Un modèle microfluidique de Biomimetically respiration pulmonaire acineuse 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
Quantifier caractéristiques d'écoulement des voies respiratoires dans les profondeurs acineuses pulmonaires et leur influence sur le transport des aérosols inhalés est essentielle à l'optimisation des techniques drogues par inhalation, ainsi que la prédiction des modèles de dépôt des particules en suspension potentiellement toxiques dans les alvéoles pulmonaires. Ici, les techniques soft-lithographie sont utilisées pour fabriquer des structures des voies respiratoires complexes acineuses-like à la longueur des échelles anatomiques véridiques qui reproduisent les phénomènes d'écoulement acineuses physiologiques dans un système optique accessible. Le dispositif microfluidique dispose de 5 générations de bifurquant conduits alvéolaires avec expansion périodiquement et parois contractantes. l'actionnement de paroi est réalisée en modifiant la pression à l'intérieur des chambres remplies d'eau entourant les minces PDMS canal acineuses parois à la fois sur les côtés et le dessus de l'appareil. Contrairement aux dispositifs microfluidiques multicouches communes, où l'empilement de plusieurs PDMS moules est nécessaire, une méthode simple est présentée pour fabriquer la partie supérieurechambre en intégrant la section de canon d'une seringue dans le moule PDMS. Cette configuration microfluidique roman offre des mouvements de respiration physiologiques qui à leur tour donnent lieu à acineuses air-flux caractéristiques. Dans l'étude actuelle, micro particules d'image vélocimétrie (μPIV) avec des particules liquides en suspension a été utilisée pour quantifier tels flux d'air sur la base hydrodynamique similitude correspondant. Le bon accord entre les résultats μPIV et les phénomènes d'écoulement acineuses attendus suggèrent que la plate – forme microfluidique peut servir dans un proche avenir comme attrayant outil vitro pour étudier le transport des particules représentant directement dans l' air et le dépôt dans les régions acineuses des poumons.
Introduction
Une quantification détaillée de la dynamique des flux respiratoires dans la partie distale, les régions alvéolaires des poumons est primordiale dans la compréhension de flux d' air dans le mélange acinus pulmonaire et prédire le sort des aérosols inhalés dans le plus profond des voies respiratoires 1-3. Ce dernier aspect est particulièrement préoccupant lorsque traiter d'une part les risques de particules de polluants inhalés ou inversement dans la recherche de nouvelles stratégies pour améliorer et ciblée délivrance de médicaments thérapeutiques inhalés à des sites localisés du poumon 4, 5, ainsi que pour l' administration systémique.
À ce jour, les flux respiratoires dans les régions acineuses pulmonaires profondes ont été généralement étudiés in silico en utilisant la dynamique des fluides computationnelle (CFD) ou alternativement in vitro avec des modèles expérimentaux échelle-up suivants hydrodynamique similitude correspondant. Au cours des dernières décennies, les méthodes CFD ont été de plus en plus appliquée pour étudier les phénomènes d'écoulement acineuses, de single modèles alvéolaires 6, 7 et alvéolaires conduits 8-12 au plus élaboré dans les modèles silico qui capturent anatomiquement réalistes structures d'arbres acineuses avec plusieurs générations de conduits alvéolaires et jusqu'à plusieurs centaines de alvéolaires individuels 13-15.
Ensemble, les efforts numériques ont joué un rôle essentiel à faire la lumière sur le rôle et l'influence du mouvement de la paroi lors de la respiration des mouvements sur les motifs qui a suivi acineuses de flux d'air. En l'absence de mouvement respiratoire, statique alvéole fonction recirculation circule dans leurs cavités qui présentent aucun échange d'air entre le conduit acineuses et l'alvéole 6, 7 convective; en d'autres termes, les flux alvéolaires seraient entièrement isolés des flux dans les arbres acineuses et l'échange d'air se traduirait uniquement à partir des mécanismes de diffusion. Avec l'existence d'extensions cycliques du domaine alvéolaire, cependant, les topologies de flux alvéolaires sont considérablement modifiés et le resulting modèles d'écoulement à l' intérieur des alvéoles sont intimement liés à l'emplacement d'un alvéole le long de l'arbre acineuse (par ex., proximale par rapport à des générations distales).
En particulier, il a été émis l'hypothèse dans les simulations que les modèles de flux alvéolaires sont fortement influencés par le rapport alvéolaire canalaire des débits tels que les générations proximales de l'arbre acineuses pulmonaire, où ce ratio est relativement importante suivant la conservation de masse à travers une structure arborescente, fonction recirculation complexe circule à l'intérieur des cavités alvéolaires avec pathlines fluides irréversibles. Avec chaque génération acineuses plus profond, le rapport alvéolaire des débits canalaires diminue progressivement de sorte que les générations acineuses distales présentent des lignes de courant radiales comme qui rappellent inflations simples et dégonflage d'un ballon. Avec les progrès dans les modalités modernes d'imagerie, les données d'imagerie du poumon 16, 17 des rongeurs, y compris le rat et la souris, ont donné lieu à une partie de la première simul CFDations des flux acineuses anatomiquement reconstruits dans les alvéoles reconstruites. En dépit de ces progrès prometteurs, ces études récentes sont encore limitées pour traiter les phénomènes d'écoulement d'air dans des sacs alvéolaires terminaux seulement 18, 19 ou quelques alvéoles entourant un seul conduit 20. En conséquence, les enquêtes sur les phénomènes d'écoulement respiratoires dans les acinus state-of-the-art restent dominées par des études portant sur des géométries génériques anatomiquement inspirées de l'environnement acineuses 2.
Du côté expérimental, diverses configurations comportant une voie aérienne avec un ou plusieurs alvéoles ont été développés au cours des années 21-24. Pourtant, il existe pas de modèles expérimentaux de bifurquant voies respiratoires alvéolaires qui sont capables de mimer la respiration physiologique par dilatation et de contraction de façon respiratoire-like. Compte tenu de l'absence de plates-formes expérimentales attrayantes à portée de main, l'étude des phénomènes de transport acineuses reste limitée en ce qui concerne validating Etudes de calcul et critique, il reste un manque de données expérimentales disponibles. . Au cours des dernières années, Ma et al (2009) ont construit un modèle à parois rigides à échelle d'un acinus composé de trois générations acineuses; Cependant, le manque de mouvement de la paroi dans ce modèle limité sa capacité à capturer des modèles de flux alvéolaires réalistes dans des conditions de respiration.
D' autres expériences échelle-up , y compris un modèle de paroi mobile basée sur des données anatomiques de fonte réplique ont été récemment mis en place 25; cependant, puisque le modèle ne capturé les deux dernières générations acineuses (ie., les sacs terminaux), il n'a pas réussi à capter les flux de recirculation complexes qui caractérisent les générations acineuses plus proximales. Ces derniers exemples d'expériences à échelle jusqu'à soulignent en outre les limitations en cours avec de telles approches. Plus précisément, aucune expérience existante a ainsi mis en évidence la transition loin émis l'hypothèse de remise en circulation des flux radiaux le long del'acinus et ainsi confirmer les prédictions numériques de topologies de flux hypothétiques d'exister dans de vrais arbres acineuses pulmonaires 7, 15. Peut-être plus important encore , des expériences à échelle-up sont extrêmement limitées dans les enquêtes par inhalation des particules de transport et de dépôt dynamique 26 en raison de difficultés à faire correspondre tous les non pertinents les paramètres de dimension (par ex., la diffusion des particules, un mécanisme de transport critique pour les particules submicroniques, est complètement négligé).
Avec des défis expérimentaux en cours, de nouvelles plates-formes expérimentales qui permettent des enquêtes sur des voies respiratoires des flux d'air et la dynamique des particules dans les murs mobiles complexes réseaux acineuses sont recherchés. Ici, anatomiquement inspiration dans le modèle acineuses vitro est introduit. Cette acineuses pulmonaire imite la plate – forme microfluidique coule directement à l'échelle du acineuses représentant, et élargit la gamme croissante de modèles microfluidiques pulmonaires 27, y compris le liquide bronchique plug-flows 28-30 et la barrière alvéolo-capillaire 31.
A savoir, les caractéristiques de la conception actuelle de cinq générations alvéolée arbre des voies aériennes simplifiée cycliquement en expansion et les murs, où les mouvements cycliques sont atteints par la pression de contrôle à l'intérieur d'une chambre d'eau qui entoure les PDMS minces parois latérales et où la paroi supérieure est déformée par une eau supplémentaire contractante chambre assis directement au-dessus de la structure acineuse. A la différence des dispositifs microfluidiques multicouches communs, cette chambre est simplement formée en intégrant la section cylindrique d'une seringue à l'intérieur du dispositif de PDMS, et ne nécessite pas de préparation d'un moule PDMS supplémentaire.
L'approche présentée ici miniaturisé offre un moyen simple et polyvalent pour la reproduction de structures acineuses compliquées avec des parois mobiles par rapport aux modèles à échelle jusqu'à tout en capturant les caractéristiques sous-jacentes de l'environnement de flux de acineuses. Cette plate-forme peut être utilisée pour flow la visualisation en utilisant des particules de liquide en suspension à l'intérieur des voies respiratoires (voir résultats représentatifs ci-dessous). Dans un proche avenir, le modèle sera utilisé avec les particules en suspension pour l'étude de la dynamique des particules acineuses inhalés.
Protocol
Representative Results
Discussion
Une caractéristique essentielle de la plate-forme acineuses microfluidique présentée ici est sa capacité à reproduire les mouvements de respiration physiologiquement réalistes qui donnent lieu à des profils et des vitesses d'écoulement physiologiques dans les conduits acineuses et dans les alvéoles. Etant donné que les canaux microfluidiques sont fabriqués avec un taux relativement faible d'aspect (ie., W j / h ≈ 3,9, où w j</su…
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).
