtid som en attraktiv in vitro verktyg för att undersöka direkt luftburna representativ partikeltransport och deponering i körtel regionerna i lungorna.
Introduction
En detaljerad kvantifiering av luftvägsflödesdynamik i den distala, är av största vikt i att förstå luftflöde blandning i lung acinus och förutsäga ödet för inhalerade aerosoler i den djupaste luftvägarna 1-3 i celler regioner av lungorna. Den sistnämnda aspekten är särskilt oroande när han talade å ena sidan riskerna med inhalerade förorenande partiklar eller omvänt att söka nya strategier för förbättrad och riktad läkemedelstillförsel av inhalerade läkemedel till lokala lung platser 4, 5 samt för systemisk leverans.
Hittills andnings flöden i de djupa lung acinära regioner har typiskt undersökts in silico med hjälp av Computational Fluid Dynamics (CFD) eller alternativt in vitro med skalade upp experimentmodeller efter hydrodynamiska likheten matchning. Under de senaste decennierna har CFD metoder allt större utsträckning för att studera acinar strömningsfenomen, från single alveolära modeller 6, 7 och i celler kanaler 8-12 till mer genomarbetade in silico-modeller som fångar anatomiskt realistisk acinar trädstrukturer med flera generationer i celler kanaler och upp till flera hundra enskilda alveolerna 13-15.
Tillsammans har numeriska ansträngningar varit avgörande i att belysa den roll och inflytande vägg rörelse under andning rörelser på efterföljande acinar luftflödesmönster. I avsaknad av andningsrörelse, flödar statisk alveoler funktion recirkulerande inom sina hålrum som uppvisar ingen konvektiva luftväxling mellan acinar kanalen och alveol 6, 7; Med andra ord skulle alveolära flöden vara helt isolerad från flöden inom körtel träd och utbyte av luft skulle leda unikt från diffusiva mekanismer. Med förekomsten av cykliska utökningar av den alveolära domänen emellertid alveolära flödes topologier drastiskt modifieras och Resulting strömningsmönster inuti alveolerna är intimt knuten till platsen för en alveol längs acinar träd (eg., proximal vs distala generationer).
Framför allt har det varit en hypotes i simuleringar som alveolära strömningsmönster är starkt påverkade av förhållandet mellan alveolär att duktal flödeshastigheter så att proximala generationer av lung acinar träd, där detta förhållande är relativt stor efter mass bevarande över en trädstruktur, funktion komplexa recirkulerande strömmar inuti alveolära hålrum med oåterkalleliga vätske pathlines. Med varje djupare acinar generation, förhållandet mellan alveolär till duktala flödeshastigheter gradvis minskar så att distala acinar generationer uppvisar flera radiella liknande strömlinjer som påminner om enkla fyllningar och deflations av en ballong. Med framsteg inom moderna avbildningsmetoder, lungbilddata 16, 17 av gnagare, inklusive råtta och mus, har gett upphov till några av de första CFD simulheten av anatomiskt rekonstruerade acinar flöden i rekonstruerade alveoler. Trots en sådan lovande framsteg, dessa nya studier fortfarande begränsad till att ta itu med luftflödes fenomen i terminal alveolära säckarna bara 18, 19 eller några alveoler kring en enda kanal 20. Som ett resultat förblir state-of-the-art undersökningar av andningsströmningsfenomen i acinus domineras av studier som fokuserar på generiska anatomiskt inspirerade geometrier av acinar miljön 2.
På den experimentella sidan har olika inställningar som presenterar en luftväg med en eller flera alveoler utvecklats under åren 21-24. Men det finns inga experimentella modeller av bifurcating i celler i luftvägarna som kan imitera fysiologiska andning genom att expandera och kontrakt i en andningsliknande sätt. Med tanke på bristen på attraktiva experimentella plattformar till hands, förblir studiet av acinar transportfenomen begränsad när det gäller validating computational studier och kritiskt, finns det fortfarande en brist av experimentella data tillgängliga. . Under de senaste åren, Ma et al (2009) har konstruerat en skalas upp styv vägg modell av en acinus bestående av tre körtel generationer; Bristen på väggen rörelse i denna modell begränsas dess förmåga att fånga realistiska alveolära flödesmönster i andningsförhållanden.
Andra skalas upp experiment inklusive en rörlig vägg modell baserad på anatomiska data från gjutna replik har nyligen infört 25; men eftersom modellen endast fångat de två sista acinära generationer (dvs.., terminal SAC), misslyckades det att fånga de komplexa cirkulationsflöden som kännetecknar mer proximala acinära generationer. Dessa senare exempel på uppskalade experiment understryker ytterligare de pågående begränsningarna med sådana metoder. Närmare bestämt har ingen befintlig experiment hittills visat hypotes övergången från recirkulerande till radiell strömmar längsden acinus och därigenom bekräfta numeriska förutsägelser om flödes topologier hypotes att existera i reala lung acinar träd 7, 15. Kanske mest kritiskt, är skalade upp experiment ytterst begränsad utreda inhalerad partikel transport- och deponerings dynamik 26 på grund av svårigheter i att matcha alla relevanta icke -dimensionella parametrar (eg., partikelspridning, en kritisk transportmekanism för submikrona partiklar är helt försummas).
Med pågående experimentella utmaningar, nya experimentella plattformar som möjliggör undersökningar av andningsluftflöden och partikeldynamik i komplexa rörliga väggar körtel nätverk söks. Här, en anatomiskt inspirerad in vitro acinar modell införs. Denna mikroflödes plattform härmar lung acinar strömmar direkt på den representativa acinar skala, och breddar det växande utbudet av lungmikroflödes modeller 27, inklusive bronkial flytande plug-floWS 28-30 och alveolär kapillär barriär 31.
Nämligen den nuvarande designen presenterar en förenklad fem generation i celler i luftvägarna träd med cykliskt expanderande och upphandlande väggar, där cykliska rörelser uppnås genom att reglera trycket inuti en vattenkammare som omger de tunna PDMS sidoväggar och där den övre väggen deformeras med ytterligare vatten kammaren sitter direkt ovanför acinar strukturen. Till skillnad från vanliga flerskikts mikrofluidikanordningar är denna kammare helt enkelt bildas genom att bädda pippartiet hos en spruta inuti PDMS Device, och inte kräver framställning av en ytterligare PDMS mögel.
Den miniatyriserade tillvägagångssätt presenteras här erbjuder ett enkelt och mångsidiga medel för att återge komplicerade acinar strukturer med rörliga väggar jämfört med skalade upp modeller samtidigt fånga de underliggande egenskaperna hos acinar flödesmiljön. Denna plattform kan användas för flow visualisering med hjälp av vätske suspenderade partiklar inne i luftvägarna (se Representativa resultat nedan). Inom en snar framtid, kommer modellen att användas med luftburna partiklar för att studera inhalerade körtelpartikeldynamik.
Protocol
Representative Results
Discussion
En kritisk egenskap hos mikroflödes acinar plattform som presenteras här är dess förmåga att återge fysiologiskt realistiska andningsrörelser som ger upphov till fysiologiska flödesprofiler och hastigheter inom acinära kanaler och inom alveolerna. Eftersom mikroflödessystem kanaler produceras med en relativt låg aspektförhållande (dvs., W d / h ≈ 3,9, där Wd är kanalbredden och h är kanalhöjden), de uppmätta fl…
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).
