폐 선포 항공 호흡 Biomimetically의 미세 유체 모델

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.

폐 선포 깊이 호흡기 유동 특성을 정량화 어떻게 흡입 에어로졸 수송 약물 흡입 기술을 최적화뿐만 아니라 폐의 폐포 잠재적 독성 부유 입자의 침착 패턴을 예측 향해 중요한 영향을 미친다. 여기서, 소프트 리소그래피 기술은 광 액세스 시스템 생리 선포 유동 현상을 재현 진실 해부학 길이 규모에서 복잡한 형상 선포기도 구조를 제조하는데 사용된다. 미세 유체 장치는 주기적으로 신축 벽에 alveolated 덕트 용 분기의 5 세대를 갖추고 있습니다. 벽은 구동 측면과 상기 장치의 위에서 두 얇은 PDMS 선포 채널 벽을 둘러싸고있는 물이 채워진 챔버 내부의 압력을 변경함으로써 달성된다. 여러 PDMS 몰드의 적층이 필요 일반적인 다층 미세 유동 장치와 달리 간단한 방법 가기를 제조 제시PDMS의 금형에 주사기 배럴 부분을 포함하여 실. 이 소설 미세 유체 설치 차례로 특성 선포 공기 흐름을 야기 할 생리 학적 호흡 운동을 제공합니다. 현재 연구에서, 액체 현탁 입자와 미세 입자 화상 속도계 (μPIV)는 유체 유사도 매칭에 기초하여 공기 흐름을 정량화 하였다. μPIV 결과와 예상 선포 흐름 현상 사이의 좋은 계약은 미세 유체 플랫폼은 폐의 선포 지역에서 직접 공수 대표 입자 수송 및 증착을 조사하기 위해 체외 도구에서 매력적인으로 가까운 장래에 될 수 있음을 시사한다.

원심 호흡기 유동 역학의 상세한 정량화, 폐의 alveolated 영역은 폐 acinus에 공기 혼합을 이해하고 깊은기도 ^1-3 흡입 에어로졸의 운명을 예측으로 중요합니다. 국소 폐 위치 ^{(4, 5)뿐만} 아니라 대한 전신적 전달로 흡입 치료제의 개선 표적 약물 전달을위한 새로운 전략을 추구에 반대로 한편 흡입 오염 입자의 위험을 해결하거나 후자의 특징은 특히 관심이다.

지금까지 깊은 폐 선포 영역 호흡 흐름은 일반적으로 유체 유사성 정합 다음 전산 유체 역학 (CFD) 또는 대안 적으로 축소해서 실험 관내 모델을 사용 실리 조사되었다. 지난 몇 십 년간, CFD 방법은 점점 자장하게에서 선포 흐름 현상을 연구하기 위해 적용되었습니다전자 폐포 모델 ^{6, 7,} alveolated 덕트 ^8-12 개별 폐포 ^13-15의 수백 캡처 해부학 적 사실적인 선방 트리 alveolated 덕트의 여러 세대 구조와 최대 실리 모델에서 더 정교한.

함께 수치 노력이 선포 공기 흐름 패턴을 계속되는에 움직임을 호흡하는 동안 역할과 벽 운동의 영향에 빛을 흘리기에 중요한왔다. 호흡 운동 부재에서 정적 폐포 기능 재순환 선포 덕트와 폐포 ^{(6, 7)} 사이에는 공기의 대류 교환을 나타낼없는 그들의 공동 내에 흐른다 즉 폐포 흐름은 완전히 선포 나무 내에 유동으로부터 격리 될 공기의 교환은 확산 메커니즘에서 고유하게 발생할 것이다. 폐포 도메인의 순환 확장의 존재로, 그러나, 폐포 흐름 토폴로지 대폭 수정하고 resu된다폐포 내부 lting 흐름 패턴은 밀접하게 (예. 말초 세대 대, 근위) 선포 트리를 따라 폐포의 위치에 묶여있다.

특히, 유량 도관하는 폐포 흐름 패턴 강하게 폐포의 비율에 의해 영향을 시뮬레이션에 가설 갖도록이 비 트리 구조, 기능에 걸쳐 질량 보존 다음 비교적 큰 폐 선포 트리의 인접 세대 복잡한 순환은 돌이킬 수없는 유체 pathlines와 폐포 캐비티 내부에 흐른다. 각각의 깊은 선포 세대, 유관 유량에 폐포의 비율은 점차 말초 선포 세대 간단한 inflations와 풍선의 접힘 연상 더 레이디 얼 같은 유선을 전시하도록 감소한다. 현대 이미징 양식, 폐 영상 데이터 ^(16), 쥐와 마우스를 포함한 설치류, ^17, 진보와 함께 첫 번째 CFD의 SIMUL의 일부에 상승을 준재구성 된 폐포의 해부학 - 재구성 선포 흐름의 관리 포인트. 이러한 유망한 진전에도 불구하고, 이러한 최근의 연구는 계속 단말 폐포 주머니 만 ^{(18, 19)} 또는 단일 덕트 ^(20)를 둘러싸는 몇 폐포 기류 현상 어드레스로 제한된다. 그 결과, acinus 호흡 유동 현상의 최첨단 연구가 선포 환경 ^2의 일반적인 해부학에서 영감을 형상에 초점을 맞춘 연구에 의해 지배 상태로 유지됩니다.

실험적인 측면에서 하나 또는 여러 개의 폐포와기도를 갖춘 다양한 설정은 년 ^{21 ~ 24에} 걸쳐 개발되었다. 그러나, 호흡과 같은 방식으로 신축에 의해 생리 호흡을 모방 할 수있는 alveolated기도 용 분기의 더 실험 모델이 존재하지 않는다. 손 매력적인 실험 플랫폼의 부족을 감안할 때, 선포 수송 현상의 연구는 valida 관련하여 제한 남아팅 계산 연구와 비판적 가능한 실험 데이터의 부족이 남아있다. . 최근, 마 등 (2009) 세 선방 세대 이루어진 acinus의 스케일링 업 강성 벽 모델을 구축했다; 그러나,이 모델의 벽 운동 부족 호흡 조건 현실적인 폐포 흐름 패턴을 캡처하기 위해 능력을 제한했다.

최근 ²⁵ 도입 캐스트 복제본 해부학 적 데이터에 기초하여 이동 벽을 포함하는 다른 모델 스케일링해서 실험; 모델이 마지막 두 선포 세대 (예., 단말 주머니)를 포착 때문에, 그것은 더 근위 선포 세대 특징 복소 재순환 흐름을 포착하지 못했다. 스케일 업 실험 후자의 예로는 상기와 같은 방식으로 진행 제한 밑줄. 특히, 기존의 실험은 지금까지 따라 방사상하는 재순환에서 가정의 전환을 흐름을 보여 없다acinus하여 가장 비판적으로 아마. 실제 폐 선포 나무 ^{(7), (15)에} 존재하는 가정 흐름 토폴로지의 수치 예측을 확인, 스케일 업 실험은 매우 인해 모든 관련 비 일치에 어려움 입자 수송 및 증착 역학 ^(26)를 흡입 조사에서 제한된다 차원 변수 (예., 확산 입자, 서브 마이크론 입자 임계 전송 메커니즘은 완전히 무시된다).

지속적인 실험 문제, 복잡한 이동 벽에 공기 흐름 및 입자 역학 호흡의 조사를 허용하는 새로운 실험 플랫폼으로 선포 네트워크를 돕고 있습니다. 여기에, 체외 선포 모델에서 해부학 - 영감을 소개한다. 이 미세 유체 플랫폼을 모방 폐 선포는 대표 선포 규모에 직접 흐르고, 기관지 액체 플러그인 플로를 포함하는 폐 미세 유체 모델 ^(27)의 성장 범위를 넓혀WS ^28-30와 폐포 - 모세 혈관 장벽 ^(31).

즉, 본 설계는 주기적으로 팽창 및 고리 운동 씬 PDMS 측벽을 둘러싸는 상부 벽이 추가로 물에 의해 변형된다 수조 내부의 제어 압력에 의해 달성된다 벽을 수축으로 단순화 다섯 생성 alveolated기도 트리 마련되어 챔버는 선포 구조 바로 위에 앉아. 일반적인 다층 미세 유동 장치와 달리,이 챔버는 단순히 PDMS 장치 안에 주사기의 배럴 부분을 매립하여 형성하고, 추가로 PDMS 몰드의 제조를 필요로하지 않는다.

여기에 제시된 방법은 소형화 선포 유동 환경의 기본 특성을 캡처하는 동안 스케일 업 모델에 비해 벽 움직이는 선포 복잡한 구조를 재생하기위한 간단하고 다양한 수단을 제공한다. 이 플랫폼은 FLO 사용될 수있다시각화 승기도 (아래 대표 결과를 참조) 내부의 유체 부유 입자를 사용하여. 가까운 미래에, 모델은 흡입 선포 입자 동력학 연구를위한 부유 입자가 사용된다.

1. 마스터 제작

1. 전 작품 ^{(32, 33)에} 기재된 마스터 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위해 절연체 (SOI) 웨이퍼상의 실리콘 딥 반응성 이온 에칭 (DRIE)를 사용한다.
   주 : DRIE 인해 고 종횡비 피쳐 (40 ㎛ 폭, 90 ㎛의 깊이의 트렌치)을 표준 SU-8 마이크로 것이 바람직하다.

2. 주조 미세 유동 장치의 씰링

1. 이러한 플라스틱 칭량 접시로 깨끗한 작은 용기 안에 1 중량 비율 : 10에서 PDMS와 경화제를 혼합한다.
2. 모든 기포가 제거 될 때까지 진공 데시 케이 터에서 혼합물을 탈기.
   주 : 이후의 모든 단계에 대한 충분한 PDMS를 준비합니다. 1 PDMS : 경화 에이전트 혼합물 단계 2.1 및 2.2에서 제조 한 다음 아래의 약어 "PDMS는"탈기 (10)에 항상 의미한다.
3. 마스터 웨이퍼 위 대략 1 mm의 높이로 탈기 - 혼합물을 붓는다. 드가 다시 한번위한 최소40 분은 웨이퍼 위의 모든 기포를 제거하고 웨이퍼 아래에서 기포를 최소화한다.
   참고 : 웨이퍼 플레이트의 바닥에 최대한 가까이 있는지 확인합니다. 웨이퍼 부드럽게 다시 한 번 2 교반 스틱 및 가스 제거를 사용하여 바닥에 필요한 누르면.
4. 자연 대류 오븐에서 20 분 동안 65 ° C에서 굽는다.
   참고 : 20 분 후, PDMS 경화 거의 완전히 경화시킨다. 20 분의 시간을 저장하고 상기 제 PDMS 층의 밀착성을 향상하기위한 긴 시간 소성 가능한 소성이지만 첫 번째 (아래 참조).
5. PDMS에 접착 성을 향상시키기 위해 미세 그릿 사포를 사용하여 플라스틱 2ml의 주사기 배럴 섹션 파일. 또한, 평평한 표면에 사포를 놓고 그 위에 주사기 배럴의 바닥으로 밀어 시린지 외통의베이스 평탄화 할 사포를 사용한다. 압축 공기를 사용하여 주사기를 청소합니다.
6. 라와 제 PDMS 층 위에 주사기 배럴 부 배치RGE 상기 PDMS 표면을 향하는 개구 및 ~ 5mm의 높이 첫번째 위에 PDMS의 2 층을 부어 건조기로 다시 PDMS를 탈기.
   참고 : 두 번째 PDMS 층 배럴 주변의 작은 용기에서 부되어야하고, 그 안에 입력하지 않아야합니다.
7. 자연 대류 오븐에서 적어도 2 시간 동안 65 ° C에서 전체 셋업을 굽는다.
   주 : 배럴의 넓은 기재에 대해 압박 PDMS의 가중치가 고정 통 보유 이후 경화 공정 중에 발생에 배럴을 길게 할 필요가 없다.
8. 메스를 사용하여 마스터 웨이퍼의 패턴 화 된 영역 주위의 PDMS 몰드의 실수. 절단하는 동안, 메스 약하게 웨이퍼의 표면을 만지지해야합니다. 그런 다음, 부드럽게 같은 메스에 의해 생성 된 노치에서 웨이퍼 집게로 얇은 도구를 삽입하고 마스터 웨이퍼에서 캐스팅 PDMS를 벗겨.
9. 패터닝 측과 알루미늄 호일로 덮여 부드러운 표면에 캐스팅 배치위로 향하게하여 (즉. 배럴 테이블의 에지에서 정지한다)과, 1mm 생검 펀치를 사용하여 상기 챔버 입구 채널 유입구에서 PDMS 구멍 펀치.
10. 코트 A (탈기) (10)와 깨끗한 유리 슬라이드 : 1 PDMS : 경화 에이전트 30 초 동안 3,000 rpm에서 프로그램 스핀 코터를 이용하여 혼합물을 65 ℃에서> 1 시간 동안 굽는다. 그런 다음 슬라이드를 청소하고 PDMS는 명확 테이프를 사용하여 캐스팅.
11. O ₂ 플라즈마로 PDMS 몰드와 PDMS 코팅 유리 슬라이드의 표면을 처리 (예를 들어, 핸드 헬드 코로나 treater 사용) 1 분 동안, 그리고 부드럽게 함께 표면을 누르면, 65 ° C 밤새 (O / N)에서 구워 .

3. 장치 충전 및 개폐

1. (w / w) 0.25 % 입자와 64/36 (v / v)의 글리세린 / 물 혼합물을 획득하기 위해 유리 병에 물, 글리세롤과 물 현탁 형광 폴리스티렌 입자를 혼합 ..
2. 채널 입구 위에 글리세롤 용액의 드롭 및 DI 와트 방울을 배치어 챔버 입구에, 다음 ~ 5 분 동안 건조기, 진공 내부의 장치를 배치합니다.
   참고 : 팝 글리세롤 용액 및 탈 이온수의 방울에 형성하는 거품의 진공 대기를 해제하기 전에. 파괴되면 액체가 장치 내부의 빈 공간에 흡입된다. 잔류 공기가 채널 내부에 남아있는 경우 (주사기를 사용하여, 예를 들면.) 유체에 외부 압력을인가하고 공기는 PDMS로 확산 할 수있게하여 제거한다.
3. 상부 챔버로 DI 워터 ~ 2 mL의 주입 (즉, 주사기 배럴도. 2B)이를 물로 완전히 채워질 때까지. 그 후, 19 게이지 무딘 주사기 팁 상단 챔버를 포함 다른 무딘 19 게이지 주사기 팁의 끝을 잘라 사이드 실 입구에이 팁을 삽입합니다. 얇은 테프론 튜브와 T 자형 커넥터를 통해 1 ML의 주사기에 두 주사기의 끝을 연결합니다.
   참고 : 확인하는 1 ML의 주사기, 테프론 튜브, T 형 커넥터와 상부 챔버 (2 ML의 주사기의 바엘은) 모든 거품없이 물이 가득합니다. 이는, 연결 지점을 개방 튜브의 빈 부분을 통해 물을 밀어 접속점 재 연결에 의해 달성 될 수있다.
4. 주사기 펌프에 한 ML의 주사기를 연결에서, 1 초에 제로 1.8 ml / 분에서, 즉 선형 램프,의 건설 (T의 기간 = 4 초에) 예를 들어 조용한 갯벌 호흡주기를 모방하기 위해 프로그램 된 사전 1.8 ml / 분 -1.8에 ml / 분 2 초와 -1.8 ml의에서 / 다시 제로로 1 초에 분.

4. 경로 시각화 실험 : 마이크로 입자 영상 유속계 (μPIV)

1. 입자 시드 흐름 12 위상 동기 더블 프레임 화상 듀얼 프레임 다중 노출 CCD의 예 이루어진 미세 입자 화상 속도계 (μPIV) 시스템을 이용하여 - 장치가 작동되는 동안,도 9의 시리즈를 얻기 카메라 (더블 펄스 ND-YAG 레이저 (예., 1600 × 1200 픽셀에 충분한 해상도를 달성하기 위해)파장 532 nm의 출력 에너지 : 400 mJ의 펄스 지속 시간 : 4 NSEC), 그리고 거꾸로 현미경.
   주 : 이러한 시스템 아래로 제 1 및 제 2 프레임 사이에 몇 마이크로의 타임 래그 프레임 쌍을 얻을 수있다. 위상 동기 두 프레임의 이미지를 달성하기 위해서는 예에서 더블 프레임 계열을 취득하는 것이 유용하다. 10 Hz로는 (프레임 쌍이 서로로부터 0.1 초만큼 분리된다). 전체 사이클 시간 (여기에서는 T = 4 초)에 의해 분리 된 모든 프레임 쌍 새로운 시계열을 이루도록 그 후, 데이터가 재구성 될 수있다. 각각의 프레임 쌍의 제 1 및 제 2 프레임 사이의 지연 시간을 변경하면서 영상 획득이 수회 반복되어야한다 (예. 100 마이크로 초 초 내지 0.1)를 치조골 캐비티 내부의 다른 흐름 영역을 해결하기 위해.
   참고 : 이미지 수집 시스템의 최적의 조합에 관해서 다른 설정을 (. 즉, 카메라) 이미지 등 및 조명 소스 (즉, 레이저)마이크로 ^{플로우도 (35) (34)을} 사용할 수 있습니다.
2. 사용되는 각각의 시간 지연에 대한 이미지 시리즈에서 얻어진 유동장 위상 동기 속도 벡터 맵을 계산하기 위해 합계의 상관 알고리즘을 사용한다. 폐포 캐비티 내부에 다른 흐름 영역들을 해결하기위한 각 프레임 쌍의 제 1 및 제 2 프레임 사이의 지연 시간을 변경하여이 과정을 여러 번 반복. 다음으로, 오버랩 된 데이터 포인트 ^(33)를 함께 평균함으로써 흐름 패턴의 완전한 높은 상세한지도로 개별 흐름지도 스티치 데이터 분석 프로그램을 사용한다.

체외 선포 플랫폼의 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 및 현미경 사진도 제시된다. 1. 생체 모방 선포 모델은 폐포와 같은 원통형 공동 늘어서 직사각형 채널을 (그림. 1) 분기의 다섯 세대를 갖추고 있습니다. 여기에, 모델 세대는 세대 5 세대 (1)에서 (가장 인접 세대) 번호가 (가장 말단 세대). 1 세대로 이어지는 전용 채널 입구는 PDMS의 개구부에 의해 외부 환경에 열려 있습니다. 5 세대에서 멀리 선도 (16) 덕트는 공기 (그림. 1A)를 폐쇄 남아 있습니다. 정기적으로 챔버 내 수압을 조절함으로써, 폐포와 공동 관을 구성하는 얇은 벽은 주기적으로 변형된다. 동시에,기도의 천정 덕트 위에있는 추가적인 수조에 의해 수직으로 변형되고; A의이 상부 챔버를 만들려면주사기의 배럴 가교 전에 PDMS 내부에 침수 된 추가 미세 유체 층의 준비없이 간단한 방법. 이것은 alveolated 덕트 상단 수조를 분리하기 약 1mm의 PDMS 층의 결과 (도. (2) 참조).

물 챔버는 4 초 사이클 시간 (T)과 평균 인간 성인 많이 조력 호흡 시나리오의 법선을 모방 선형 경 유량 일련의 반복하도록 프로그램 주사기 펌프에 연결된다. 이는주기적인 감소와기도 부피의 증가를 초래; 출구 밀봉 만 입구 환경에 개방되기 때문에, 덕트의 내부의 유체를 흡입 및 자연 호흡 과정과 유사하게, 유입구를 통해 장치에서 호기. 여기서,기도 덕트 형광 물질 (프로토콜 참조), 마이크로 입자 화상 속도계 (μPIV) 시드 글리세롤 용액으로 충전 된 resulti을 매핑하는 데 사용 기도 트리 ^(33)에서 NG 유동장.

유선 방향의 정규화 속도 크기 _{(U, X} / U의 _{X, 최대)} (예., 축 방향)에 채널의 폭을 가로 지르는 방향도 나타낸다. (3). 결과는 5 디바이스 세대마다 피크 흡입 속도에서 제시 한 덕트 플레인 근처 얇은 슬래브 내의 흐름 2D 투영을 표현한다. 비교를 위해, 무한 길이의 채널 ^(36)에 대한 정상 상태 층류의 해석 솔루션은도에 나타나있다. 3.

그림 4는. 최대 흡입시기도의 미드 플레인에 B도 4a를, 폐포 공동 내에서 패턴과 속도의 크기를 간소화하고 선포 세대를 각각 1, 3, 5, 묘사 하였다.

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그림 1 : 선포 트리 네트워크의 미세 유체 모델 전체 장치의 (a)는 CAD 도면.. (b)는 선포 트리 구조의 확대 스냅 샷은 채널, 챔버, 그들을 분리하는 얇은 벽을 표시합니다. 퍼플 화살표도에 나타난 플로우 정보의 대응하는 위치와 양의 Y -directions를 나타낸다. 3. 심판의 허가를 적응. 33.

그림 2. 미세 유동 장치의 CAD 설계는 (a)의 점선은 T 자형 커넥터를 통해 시린지 펌프 측면 및 상부 챔버에서 이어지는 튜브를 나타낸다. (b) 측을 PDMS 캐스트 내에 주사기의 위치를​​ 나타내는 장치의 중심을 잘라. 에이심판의 허가를 dapted. 33.

도 3 : 선방 흐름 속도도에 도시 된 위치에서 1 내지 5 세대에 대한 채널의 폭을 따라 PIV로부터 추출 정규화 도관 속도 프로파일 _{(U, X} / U의 _{X, 최대).. 1;, 최대} y는 채널을 통해 중간 위치에 0 일치를 = 및 u는 _X = 0.0104 m / sec의 장치 생성 1. PIV 측정에서 측정 된 최대 유선 속도에 여기에 해당하는 피크 흡입에 여기에 표시됩니다 (t = 0.6 초) 그리고 검은 선은 W _D = 345 μm의와 함께 직사각형 채널 내부 흐름을 들어온다에 대한 분석 속도 프로파일에 해당하는 시간 = 92 μm의. 심판의 허가를 적응. 33.

그림 4 : 속도들의 등급과 해당 합리화 패턴. 데이터 1, 3, 5 유동장을 나타낸다 디바이스 세대에 위치한 폐포의 중간면에서 추출 된 흐름의 투영 대략 피크 흡입 (t = 0.6 초)에 대한 마이크로 PIV로부터 얻어진다. 속도의 크기는 로그 스케일에 표시됩니다. 심판의 허가를 적응. 33.

여기에 제시된 미세 유체 선포 플랫폼의 중요한 기능은 선포 덕트 내에서 폐포 내에서 생리적 흐름 프로파일과 속도로 야기 생리 학적 사실적인 호흡 동작을 재현하는 기능입니다. 미세 유체 채널이 비교적 낮은 종횡비로 제작되어 있기 때문에 (즉., _D / H ≈ 3.9, w _(D)가 덕트의 폭이고, H는 덕트 높이 W), 측정 된 흐름과 비교하여보다 플러그 형 유동 특성을 보여 원형 채널에 존재하는 것입니다 예상 포물선 흐름 프로필. 그럼에도 불구하고, 측정 속도는 생리 학적 범위 내에서 잘이고; 이를 특성 차원 레이놀즈 수는 점성력에 관성을 비교 약 0.01 반 경험적 ^추정이 다음 원심 소엽 지역, 중간에 대응하는 최대 얻을 수있는 것을 알 수있다.

(그림. 4) 근처 및 폐포 캐비티 내의 흐름 프로파일은 유관 속도가 점차 깊은 선포 세대를 향해 감소하고 있음을 보여준다. 또한, 유동 크기는 덕트 크기에 비해 느린 내부 폐포 2-3 명령이다 유속의 결과로 폐포의 개구부를 따라 급격히 떨어; 이러한 플로우 토폴로지는 이전 여러 수치 연구 ^{1, 9, 15에보고되었다} 시뮬레이션 ^7에서 예측 첨가량에서 흐름 ^패턴은 하나의 선포 세대간에 크게 변화 ^15. 1 세대가 대략 일치 재순환 영역을 특징으로하면서 폐포의 중심은 (그림. 4, 왼쪽), 생성 (3)의 전방 측을 향해 이동하는 재순환 영역이 특징입니다보다 개방 유선형 패턴 (그림. 4, 가운데)와 폐포. 마지막으로, 아니 재순환 영역으로 반경 유선 장치 생성 5 (그림. 4, 오른쪽)에서 관찰된다. 저자가 아는 한, 폐포 흐름 패턴의 광범위한 존재 실험적 포착 것은 처음이다.

제시된 방법의 성공은 미세 프로토콜의 몇 가지 중요한 단계에 따라 달라집니다. 우선, 마스터 웨이퍼로부터 분리시 직선 벽 있어야 웨이퍼의 표면 상에 에칭 된 패턴을 찢어 얇은 PDMS 벽을 방지하고 경화 PDMS 부착 안된다. 그러므로 제품 Fishler 등의 설명에 따라 SOI 웨이퍼의 DRIE를 이용하여 웨이퍼를 제조 할 것을 권장한다. (2013). 이러한 마스터 웨이퍼 튼튼하고 쉽게 Fishler 외에 기재된 표면 silanizing 하나가 안티 점착 층으로 코팅 될 수있다. (2013) 또는 t 확보하여모자 DRIE 프로세스의 마지막 단계는 CF ₄ 패시베이션이다. 다른 중요한 단계 (단계 2.5)를 접수하고 상부 챔버를 작성하는 (단계 260), 주사기 배럴을 포함한다. 공기 주사기베이스와 크게 제조 장치의 무결성 및 내구성을 감소시킬 수있는 제 PDMS 층 사이에 끼 거품. 기포 형성을 방지하기 위해, 상기 주입기 배럴의 바닥이 평평하고 균일 제출하는 것이 중요하다.

현재의 설계는 2 층의 제조 장치는 하나의 마스터 웨이퍼를 이용 수 있지만, 변성 방법이 상부 챔버를 형성하도록 원형 압흔을 포함하는 추가 PDMS 층을 생성 포함 할 수있다. 이러한 제 PDMS 층 원형 릿지를 갖춘 별도의 마스터 웨이퍼 표준 SU-8, 포토 리소그래피를 사용하여 제조 될 수있다. 이 프로토콜의 부가적인 변형은 코로나 treater을 필요로하지 않는 PDMS 본딩하는 다른 방법을 포함 할 수있다. 유리에 PDMS 몰드를 부착하려면슬라이드, 첫 번째 코트 5 의정서의 단계 2.10에 기재된 사용으로 유리 슬라이드 : 1 PDMS : 대신 10의 1 경화 에이전트 중량비. 자연 대류 오븐에서 65 ° C에서 15 분 동안 코팅 유리 빵을, 유리 코팅 된 PDMS에 PDMS 금형을 누르면, 자연 대류 오븐에서 65 ° C에서 하룻밤 굽는다.

PDMS 몰드와 다음의 조치가 취해질 수 유리의 접합면에서 누출되는 액체에 즈음 : 출력 전압이 증가하지 않는 경우 (1), 코로나 treater은 치료 기간 동안 전기 스파크 생산되었는지 확인 (2) 코로나 treater 유리에 PDMS 몰드를 결합 (3)를 사용하여 다른 방법으로 처리 시간을 연장 (위의 항 참조). 종종 물은 챔버 입구에 얇은 테프론 호스의 연결을 통해 누수 될 수 있습니다. 이러한 누출을 회피하기 위해, 19 게이지 무딘 주사기 팁이 입구에 테프론 튜브를 연결하는 데 사용되어 있는지 확인합니다. 만약 PDMS 금형 및 일 사이에 누수전자 상부 챔버 (2 ML의 주사기 배럴) 주사기 배럴의 기초가 제대로 (프로토콜의 단계 2.5 참조)에 제출되었는지 확인하고, PDMS의 두 번째 층은 충분 붓고 것을 (~ 제 PDMS 층 위에 5mm ).

벽 변형의 정도가 PDMS 기계적 특성에 크게 의존합니다. 장치의 제조 과정에서 약간의 변화는 상이한 장치들 사이의 측정 된 속도에 상당한 변동을 초래할 수있다. 최대 반복 사용 일정 준비 상태 확인하기 (습도, 베이킹 시간 등.). 또한, 소자 구동시의 체적 변화의 미세 조정은 채널의 상부면이 소정의 거리로 편향되도록, 위상차 현미경을 사용하여 채널의 상부면 시각화 및 주사기 펌프의 속도 램프를 조정함으로써 달성 될 수있다 현미경 스테이지의 Z 축 운동에 의해 측정.

중요한 limita현재 기술의 기 폐의 정확한 형태 학적 특성 (예를 들면, 해부학, 형태 계측)을 정확하게 재현 할 수 없다는 것이다. 선포 분기점 및 도관 볼륨 폐포의 비율이 ^{37 값} 생체 내에서 측정 한 것보다 훨씬 낮은 면외 실제로 선포 모델의 평면 디자인은 예를 들면 포착하지 않는다. 또한, 단순화 된 미세 구조는 전체 acinus의 작은 부분을 캡처한다. 이러한 제한에도 불구하고, 본 모델은 직접 실제 해부학 길이 스케일에서 예상 유동 속도 패턴을 재현 할 수 있으며, 따라서 선포 이동 현상에 대한 유용한 테스트 플랫폼을 나타낸다.

폐 acinus의 기능을 갖춘 마이크로 유체 모델은 호흡 패턴을 흉내 낸 흐름 호흡 선포의 양적 조사에 대한 시험 관내 도구로 큰 약속을 보여 결론을합니다. 여기서, 간단한 선포 모델 오g 이루어져확장하고 alveolated 덕트 계약, 따라서 예상되는 중요한 기본 유동 특성의 일부를 재생 enerations은 폐의 선포 영역 내에 존재한다. 폐포 공동 복잡한 재순환 및 선포 트리 따라 반경 폐포 플로우의 범위를 처음 실험적 증거를 제공 내에 마이크로 PIV를 사용하여 시각화 흐른다. 이 마이크로 유체 접근 방식은 비교적 간단한 절차에 따라 움직이는 벽 복잡한 선포 구조의 제작이 가능하고 확장 업 선포 모델에 매력적인 대안을 제공합니다. 특히 일대일 규모 모델을 제공하는 주요 이점 진정한 흡입 선포 입자 역학 동적 유사도 매칭 추가없이 조사 할 수있다.

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.