نموذج ميكروفلويديك من Biomimetically التنفس الرئوي عنيبية الخطوط الجوية

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.

قياس خصائص تدفق الجهاز التنفسي في أعماق عنيبية الرئوية وكيفية تأثيرها على النقل الرزاز المستنشق أمر بالغ الأهمية من أجل تحسين تقنيات استنشاق المخدرات وكذلك التنبؤ بأنماط ترسب الجسيمات العالقة في الهواء السامة في الحويصلات الهوائية الرئوية. هنا، يتم استخدام تقنيات الطباعة الحجرية الناعمة لتصنيع الهياكل الهوائية مثل عنيبية المعقدة في صادقة التشريحية طول المقاييس التي تتكاثر الفسيولوجية الظواهر تدفق عنيبية في نظام الوصول بصريا. ويتميز الجهاز ميكروفلويديك 5 أجيال من bifurcating القنوات البولي مع التوسع بشكل دوري والجدران التعاقد. ويتحقق جدار يشتغل عن طريق تغيير الضغط داخل غرف مملوءة بالماء المحيطة رقيقة الجدران PDMS قناة عنيبية كلا من الجانبين والجزء العلوي من الجهاز. وعلى النقيض من أجهزة ميكروفلويديك متعدد الطبقات المشتركة، التي تتطلب التراص قوالب عدة PDMS، وتقدم طريقة بسيطة لافتعال أعلىغرفة عن طريق دمج قسم برميل من حقنة في القالب PDMS. هذا الإعداد ميكروفلويديك رواية يسلم حركات التنفس الفسيولوجية والتي بدورها تؤدي إلى عنيبية الهواء التدفقات مميزة. في الدراسة الحالية، تم استخدام الجسيمات الصغيرة صورة السرعة بواسطة (μPIV) مع جزيئات السائل مع وقف التنفيذ لتحديد هذا الهواء التدفقات على أساس مطابقة التشابه الهيدروديناميكية. اتفاق جيد بين النتائج μPIV ويتوقع الظواهر تدفق عنيبية تشير إلى أن منصة ميكروفلويديك قد تكون في المستقبل القريب على أنها جذابة في أداة المختبر للتحقيق المحمولة جوا مباشرة نقل الجسيمات تمثيلا وترسب في المناطق عنيبية من الرئتين.

تقدير كمي مفصل لديناميكية تدفق الجهاز التنفسي في القاصي والمناطق البولي الرئتين أمر بالغ الأهمية من أجل فهم تدفق الهواء خلط في عنيبة الرئوي والتنبؤ بمصير باستنشاق الرزاز في أعمق الهوائية ^1-3. هذا الجانب الأخير يثير القلق بصفة خاصة عند تناول من ناحية مخاطر الجسيمات الملوثة المستنشقة أو على العكس في السعي استراتيجيات جديدة لتحسين واستهدفت تسليم المخدرات من العلاجات استنشاقه إلى المواقع المحلية الرئة ^{4، 5،} فضلا عن تسليم النظامية.

حتى الآن، التدفقات الجهاز التنفسي في المناطق عنيبية الرئوية عميقة تم التحقيق فيها عادة في سيليكون باستخدام ديناميات الموائع الحسابية (CFD) أو بدلا من ذلك في المختبر مع نماذج تجريبية مصغرة في أعقاب مطابقة التشابه الهيدروديناميكية. في العقود القليلة الماضية، تم تطبيق أساليب CFD على نحو متزايد لدراسة الظواهر تدفق عنيبية، من سينغله نماذج السنخية ^{6 و 7} و البولي القنوات ^12/8 إلى أكثر تفصيلا في نماذج سيليكون تسلط الضوء على تشريحيا واقعية هياكل شجرة عنيبية مع أجيال متعددة من القنوات البولي وتصل إلى عدة مئات من الحويصلات الهوائية الفردية ^13-15.

معا، كانت جهود العددية محوريا في تسليط الضوء على دور ونفوذ الحركة الحائط أثناء التنفس الحركات على تلت ذلك أنماط عنيبية تدفق الهواء. في حالة عدم وجود حركة التنفس، وتدفق ثابت الحويصلات الهوائية إعادة تدوير ميزة داخل تجاويف في أن تظهر أي تبادل الحمل الحراري من الهواء بين القناة عنيبية وسنخ ^{6، 7؛} وبعبارة أخرى، فإن التدفقات السنخية تكون معزولة تماما عن التدفقات داخل الأشجار عنيبية وسوف تبادل الهواء يؤدي فريد من آليات ناشر. مع وجود توسعات دوري المجال السنخية، ومع ذلك، يتم تعديل طبولوجيا تدفق السنخية بشكل كبير ودورة الفتشوبlting أنماط التدفق داخل الحويصلات الهوائية وترتبط ارتباطا وثيقا الموقع من سنخ على طول شجرة عنيبية (على سبيل المثال، الأقرب مقابل أجيال البعيدة).

على وجه الخصوص، فقد تم الافتراض في المحاكاة أن أنماط تدفق السنخية تتأثر بشدة نسبة السنخية إلى الأقنية معدلات التدفق بحيث الأجيال القريبة من شجرة عنيبية الرئوية، حيث أن هذه النسبة كبيرة نسبيا التالية الحفظ الشامل في هيكل شجرة، ميزة تدفقات إعادة تدوير معقدة داخل تجاويف السنخية مع pathlines السوائل لا رجعة فيها. مع كل جيل عنيبية أعمق، فإن نسبة من السنخية لمعدلات تدفق الأقنية يتناقص تدريجيا بحيث أجيال عنيبية البعيدة يحمل يبسط أكثر الشعاعية مثل التي تشبه التضخم بسيطة وانكماش البالون. مع تطور وسائل التصوير الحديثة، البيانات التصوير الرئة ^{16، 17} من القوارض، بما في ذلك الجرذان والفئران، أدت إلى بعض من أول simul CFDبالجمع التدفقات عنيبية بناؤها تشريحيا في الحويصلات الهوائية التي أعيد بناؤها. وعلى الرغم من هذا التقدم واعد، هذه الدراسات الأخيرة لا تزال محدودة في معالجة الظواهر تدفق الهواء في الأكياس السنخية الطرفية فقط ^{18 أو 19} أو عدد قليل من الحويصلات الهوائية المحيطة قناة واحدة ^20. ونتيجة لذلك، للدولة من بين الفن التحقيقات في الظواهر تدفق الجهاز التنفسي في عنيبة تظل الغلبة فيه الدراسات التي تركز على النوعية هندستها المستوحاة تشريحيا للبيئة عنيبية ^2.

على الجانب التجريبي، وقد وضعت مختلف الاجهزة يضم الهوائية مع واحد أو عدة الحويصلات الهوائية على مدى السنوات ^21-24. ومع ذلك، وأنه لا توجد هناك نماذج تجريبية من bifurcating الهوائية البولي القادرة على محاكاة التنفس الفسيولوجية من خلال توسيع والتعاقد بطريقة تشبه التنفس. نظرا لعدم وجود منصات التجريبية جذابة في متناول اليد، تبقى دراسة الظواهر النقل عنيبية محدودة فيما يتعلق validaتينغ الدراسات الحسابية وخطيرة، لا تزال هناك ندرة في البيانات التجريبية المتاحة. في السنوات الأخيرة، ما وآخرون (2009) وقد شيد توسيع نطاقها نموذج جامد الجدار من عنيبة تتكون من ثلاثة أجيال عنيبية. ومع ذلك، فإن عدم وجود حركة الجدار في هذا النموذج محدودة قدرتها على التقاط أنماط تدفق السنخية واقعية في ظل الظروف التنفس.

التجارب توسيع نطاقها أخرى بما في ذلك نموذج الجدار المتحرك حسب البيانات التشريحية من الزهر نسخة أدخلت مؤخرا ^25. ومع ذلك، منذ نموذج القبض فقط على مشاركة جيلين عنيبية (أي، الحويصلات الطرفية)، فإنه فشل في التقاط تدفقات إعادة تدوير المعقدة التي تتسم بها الأجيال عنيبية أكثر الداني. هذه الأمثلة الأخيرة من التجارب توسيع نطاقها مزيد يؤكد القيود المستمرة مع هذه النهج. على وجه التحديد، وهكذا أثبتت التجربة عدم الموجودة الآن الانتقال افترض من إعادة تدوير شعاعي تدفقات جنبا إلى جنبوعنيبة، وبالتالي تأكيد التنبؤات العددية من طبولوجيا تدفق افترض وجود في الحقيقية الأشجار عنيبية الرئوية ^{7 و 15،} وربما الأهم، والتجارب توسيع نطاقها محدود للغاية في التحقيق في استنشاق الجسيمات النقل والترسيب ديناميات ²⁶ بسبب صعوبات في التوفيق بين كل غير ذات الصلة المعلمات الابعاد (على سبيل المثال، نشر الجسيمات، وآلية النقل الحرجة لالجسيمات شبه ميكرون، وأهملت تماما).

مع التحديات التجريبية الجارية، والمنصات التجريبية الجديدة التي تسمح التحقيقات في تدفق الهواء وديناميكا الجسيمات الجهاز التنفسي في الجدران تتحرك معقدة وسعت شبكات عنيبية. هنا، هو عرض من وحي-تشريحيا في نموذج عنيبية المختبر. يتدفق هذا المنبر ميكروفلويديك يقلد عنيبية الرئوي مباشرة في نطاق عنيبية التمثيلي، ويوسع نطاق متزايد من نماذج الموائع الدقيقة الرئوية ^27، بما في ذلك الشعب الهوائية السائل المكونات فلوWS ^28-30 و-السنخية الشعرية حاجز ^31.

وهي، التصميم الحالي يتميز مبسطة خمسة جيل البولي شجرة الهوائية مع توسيع دوريا والتعاقد الجدران، حيث يتم تحقيق حركات دوري بالضغط السيطرة داخل غرفة المياه التي تحيط PDMS رقيقة الجدران الجانبية والتي تشوه الجدار العلوي عن طريق مياه إضافية غرفة الجلوس مباشرة فوق هيكل عنيبية. على عكس أجهزة ميكروفلويديك متعدد الطبقات المشتركة، وشكلت هذه القاعة ببساطة عن طريق دمج قسم برميل من حقنة داخل جهاز PDMS، و لا يتطلب إعداد قالب PDMS إضافية.

النهج المنمنمة المقدمة هنا يوفر وسيلة بسيطة ومرنة لإعادة إنتاج الهياكل عنيبية معقدة مع تتحرك الجدران بالمقارنة مع نماذج مصغرة حتى أثناء التقاط الخصائص الأساسية للبيئة تدفق عنيبية. هذا البرنامج يمكن استخدامه لفلوث التصور باستخدام الجزيئات مع وقف التنفيذ السوائل داخل الشعب الهوائية (انظر ممثل النتائج أدناه). في المستقبل القريب، سيتم استخدام نموذج مع الجسيمات العالقة في الهواء لدراسة استنشاق عنيبية ديناميكا الجسيمات.

تصنيع 1. ماستر

1. استخدام عميق النقش على رد الفعل ايون (DRIE) من السيليكون على عازل (أبناء العراق) رقاقة افتعال رقاقة السيليكون الرئيسي كما هو موضح في الأعمال السابقة ^{32 و 33.}
   ملاحظة: يفضل DRIE إلى معيار SU-8 متناهي الصغر نظرا للميزات ارتفاع نسبة الارتفاع (40 ميكرون واسعة و 90 ميكرون الخنادق العميقة).

2. صب وختم الجهاز ميكروفلويديك

1. مزيج PDMS وكيل علاج في نسبة 10: 1 الوزن داخل وعاء صغير نظيفة مثل طبق من البلاستيك وزنها.
2. ديغا الخليط في مجفف تحت فراغ حتى تتم إزالة جميع فقاعات الهواء.
   ملاحظة: إعداد ما يكفي من PDMS لجميع الخطوات اللاحقة. هنا أدناه، واختصار "PDMS" يشير دائما إلى نزع الغاز 10: 1 PDMS: خليط علاج وكيل الذي تم إعداده في الخطوات 2.1 و 2.2.
3. صب-خليط نزع الغاز إلى ارتفاع حوالي 1 ملم فوق رقاقة الرئيسية. ديغا مرة أخرى على الأقل40 دقيقة لإزالة جميع فقاعات الهواء فوق رقاقة والتقليل من فقاعات تحت الرقاقة.
   ملاحظة: تأكد من أن الرقاقة هو أقرب ما يكون إلى أسفل لوحة. إذا صحافة الضروري الرقاقة بلطف إلى أسفل باستخدام 2 العصي التحريك وديغا مرة أخرى.
4. خبز عند 65 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة في الفرن الحراري الطبيعي.
   ملاحظة: بعد 20 دقيقة من تصلب PDMS وتقريبا شفي تماما. في حين أن وقتا أطول الخبز ممكن الخبز لمدة 20 دقيقة يوفر الوقت ويحسن تمسك طبقة PDMS الثانية (انظر أدناه) لأول واحد.
5. ملف القسم برميل البلاستيكية حقنة 2 مل باستخدام الرمل ورقة حصى غرامة لتحسين الالتزام PDMS. وبالإضافة إلى ذلك، استخدام ورقة الرمل لشد قاعدة للبرميل حقنة عن طريق وضع الرمل ورقة على سطح مستو والانزلاق قاعدة برميل حقنة على أعلى من ذلك. تنظيف حقنة باستخدام الهواء المضغوط.
6. وضع قسم برميل من الحقنة في أعلى طبقة PDMS الأولى مع لوس انجليسRGE افتتاح تواجه سطح PDMS، وتصب طبقة ثانية من PDMS على رأس أول واحد على ارتفاع ~ 5 ملم، وديغا في PDMS مرة أخرى في مجفف.
   ملاحظة: يجب سكب طبقة PDMS الثانية من الحاوية الصغيرة في جميع أنحاء برميل، ويجب أن لا تدخل في داخلها.
7. خبز الإعداد بأكمله عند 65 درجة مئوية لمدة لا تقل عن 2 ساعة في الفرن الحراري الطبيعي.
   ملاحظة: ليست هناك حاجة لعقد برميل في مكان أثناء عمليات المعالجة منذ وزن PDMS الضغط على قاعدة واسعة للبرميل يحمل برميل ثابتا في مكانه.
8. قطع طريق العفن PDMS في جميع أنحاء المنطقة على نمط من رقاقة سيد باستخدام مشرط. في حين خفض، ينبغي أن مشرط لمس ضعيفة على سطح الرقاقة. ثم، تضاف برفق أداة رقيقة مثل ملقط رقاقة في الشق أنشأتها مشرط، وانزع PDMS يلقي من رقاقة الرئيسية.
9. ضع الزهر على سطح ناعم مغطاة بورق الألومنيوم مع الجانب منقوشةمواجهة (أي، ينبغي للبرميل تتدلى من حافة الطاولة)، ولكمة ثقب في PDMS في مدخل القاعة وقناة مدخل باستخدام خزعة لكمة 1 مم.
10. معطف شريحة زجاجية نظيفة مع (نزع الغاز) 10: 1 PDMS: علاج وكيل الخليط باستخدام المغطي تدور المبرمجة في 3000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية، وتخبز لمدة> 1 ساعة على 65 درجة مئوية. ثم، وتنظيف الشريحة وPDMS يلقي باستخدام شريط واضح.
11. علاج سطح PDMS العفن وPDMS المغلفة شريحة زجاجية مع O ₂ البلازما (على سبيل المثال، وذلك باستخدام باليد المفاوض كورونا) لمدة 1 دقيقة، ثم اضغط بلطف على الأسطح معا وخبز عند 65 درجة مئوية بين عشية وضحاها (O / N) .

3. تعبئة جهاز ويشتغل

1. مزيج الماء الجسيمات العالقة البوليسترين الفلورسنت مع الماء والجلسرين في قارورة زجاجية للحصول على 64/36 (ت / ت) خليط الجلسرين / الماء مع 0.25٪ (وزن / وزن) الجسيمات ..
2. وضع قطرة من الحل الجلسرين على رأس مدخل القناة وقطرة من DI واتإيه على مدخل القاعة، ثم وضع الجهاز داخل المجفف وفراغ ل~ 5 دقائق.
   ملاحظة: قبل الإفراج عن الانتظار فراغ لفقاعات التي تشكل في قطرات من محلول الجلسرين والماء DI لموسيقى البوب. بعد الإفراج فراغ وامتص السوائل في الفراغات داخل الجهاز. إذا يبقى الهواء المتبقي داخل القنوات، القضاء عليه عن طريق الضغط الخارجي على السوائل (على سبيل المثال، باستخدام حقنة) والسماح للهواء أن ينتشر في PDMS.
3. حقن ~ 2 مل من الماء DI في الغرفة العليا (أي برميل حقنة، الشكل 2B) حتى يمتلئ تماما مع المياه. ثم تغطية غرفة أعلى مع 19 مقياس حقنة حادة طرف، وقطع غيض من كليلة 19 مقياس حقنة طرف آخر، وإدراج هذا تلميح إلى مدخل غرفة جانبية. ربط كل من نصائح حقنة لحقنة 1 مل عبر أنابيب تفلون رقيقة وموصل على شكل حرف T.
   ملاحظة: تأكد من أن حقنة 1 مل، وأنابيب تفلون، على شكل حرف T-موصل وغرفة العليا (2 مل حقنة برايل) وامتلأ الجميع من الماء دون فقاعات. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق فتح نقاط اتصال، ودفع المياه من خلال أقسام فارغة من الأنابيب وإعادة ربط نقاط الاتصال.
4. ربط حقنة 1 مل إلى ضخ حقنة مبرمجة مسبقا لتقليد على سبيل المثال دورة التنفس المد والجزر الهادئة (مع فترة T = 4 ثانية) التي شيدت من سلالم الخطية، أي من صفر إلى 1.8 مل / دقيقة في 1 ثانية، من 1.8 مل / دقيقة إلى -1.8 مل / دقيقة في 2 ثانية ومن -1.8 مل / دقيقة الى نقطة الصفر في 1 ثانية.

4. تدفق التجارب التصور: مايكرو الجسيمات صورة السرعة بواسطة (μPIV)

1. بينما يتم دفعتها الجهاز، للحصول على سلسلة من 9-12 مرحلة غير الساحلية، صور مزدوج الإطار من تدفق الجسيمات المصنف باستخدام الجسيمات الصغيرة صورة (μPIV) نظام السرعة بواسطة تتكون مثلا من الإطار المتعدد المزدوج التعرض لاتفاقية مكافحة التصحر كاميرا (على سبيل المثال، 1600 × 1200 بكسل لتحقيق حل كاف)، وضعف نابض بدون تاريخ، ان دي ليزر (الطول الموجي: 532 نانومتر، خرج الطاقة: 400 ميغا جول، مدة النبضة: 4 NSEC)، ومجهر مقلوب.
   ملاحظة: هذا النظام قادر على الحصول على إطار أزواج بفارق زمني من أسفل إلى بضعة ميكروثانية بين الإطارات الأول والثاني. لتحقيق إطار مزدوج الصور غير الساحلية المرحلة، فإنه من المفيد للحصول على إطار سلسلة مزدوجة في على سبيل المثال.، 10 هرتز (يتم فصل أزواج الإطار من جانب 0.1 ثانية عن بعضها البعض). ثم، يمكن إعادة تنظيم البيانات حتى يتسنى لجميع أزواج الإطار الذي يتم فصلها بواسطة وقت دورة كاملة (هنا T = 4 ثانية) تشكل سلسلة زمنية جديدة. الحصول على الصور وينبغي تكرار عدة مرات أثناء تعديل الفارق الزمني بين الإطارات الأول والثاني في كل زوج الإطار (أي، 100 μsec إلى 0.1 ثانية) لتسوية مناطق تدفق مختلفة داخل تجويف السنخي.
   ملاحظة: الاجهزة البديلة فيما يتعلق أفضل مزيج من أنظمة الحصول على الصور (. أي كاميرا) والإضاءة مصادر (أي ليزر) إلى صورة مثل هذهmicroflows تتوفر أيضا ^{34 و 35.}
2. استخدام خوارزمية مبلغ من الارتباط لحساب الخرائط سرعة ناقل مرحلة غير الساحلية في مجال تدفق الناتجة عن سلسلة صورة لكل تأخر الوقت المستخدم. كرر هذه العملية عدة مرات مع أوقات تأخر متفاوتة بين الإطارات الأول والثاني في كل زوج إطار لتسوية مناطق تدفق مختلفة داخل تجويف السنخي. بعد ذلك، استخدام برنامج تحليل البيانات لغرزة معا خرائط تدفق الفردية في خريطة كاملة ومفصلة عالية من أنماط التدفق عن طريق حساب متوسط ​​نقاط البيانات المتداخلة ^33.

وتعرض التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) والمجهر صور في المختبر منصة عنيبية في الشكل. 1، ويتميز نموذج عنيبية بيوميمتيك خمسة أجيال من المتفرعة قنوات مستطيلة واصطف مع تجاويف أسطواني يشبه السنخية (الشكل 1). هنا، يتم ترقيم أجيال نموذج من الجيل 1 (للجيل الأكثر الداني) إلى جيل 5 (للجيل الأكثر البعيدة). لاحظ أن فقط مدخل القناة مما يؤدي إلى توليد 1 مفتوح للبيئة الخارجية عن طريق فتحة في PDMS. يتم ترك القنوات 16 يقود بعيدا من جيل 5 مغلقة في الهواء (الشكل 1A). عن طريق تحوير دوري ضغط المياه داخل الغرف والجدران رقيقة تشكل التجاويف السنخية والقنوات ومشوهة بشكل دوري. وفي الوقت نفسه، مشوهة السقف الشعب الهوائية عموديا عن طريق دائرة مياه إضافية تقع فوق القنوات. لإنشاء هذه القاعة العليا فيبطريقة بسيطة دون إعداد طبقة ميكروفلويديك إضافية وقد غمرت المياه فوهة حقنة داخل PDMS قبل عبر ربط. وأدى ذلك إلى طبقة PDMS من حوالي 1 ملم فصل القنوات البولي وأعلى غرفة المياه (انظر الشكل 2).

يتم توصيل الدوائر المياه إلى ضخ حقنة مبرمجة لتكرار سلسلة من معدلات تدفق رفعت خطيا لتقليد الطبيعي أن السيناريو التنفس المد والجزر الثقيل شخص بالغ الإنسان العادي مع دورة الزمن 4 ثانية (T). هذا يؤدي إلى انخفاض الدوري وزيادة حجم مجرى الهواء. حيث يتم اغلاق المنافذ وإلا مدخل مفتوح على البيئة، ويتم استنشاق السائل داخل القنوات والزفير من الجهاز عن طريق مدخل، قياسا إلى عملية التنفس الطبيعية. هنا، امتلأت القنوات الهوائية مع حل الجلسرين المصنف مع جزيئات الفلورسنت (انظر البروتوكول) والجزئي صورة الجسيمات السرعة بواسطة (μPIV) كانت تستخدم لتعيين resulti الحقول تدفق نانوغرام عبر شجرة الهوائية ^33.

حجم تطبيع سرعة (ش _خ / ش _{خ، كحد أقصى)} في streamwise (أي، محوري) يظهر الاتجاه عبر عرض القنوات في الشكل. 3. يتم عرض نتائج في سرعة استنشاق الذروة لكل الأجيال جهاز 5، وتمثل إسقاط 2D من تدفق داخل لوح رقيق بالقرب من المستوى الناصف لاصق. وعلى سبيل المقارنة، يتم تقديم الحل التحليلي للتدفق الصفحي ثابتة للدولة لقناة طويلة بلا حدود ³⁶ كما في الشكل. 3.

4 يبين الشكل تبسيط أنماط وأحجام سرعة داخل تجاويف السنخية في المستوى الناصف في الشعب الهوائية في ذروة استنشاق هذه الأرقام 4A وباء وجيم تصور الأجيال عنيبية 1 و 3 و 5 على التوالي.

جوري 1 "SRC =" / ملفات / ftp_upload / 53588 / 53588fig1.jpg "/>

الشكل 1: نموذج ميكروفلويديك لشبكة شجرة عنيبية (أ) رسم CAD من جهاز كامل. (ب) لقطات عن قرب من بنية شجرة عنيبية تظهر القنوات، والدوائر، وجدران رقيقة تفصل بينها. الأرجواني السهام تشير إلى مواقع المناظرة و-directions ذ إيجابية من لمحات تدفق المعروضة في الشكل. 3. مقتبس بإذن من المرجع. 33.

الشكل 2: CAD تصميم جهاز ميكروفلويديك (أ) خطوط المكسور تشير الأنابيب المؤدية من الدوائر الجانبية والعلوية إلى ضخ حقنة عن طريق موصل على شكل حرف T. قطع (ب) الجانب من خلال مركز الجهاز توضح موقع الحقنة داخل يلقي PDMS. اdapted بإذن من المرجع. 33.

الشكل (3): عنيبية تدفق السرعات تطبيع الشخصية الأقنية سرعة (ش _خ / ش _{خ، كحد أقصى)} المستخرجة من التعريف الشخصي على طول عرض القناة لأجيال من 1 إلى 5 في المواقع هو موضح في الشكل. 1؛ ص = 0 يتزامن مع موقع نقطة الوسط عبر قناة وش _{س، الحد الأقصى} = 0.0104 متر / ثانية يتوافق هنا لسرعة ذروة streamwise قياس في جهاز توليد 1. القياسات التعريف الشخصي وتظهر هنا في ذروة استنشاق (ر = 0.6 ثانية) وخط أسود يتوافق مع التعريف سرعة التحليلي للزحف تدفق داخل قناة مستطيلة مع W _D = 345 ميكرون و<م> ح = 92 ميكرون. مقتبس بإذن من المرجع. 33.

الشكل 4: سرعة القيم وأنماط الموافق تبسيط. ويتم الحصول على البيانات من الصغير التعريف الشخصي لإسقاط تدفق المستخرج في المستوى الناصف من سنخ تقع في الأجيال جهاز ترد 1 و 3 و 5. حقول تدفق الذروة استنشاق في حوالي (ر = 0.6 ثانية). وتظهر المقادير سرعة على مقياس لوغاريتمي. مقتبس بإذن من المرجع. 33.

وهناك ميزة هامة من منصة عنيبية ميكروفلويديك المقدمة هنا هو قدرته على إعادة إنتاج حركات التنفس من الناحية الفسيولوجية واقعية التي تؤدي إلى ملامح تدفق الفسيولوجية والسرعات داخل القنوات عنيبية وداخل الحويصلات الهوائية. منذ يتم إنتاج قنوات ميكروفلويديك مع الجانب نسبة منخفضة نسبيا (أي.، ث _د / ح ≈ 3.9، حيث ث _d هو عرض القناة وح هو ارتفاع لاصق)، والتدفقات قياس تظهر المزيد من الخصائص تدفق مثل المكونات مقارنة ويتوقع لمحات تدفق مكافئ التي من شأنها أن توجد في قنوات دائرية. ومع ذلك، فإن السرعات تقاس بشكل جيد في نطاق الفسيولوجية. وتبين أن مميزة عدد رينولدز أبعاد، مقارنة بالقصور الذاتي لقوى اللزوجة، غلة أقصى ما يقرب من 0.01 المقابلة حتى منتصف لمناطق عنيبية البعيدة، في أعقاب تقديرات شبه التجريبية ^2.

لمحات تدفق قرب وداخل تجاويف السنخية (الشكل 4) تبين أن السرعات الأقنية آخذة في التناقص تدريجيا تجاه الأجيال عنيبية أعمق. وبالإضافة إلى ذلك، وانخفاض مقادير تدفق حاد على طول افتتاح الحويصلات الهوائية مما يؤدي إلى سرعات التدفق التي هي يومين إلى ثلاثة أوامر من حجم الحويصلات الهوائية أبطأ داخل بالمقارنة مع القنوات. تم الإبلاغ عن مثل هذه طبولوجيا تدفق سابقا في العديد من الدراسات العددية ^{1 و 9 و 15} وبالإضافة إلى ذلك، وأنماط تدفق تتغير بشكل كبير من جيل عنيبية واحد إلى آخر، كما هو متوقع في المحاكاة ^{7، 15:} بينما الجيل 1 يتميز منطقة التعميم الذي يتزامن تقريبا مع مركز سنخ (الشكل 4، يسار)، ويتميز الجيل 3 في منطقة التعميم الذي تحول نحو الجانب القريب منسنخ مع نمط تبسيط أكثر انفتاحا (الشكل 4، وسط). وأخيرا، لوحظ يبسط شعاعي مع أي منطقة إعادة تدوير في جيل جهاز 5 (الشكل 4، يمين). لأفضل لمعرفة المؤلفين، هذه هي المرة الأولى التي تقوم فيها وجود مجموعة واسعة من أنماط تدفق السنخية يتم التقاط تجريبيا.

نجاح الطريقة المعروضة يعتمد على عدد قليل من الخطوات الحاسمة في البروتوكول التصنيع الدقيق. أولا، لمنع PDMS جدران رقيقة من تمزق على الإفراج عن رقاقة سيد نمط محفورا على سطح الرقاقة يجب أن تكون جدران مستقيمة ويجب ألا تلتزم PDMS الشفاء. لذا فإنه ينصح بشدة لإنتاج رقائق باستخدام DRIE من أبناء العراق رقاقة كما هو موضح في Fishler وآخرون. (2013). هذا رقاقة الرئيسي هو دائم، ويمكن أن تكون مغلفة بسهولة مع طبقة مضادة للالتصاق إما عن طريق silanizing السطح كما هو موضح في Fishler وآخرون (2013) أو عن طريق ضمان رقبعة الخطوة الأخيرة في عملية DRIE هي أن من التخميل مع قوات التحالف _4. خطوة حاسمة أخرى والايداع (الخطوة 2.5) وتضمينها (خطوة 2.6) برميل حقنة لإنشاء غرفة العليا. فقاعات الهواء اشتعلت بين قاعدة حقنة وأول طبقة PDMS يمكن أن تقلل إلى حد كبير على سلامة ومتانة الجهاز المصنعة. لمنع تشكيل فقاعة، فمن الأهمية بمكان أن قاعدة برميل حقنة فارغة وتقدمت بشكل موحد.

في حين أن التصميم الحالي يسمح تلفيق من جهاز طبقتين يستخدم واحد فقط رقاقة الرئيسية، ويمكن أن تشمل طريقة تعديل خلق طبقة PDMS إضافية تحتوي على المسافة البادئة دائرية لتشكيل غرفة العليا. لهذه الطبقة PDMS الثانية على رقاقة سيد إضافي يضم سلسلة من التلال دائري يمكن أن تكون ملفقة باستخدام معيار SU-8 ضوئيه. ويمكن أن تشمل تعديلا إضافيا للبروتوكول طريقة مختلفة لPDMS الترابط الذي لا يتطلب المفاوض كورونا. التمسك القالب PDMS على الزجاجالشريحة، ومعطف أول شريحة زجاجية كما هو موضح في الخطوة 2.10 من البروتوكول ولكن استخدام 5: 1 بدلا من 10: 1 PDMS: نسبة الوزن علاج وكيل. خبز الزجاج المطلي لمدة 15 دقيقة عند 65 درجة مئوية في الفرن الحراري الطبيعي، اضغط على العفن PDMS إلى PDMS المغلفة الزجاج، وتخبز بين عشية وضحاها في 65 درجة مئوية في الفرن الحراري الطبيعي.

بمناسبة تسريب السائل من سطح الترابط بين PDMS العفن والزجاج يجوز اتخاذ التدابير التالية: (1) تأكد من أن المفاوض الهالة تنتج شرارات كهربائية أثناء فترة العلاج، إن لم يكن، وزيادة انتاج التيار الكهربائي، (2) إطالة علاج بعض الوقت مع المفاوض الاكليل و (3) استخدام طريقة بديلة لالترابط القالب PDMS على الزجاج (انظر الفقرة أعلاه). في كثير من الأحيان قد تسرب المياه من خلال ربط أنابيب تفلون رقيقة إلى مدخل الغرفة. للتحايل على هذا تسريب، تأكد من أن يتم استخدام 19 عيار حقنة حادة طرف لتوصيل أنابيب تفلون إلى المدخل. إذا تسرب المياه بين القالب PDMS والعشرينالبريد أعلى الغرفة (2 مل حقنة برميل) التأكد من أن قاعدة برميل حقنة ورفعت بشكل صحيح (راجع الخطوة 2.5 في البروتوكول)، وأن الطبقة الثانية من PDMS تم سكب عالية بما فيه الكفاية (~ 5 مم فوق طبقة PDMS الأولى ).

لاحظ أن مدى تشوه جدار يعتمد اعتمادا كبيرا على الخواص الميكانيكية PDMS. تغييرات طفيفة في إجراءات إعداد الأجهزة قد يؤدي إلى تفاوت كبير في السرعات قياس بين الأجهزة المختلفة. لضمان استخدام التكرار الظروف القصوى ثابتة إعداد (الرطوبة، وأحيانا الخبز الخ.). وبالإضافة إلى ذلك، ضبط التغيير الصوت أثناء يشتغل الجهاز قد يتحقق من خلال وضع تصور السطح العلوي للقنوات باستخدام المجهر مرحلة التباين وتعديل سلالم سرعة ضخ حقنة بحيث يتم نحيد السطح العلوي للقناة إلى المسافة المطلوبة مقاسا ض الحركة للمرحلة المجهر.

وlimita المهمنشوئها التقنية الحالية هو أن الخصائص المورفولوجية الدقيقة (على سبيل المثال، علم التشريح، القياس الشكلي) للرئتين لا يمكن أن تكون مستنسخة بدقة. في الواقع، وتصميم مستو من طراز عنيبية لا يشمل على سبيل المثال خارج الطائرة التشعبات عنيبية ونسبة السنخية لحجم الأقنية هي أقل بكثير من قياس في الجسم الحي القيم ^37. وبالإضافة إلى ذلك، هندسة الموائع الدقيقة مبسطة يلتقط سوى جزء صغير من عنيبة الكامل. وعلى الرغم من هذه القيود، والنموذج الحالي قادر على إنتاج أنماط تدفق المتوقعة والسرعات مباشرة في الحقيقية جداول طول التشريحية، وبالتالي يمثل منصة اختبار قيمة للظواهر النقل عنيبية.

وفي الختام، وتظهر نماذج الموائع الدقيقة واردة من عنيبة الرئوية وعدا كبيرا كأداة في المختبر لإجراء تحقيقات الكمية من عنيبية التنفسي تدفقات محاكاة أنماط التنفس. هنا، يتكون نموذج عنيبية بسيط من خمس زenerations توسيع والتعاقد القنوات البولي، وبالتالي إعادة إنتاج بعض من خصائص تدفق الأساسية الهامة المتوقعة في الوجود داخل المنطقة عنيبية من الرئتين. تدفق التصور، وذلك باستخدام الصغير التعريف الشخصي، داخل تجاويف السنخية تنص على الأدلة مرة الأولى التجريبي للمجموعة من إعادة تدوير معقد والتدفقات السنخية شعاعي على طول شجرة عنيبية. هذا النهج ميكروفلويديك يسمح تصنيع الهياكل عنيبية معقدة مع الجدران تتحرك بعد إجراء بسيط نسبيا، ويقدم بديلا جذابا لنماذج عنيبية توسيع نطاقها. على وجه الخصوص، مع الميزة الرئيسية لتقديم نموذج في نطاق واحد الى واحد، صحيح ديناميات استنشاق عنيبية الجسيمات يمكن التحقيق دون مزيد من الحاجة لمطابقة التشابه الديناميكي.

The authors have nothing to disclose.

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.